những biện pháp sản xuất sạch hơn hiện nay đối với ngành mạ kẽm nhúng nóng.
Mở đầu Hiện nay, Việt Nam đang trong giai đoạn công nghiệp hóa – hiện đại hóa nền kinh tế. Dự kiến đến năm 2020, Việt Nam cơ bản trở thành một nước công nghiệp. Theo đó, nhu cầu sử dụng kim loại và các sản phẩm từ kim loại sẽ ngày một tăng theo nhằm đáp ứng cho công cuộc công nghiệp hóa – hiện đại hóa. Tuy nhiên, lĩnh vực sản xuất các sản phẩm từ kim loại, trong đó có lĩnh vực xi mạ, ẩn chứa những rủi ro nguy cơ gây ô nhiễm môi trường rất lớn. Do đó, việc phát triển các ngành sản xuất kim loại đòi hỏi phải đáp ứng được nhu cầu, mặt khác cần phải có các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trường phát sinh. Mặc dù ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất là rất lớn, ngành công nghiệp xi mạ được xếp vào các ngành gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Do đó, nhiệm vụ sản xuất sạch hơn đối với ngành xi mạ là rất quan trọng, nhằm đáp ứng nhu cầu cho sự phát triển, đồng thời đảm bảo sự an toàn đối với môi trường trong suốt quá trình hoạt động. Mục tiêu của tiểu luận (1) Mục tiêu chung Đưa ra những biện pháp sản xuất sạch hơn hiện nay đối với ngành mạ kẽm nhúng nóng. (2) Mục tiêu cụ thể - Lập cơ sở lý thuyết về công nghệ, ứng dụng của ngành mạ kẽm nhúng nóng; - Xác định những vấn đề gây ô nhiễm, phát sinh chất thải của ngành mạ kẽm nhúng nóng; - Đưa ra công nghệ tốt nhất sẵn có của ngành mạ kẽm nhúng nóng; - Lập quy trình, các bước sản xuất sạch hơn cho ngành mạ kẽm nhúng nóng qua điển hình Công ty Cổ phần Việt Vương; I. Lý thuyết về mạ kẽm nhúng nóng 1.1. Nguyên lý của mạ kẽm nhúng nóng Dùng lớp phủ bảo vệ (hay gọi là bảo vệ rào chắn) để cách ly bề mặt kim loại tiếp xúc với chất điện dung trong môi trường ngoài là phương pháp cổ xưa nhất và được ứng dụng rộng rãi nhất trong việc bảo vệ chống ăn mòn. Hai thuộc tích quan trọng nhất của lớp bảo vệ rào chắn là sự bám dính vào bề mặt kim loại nền và độ bền của lớp phủ. Từ lâu, kẽm đã được sử dụng để tạo lớp bảo vệ do tính chất của kim loại này, nguyên nhân do tốc độ ăn mòn của Zn từ 40-50g/m 2 /năm so với 400- 500g/m 2 /năm của thép, đồng thời Zn có khả năng oxi hóa - khử cao hơn so với Fe. Do đó, về nguyên tắc dù được tạo bằng phương pháp nào: mạ điện phân, mạ nhúng nóng, mạ phun thì yếu tố quyết định đến tuổi thọ lớp Zn bảo vệ là độ dày lớp Zn được phủ. Lớp phủ kẽm sau khi khô có hai chức năng bảo vệ chính: - Thứ nhất là chức năng bảo vệ thụ động với lớp màng chắn bảo vệ kim loại như các loại lớp phủ khác. - Chức năng thứ hai là bảo vệ chủ động tức chức năng chống ăn mòn cathode (Cathodic protection), chức năng này có ở lớp phủ bảo vệ bằng mạ kẽm nhúng nóng (hot-dip galvanizing). Bảo vệ cathode [1] là một phương pháp quan trọng để tránh ăn mòn, bản chất của bảo vệ cathode là làm thay đổi phần tử của mạch ăn mòn, tạo nền một phần tử của mạch ăn mòn mới và đảm bảo rằng kim loại nền trở thành phần tử cathode của mạch này: Khi kẽm và thép tiếp xúc với nhau trong môi trường điện phân, sự chênh lệch về điện thế sẽ gia tăng và tế bào điện phân sẽ được hình thành. Kẽm có khả năng điện hóa cao hơn thép. Do đó, kẽm sẽ trở thành Anode để bảo vệ thép bên trong, nó sẽ ngăn sự hình thành các vùng Anode và Cathode trên bề mặt thép. Do sự chênh lệch về điện thế bên trong tế