Công nghệ mạ crom và xử lý môi trường trong mạ crom

LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ mạ điện kim loại đã ra đời và phát triển từ rất lâu trên thế giới. Ở Việt Nam ngành mạ điện đang phát triển mạnh như ở Hà Nội, TP HCM, Bình Dương để đáp ứng nhu cầu tiêu dùng ở cả trong và ngoài nước. Tuy nhiên hầu hết các cơ sở mạ điện ở Việt Nam đều có đặc trưng là mặt bằng sản xuất chật hẹp, nằm xen kẽ trong khu dân cư, quy mô sản xuất nhỏ, sản xuất kiểu gia đình, công nghệ thiết bị lạc hậu xuống cấp. Mạ không chỉ bảo vệ kim loại nền khỏi bị ăn mòn mà còn có tác dụng trang trí. Tùy theo mục đích sử dụng mà áp dụng nhiều kỹ thuật mạ phủ các kim loại khác nhau, phổ biến nhất trong ngành mạ tiểu thủ công nghiệp là mạ phủ các kim loại như Đồng, Niken, Kẽm, Crôm, Vàng và Bạc. Trong bài tiểu luận này chúng em xin được tìm hiểu về công nghệ mạ Crôm. Lớp mà crôm với ưu điểm có độ bóng cao, màu sắc bắt mắt, được dung để trang trí, bảo vệ và tạo độ chịu mài mòn cho sản phẩm nên được ứng dụng khá rộng rãi. Kỹ thuật mạ crôm ngày nay đã có những bước tiến nhảy vọt nhằm tạo ra lớp mạ có cấu trúc tinh thể, mịn, dẻo, độ bám tốt, không xốp, không bong. Tuy nhiên, mạ điện nói chung và mạ crôm nói riêng là một ngành có mức độ ô nhiễm môi trường cao bởi các tác nhân chính như hơi hóa chất độc hại, nước thải có pH thay đổi lớn, chứa các ion kim loại nặng dễ gây cho con người những căn bệnh hiểm nghèo. Việc khắc phục các tác nhân gây ô nhiễm nêu trên nhằm bảo đảm môi trường làm việc cho những người trực tiếp sản xuất và bảo vệ môi trường chung là vấn đề kỹ thuật bắt buộc, ngay cả khi cở sở sản xuất đặt trong khu công nghiệp tập trung hay sản xuất nhỏ lẻ. Chính vì lẽ đó, trong bài tiểu luận này chúng em cũng sẽ đưa ra các giải pháp, phương pháp khắc phục, giảm thiểu ô nhiễm trong quy trình mạ crôm . BÀI TẬP LỚN KĨ THUẬT BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHIỆP Page 1 Do hạn chế về trình độ, kinh nghiệm, kiến thức và thời gian, bài tiểu luận sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được ý kiến đóng góp, phản hồi của cô giáo và các bạn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! BÀI TẬP LỚN KĨ THUẬT BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHIỆP Page 2 I. ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT MẠ CRÔM I.1. Nguyên liệu dùng trong quy trình mạ crôm a) Phôi mạ: Các kim loại như : Sắt, Đồng, Niken, Chì, Kẽm,… b) Dung dịch mạ: Gồm nhiều thành phần như axit Cromic (H 2 CrO 4 ), H 2 SO 4 , Cr 3+ , K 2 SiF 6 , NaOH, NH 4 F nhưng chủ yếu vẫn là axit Cromic. Axit Cromic không có trong tự nhiên, ta điều chế bằng cách hòa tan Trioxit Crom (CrO 3 ) trong nước tạo ra Axit Cromic : CrO 3 + H 2 O => H 2 CrO 4. Các dung dịch mạ Crom đều có thành phần chất tham gia như nhau, tuy nhiên tùy trường hợp mạ khác nhau mà có nồng độ thành phần khác nhau. c) Vật liệu để gia công bề mặt kim loại trước khi mạ : - Vật liệu gia công cơ học (mài, đánh bóng…): Gia công cơ học là quá trình giúp cho bề mặt vật mạ có độ đồng đều và độ nhẵn cao, giúp cho lớp mạ bám chắc và đẹp. Có thể thực hiện gia công cơ học bằng nhiều cách : mài, đánh bóng (là quá trình mài tinh), quay xóc đối với các vật nhỏ, chải, phun tia cát hoặc tia nước dưới áp suất cao .Quá trình gia công cơ học làm lớp kim loại bề mặt sản phẩm bị biến dạng, làm giảm độ gắn bám của lớp mạ sau này. Vì vậy trước khi mạ cần phải hoạt hóa bề mặt trong axit loãng rồi đem mạ ngay. - Vật liệu mài: Các loại bột mài như nhôm ôxit (Al 2 O 3 ), lơ đánh bóng. - Vật liệu đánh bóng: Mùn cưa, bột mài, axit sunfuric (H 2 SO 4 ) 5%, chất hoạt động bề mặt như bột cây, trái bồ kết. - Hóa chất sử dụng cho tẩy dầu mỡ : Bề mặt kim loại sau nhiều công đoạn sản xuất cơ khí, thường dính dầu mỡ, dù rất mỏng cũng đủ để làm cho bề mặt trở nên kị nước, không tiếp xúc được với dung dịch tẩy, dung dịch mạ… Có thể tiến hành tẩy dầu mỡ bằng các cách sau: Tẩy trong dung môi hữu cơ như tricloetylen C 2 HCl 3 , tetracloetylen C 2 Cl 4 , cacbontetraclorua CCl 4 … chúng có đặc điểm là hòa tan tốt nhiều loại chất béo, BÀI TẬP LỚN KĨ THUẬT BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHIỆP Page 3 không ăn mòn kim loại, không bắt lửa. Tuy nhiên, sau khi dung môi bay hơi, trên bề mặt kim loại vẫn còn dính lại lớp màng dầu mỡ rất mỏng làm bề mặt không sạch, cẩn phải tẩy tiếp trong dung dịch kiềm. Tẩy trong dung dịch kiềm nóng NaOH có bổ sung thêm một số chất nhũ tương hóa như Na 2 SiO 3 , Na 3 PO 4 … Với các chất hữu cơ có nguồn gốc động thực vật sẽ tham gia phản ứng xà phòng hóa với NaOH và bị tách ra khỏi bề mặt. Với những loại dầu mỡ khoáng vật thì sẽ bị tách ra dưới tác dụng nhũ tương hóa của Na 2 SiO 3 . Tẩy trong dung dịch kiềm bằng phương pháp điện hóa, dưới tác dụng của dòng điện, oxy và hidro thoát ra có tác dụng cuốn theo các hạt mỡ bám vào bề mặt. Tấy bằng phương pháp này dung dịch kiềm chỉ cần pha loãng hơn so với tẩy hóa học đã đạt hiệu quả. Tẩy dầu mỡ siêu âm là dùng sóng siêu âm với tần số dao động lớn tác dụng lên bề mặt kim loại, những rung động mạnh sẽ giúp lớp dầu mỡ tách ra dễ dàng hơn. - Hóa chất tẩy gỉ: axit HCl, H 2 SO 4 10%, HNO 3 , muối FeSO 4 , Fe(NO 3 ) 2 , chất ức chế ăn mòn (NH 4 ) 2 CS, urotropin, gieelatin, phenol. I.2. Quy trình công nghệ mạ crôm tổng quát BÀI TẬP LỚN KĨ THUẬT BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHIỆP Page 4 - Mạ điện tiến hành trong các bể mạ với dòng điện một chiều. - Vật cần mạ là catot được nối với cực âm của nguồn điện một chiều. Kim loại dùng để mạ là anot và được nối với cực dương. - Quá trình điện cực xảy ra như sau: + Ở catot xảy ra quá trình khử của kim loại cần mạ : [Me(H 2 O) X ] z+ + ze = Me + xH 2 O Me: kim loại tạo nên lớp mạ. Đồng thời ở catot còn có quá trình phụ khử hydro: BÀI TẬP LỚN KĨ THUẬT BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHIỆP Page 5 Sơ đồ nguyên lý thiết bị mạ điện crôm 2H + + 2e = H 2 ↑ + Ở anot xảy ra quá trình hòa tan điện hóa (oxy hóa) kim loại cần dùng để mạ: Me + xH 2 O = [Me(H 2 O) x ] z+ + ze 4 OH - = O 2 ↑ + 2H 2 O + 4e Me: kim loai cần mạ. Mài thô, mài tinh Gia công bề mặt Đánh bóng, quay bóng Làm sạch bằng hoá học Làm sạch bằng điện giải Tẩy gỉ Mạ kẽm Thành phẩm Sấy khô BÀI TẬP LỚN KĨ THUẬT BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHIỆP Page 6 Bụi gỉ Nước thải chứa hoá chất Bụi kim loại Nước thải kiềm Nước thải hữu cơ Nước thải và hơi acid Tẩy dầu mỡ Mạ bạc Mạ Crom Mạ đồng đen Mạ vàng Mạ đồng Mạ Niken BÀI TẬP LỚN KĨ THUẬT BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHIỆP Page 7 Quy trình mạ  Mô tả quy trình công nghệ mạ điện. - Tẩy sạch bề mặt nguyên liệu mạ: tẩy sạch bề mặt cần mạ bằng gia công cơ khí như mài thô, mài tinh, đánh bóng nhằm làm bằng các chỗ lồi lõm, vết hàn, các sản phẩm gỉ tích tụ trên bề mặt, làm cho bề mặt tương đối bằng phẳng, nhẵn bóng. Đối với những chi tiết có hình phức tạp, nhỏ bé không thể dùng mô tơ đánh bóng thì phải dùng thùng quay bóng. - Tẩy dầu mỡ: đối với dầu mỡ có nguồn gốc thực vật (dầu ) hay động vật (mỡ) dùng