bào, các hạt electron mang điện tích âm (-) sẽ dịch chuyển từ kẽm (Anode) sang thép (Cathode), và nguyên tử kẽm ở Anode sẽ chuyển thành các ion kẽm mang điện tích dương (Zn++) Tại bề mặt Cathode (-), các electron mang điện tích âm sẽ thu hút và tác dụng với các ion H+ của môi trường điện phân, giải phóng khí H2. Không có phản ứng hóa học giữa thép (Cathode) và chất điện phân. Hiện tượng này ngăn cản sự ăn mòn ở Cathode, do đó sẽ được gọi là bảo vệ Cathode. Những ion kẽm Z++ tại Anode sẽ tác dụng với các ion OH- của chất điện phân và kẽm sẽ từ từ bị tiêu thụ, tạo thành 1 lớp bảo vệ hi sinh cho thép. Khi có sự ngắt quãng hoặc hư hại ở lớp kẽm bảo vệ, bảo vệ Cahode sẽ hoạt động và đảm bảo rằng thép không bị ăn mòn. Phần lớn các lớp phủ hữu cơ hoặc lớp sơn phụ thuộc vào khả năng chống thấm của nó, và trong vài trường hợp, là các sắc tố chống ăn mòn để bảo vệ thép khỏi sự gỉ sét. Các lớp này cung cấp rất ít hoặc không có sự bảo vệ thép bên trong khi có sự ngắt quảng hoặc hư hại trên lớp bảo vệ này. Do đó, sự ăn mòn bắt đầu hình thành và nhanh chóng lan rộng ra bên dưới lớp phủ. Không có phần thép nào bị oxi hóa cho đến khi phần kẽm mạ cuối cùng bị oxi hóa hết Ngoài ra, mạ kẽm nhúng nóng còn có các tính năng ưu việt so với các loại xi mạ khác như: - Mạ kẽm có chi phí gia công thấp với chất lượng tốt. Lớp kẽm phủ bề mặt trở thành 1 phần của lớp thép mà nó bảo vệ. Sản phẩm mạ kẽm có độ bền vượt trội, các tính chất cơ học của thép không bị ảnh hưởng bởi mạ kẽm; - Vật liệu được nhúng hoàn toàn trong bể kẽm nóng chảy, do đó toàn bộ bề mặt của sản phẩm có thể được phủ kẽm cùng 1 lúc, thích hợp cho nhiều phương án gia công khác nhau; 1.2. Công nghệ mạ kẽm nhúng nóng Quy trình mạ kẽm nhúng nóng bao gồm 03 bước cơ bản: chuẩn bị bề mặt, mạ và kiểm tra. Hình 1.1. Sơ đồ quy trình công nghệ mạ kẽm [1] (1) Chuẩn bị bề mặt Tẩy dầu mỡ: loại bỏ dầu mỡ và chất hữu cơ trên bề mặt chi tiết. Sử dụng dung dịch Alkali nóng (pH < 7) hoặc dung dịch axit nhẹ (3 < pH < 7). Tẩy rỉ: loại bỏ rỉ sắt trên bề mặt bằng dung dịch axit HCl (150 – 200 mg/l) hoặc H 2 SO 4 (80 – 120 mg/l). Rữa: loại bỏ dung dịch tẩy rỉ còn dính trên bề mặt Nhúng trợ dung: dùng dung dịch trợ dung ZnCl 2 (8 – 10%) và NH 4 Cl (18 – 20%). Dung dịch chuyển động loại bỏ lớp màng ô-xít hình thành trên bề mặt thép hoạt động mạnh sau quá trình làm sạch bằng a-xít, và ngăn chặn sự ô-xi hóa thêm 2 giờ trước khi mạ kẽm. (2) Mạ kẽm Các chi tiết sau khi đã được chuẩn bị sẵn sàng sẽ được nhúng vào dung dịch kẽm nóng chảy, duy trì ở nhiệt độ khoảng 450 0 C, tạo ra những lớp mạ hợp kim kẽm-sắt đồng nhất. Hình 1.2. Mặt cắt lớp mạ kẽm [1] Sau khi nhúng vào bể kẽm, các chi tiết được lấy ra thật chậm để tạo sự đồng nhất bề mặt và tránh kẽm văng. Phần kẽm thừa dính trên bề mặt chi tiết được loại bỏ bằng các biện pháp hút, run hoặc/và ly tâm, tùy theo đặc điểm hình học của chi tiết. Sau khi đi khỏi bể kẽm, quá trình đồng hóa hợp kim kẽm-sắt tiếp tục diễn ra cho đến khi nhiệt độ của chi tiết trở về nhiệt độ phòng. Tạo thành một lớp mạ rất đồng nhất về mặt cảm quan. (3) Kiểm tra Quy trình kiểm tra bao gồm 2 nội dung chính, kiểm tra độ dày và kiểm tra điều kiện bề mặt của lớp mạ. Hình 1.3. Kiểm tra độ dày của lớp mạ kẽm [1] 1.3. Tuổi thọ của lớp mạ Lớp mạ kẽm có tuổi thọ 20 năm trở lên tùy theo độ dày lớp mạ và điều kiện môi trường của vật liệu được mạ. Hình 1.4. Tuổi thọ của lớp kẽm mạ [1] Hình 1.5. Tuổi thọ của vật liệu kẽm mạ trong môi trường đất [1] 1.4. Một số ứng dụng của mạ kẽm nhúng nóng [2] Tại Việt Nam, đến năm 1989, công nghệ mạ kẽm nhúng nóng mới được bắt đầu nghiên cứu đưa vào sản xuất và được thúc đẩy mạnh mẽ khi triển khai xây dựng đường dây tải điện 500kV Bắc Nam phục cho sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Vật liệu tương ứng và công nghệ nhúng kẽm đã được áp dụng đúng lúc, đáp ứng được các yêu cầu chống ăn mòn, nâng cao chất lượng và tuổi thọ cũng như độ an toàn của các công trình kết cấu thép. Một số ứng dụng của mạ kẽm nhúng nóng có thể được liệt kê như: + Viễn thông truyền hình : trạm BTS, cột anten, trụ anten, + Lĩnh việc điện lực: trạm biến áp, giá đỡ máy biến áp,… + Lĩnh vực giao thông: khung sườn ôtô, xe máy;… + Chiếu sáng đô thị như cột đèn, giá đỡ… + Công nghiệp chế tạo khác; BAT (1) Tẩy dầu mỡ Sử dụng hỗn hợp Tricloroethylene (CHCl 3 ) và Tetracloroethylene (CCl 4 ) thay thế cho alkali và axit yếu. Công nghệ này có thể tẩy sạch và khô nhanh chóng ngay khi chi tiết rời khỏi dung dịch. Điểm bất lợi của công nghệ này là có thể ảnh hưởng đến người vận hành trực tiếp khi bay hơi, đồng thời có thể đi vào trong nước mặt hoặc nước ngầm [3]. Dùng hỗn hợp alkali nóng từ 50 – 90 0 C, bao gồm NaOH, khoáng carbonate, silicate và phosphates, dung dịch này tẩy dầu mỡ thành dạng nhũ tương và dễ dàng tái sử dụng bằng cách thu hồi lớp dầu nổi trên bề mặt [3]. Hệ thống tẩy dầu mỡ bằng biện pháp sinh học Dùng vi sinh vật được nuôi cấy trong điều kiện thích hợp để tẩy dầu mỡ và chuyển hóa dầu mỡ thành sinh khối. Hình . Hệ thống tẩy dầu mỡ bằng biện pháp sinh học [3] (2) Tẩy rỉ Tẩy rỉ bằng dung dịch HCl thay thế cho H 2 SO 4 nhằm tránh làm hỏng dung dịch trợ dung (ZnCl 2 , NH 4 Cl) do có sự hiện diện của ion SO 4 2- [4]. Tuy nhiên, việc sử dụng cần có thiết bị thu gom và trung hòa hơi axit HCl phát sinh để tránh ảnh hưởng đến môi trường và người lao động. Ngoài ra, việc tái sử dụng axit cũng nên được thực hiện để tránh lãng phí cũng như tốn kém hóa chất dùng để trung hòa. Công nghệ tái sử dụng axit HCl thải được đề xuất như sau: Hình . Công nghệ tái sử dụng axit HCl [5] (3) Mạ kẽm Dùng hợp kim kẽm với niken, sắt, coban để tăng tuổi thọ của lớp mạ từ 2–3 lần [3]. Dùng khí nóng khoảng 500 0 C – 600 0 C sấy lên chi tiết cần mạ trước khi nhúng vào kẽm, nâng nhiệt độ không khí trong các lỗ hổng của chi tiết. Qua đó hạn chế quá trình dãn nở do nhiệt của không khí khi nhúng vào bể kẽm, làm giảm đáng kể lượng kẽm văng trong bể nhúng. Phần khí nóng có thể tuần hoàn lại cho qua trình nấu chảy kẽm, sấy khô [5]. Sau khi mạ kẽm, có thể nhúng vào bể Cromate hóa để ngăn chặn oxi hóa, tạo thẩm mỹ cho chi tiết. Hóa trị Crom được khuyên dùng là Cr 3+ [3]. 1. P.E. James B. Bushman, Corrosion and Cathodic Protecon Theory 2. hp://makem.com.vn/. [...]... IPPC, Reference Document on best available techniques: Surface Treatment of metals and plastic materials using electrolytic or chemical process 2001 Hợp phần Sản xuất sạch hơn trong công nghiệp - Bộ Công thương, Báo cáo Đánh giá sản xuất sạch hơn - Công ty Cổ phần Việt Vương Công ty Cổ phần Sun Steel, Báo cáo Đánh giá tác động Môi trường - Công ty Cổ phần Sun Steel 2011