xà phòng để tẩy. Đối với dầu mỡ có nguồn gốc dầu mỏ không thể xà phòng hóa nhưng dễ tẩy trong dung môi hữu cơ, dịch kiềm và nhũ tương. Hàm lượng NaOH thấp hiệu quả tẩy dầu thấp, nhưng nếu quá cao khi tẩy dầu xà phòng tạo ra khó hoà tan, làm giảm hiệu quả tẩy dầu. Để duy trì dung dịch có độ kiềm ổn định, khống chế sự thay đổi hàm lượng NaOH thường cho vào các loại muối như Na 2 CO 3 , BÀI TẬP LỚN KĨ THUẬT BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHIỆP Page 8 Na 3 PO 4 …. Sự có mặt của các chất hoạt động bề mặt, và chất nhũ hóa (natri silicat) để tăng khả năng tẩy các chất không xà phòng hoá được. - Tẩy gỉ: tiến hành sau khi đã làm sạch dầu mỡ trên bề mặt, chi tiết cần mạ thường có lớp oxít phủ bên ngoài. Lớp ôxít này sinh ra khi đánh bóng không bôi dầu hoặc để lâu ngoài không khí bị ôxi hoá hoặc chi tiết có những phần không cần đánh bóng. Nếu trước khi mạ không tẩy lớp oxít này đi thì lớp mạ không bám chắc, khi sử dụng hay va chạm sẽ bị bong ra. Vì vậy, cần phải tẩy sạch lớp oxít trước khi mạ. - Mạ phủ kim loại: Phôi mạ sau khi tẩy sạch bề mặt và được rửa sạch bằng nước được đưa vào bể mạ. - Sấy khô và hoàn thành sản phẩm : Các chi tiết sẽ được sấy khô sau công đoạn mạ. Sau đó chúng sẽ được kiểm tra và đưa vào kho lưu trữ. I.3. Sản phẩm của quá trình mạ crôm - Đặc điểm: Lớp mạ Crom có độ bóng cao, màu trắng sang, có ánh xanh. Crom được mạ để trang trí hoặc bảo vệ các vật mạ, chịu mài mòn, tăng tính phản xạ ánh sang của sản phẩm. - Sản phẩm mạ thường gặp: Phụ tùng xe hơi, xe gắn máy, đồ gia dụng, làm gương phản chiếu, mạ khuôn, xi lanh, vòng găng của động cơ đốt trong,… I.4. Nhu cầu về năng lượng, nước và tài nguyên Về năng lượng Điện là loại năng nượng được sử dụng nhiều tại các cơ sở mạ điện, cung cấp năng lượng cho hầu hết các loại máy móc, thiết bị và động cơ trong nhà máy như các thiết bị quay tại công đoạn quay bóng, máy mài, công đoạn phủ mạ, ngoài ra điện còn sử dụng cho chiếu sáng, các loại quạt thông gió, quạt mát, công trình phụ trợ… BÀI TẬP LỚN KĨ THUẬT BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHIỆP Page 9 Về nước sử dụng Trong các công nghệ mạ điện, nước được sử dụng chủ yếu tại các công đoạn như: quay bóng ướt, tẩy dầu mỡ, tẩy gỉ, rửa sau mạ, nước cung cấp cho lò hơi và có một phần trong các dung dịch mạ. Về tài nguyên khoáng sản: Nguyên liệu đầu vào chú yếu của ngành mạ Crom là các kim loại như Sắt, Đồng, Niken, Chì, Kẽm…, đây là những loại tài nguyên quý giá đối với các quốc gia, có vai trò to lớn trong quá trình phát triên kinh tế. Ngoài ra, các công nghệ mạ điện còn sử dụng một số lượng rất lớn các nhiên liệu khác như than đá, dầu DO, FO, đây là những loại tài nguyên không tái tạo được nên việc sử dụng các tài nguyên này cần có một quá trình đánh giá và phân bố hợp lý.  Nhận xét Đối với công nghệ mạ điện nói chung và crom nói riêng vấn đề tiêu thụ tài nguyên cần quan tâm là tiêu thụ tài nguyên khoáng sản và năng lượng điện. Đầu vào của ngành mạ điện chủ yếu là kim loại, nhiên liệu đốt, các mỏ đại khai là một loại tài nguyên không tái tạo được, nhưng việc sử dụng và khai thác loại tài nguyên này đang là một áp lực lớn cho các nhà quản lý. Yêu cầu về một biện pháp khai thác hợp lý và một vật liệu thay thế là rất cần thiết. Điện được sử dụng cho hầu hết các thiết bị, máy móc trong xưởng mạ, cho cả mục đích sản xuất và tiêu dùng. Vấn đề cần quan tâm đối với loại tài nguyên này là tiết kiệm năng lượng. Thiết kế một hệ thống chiếu sáng, quạt thông gió, và một chương trình vận hành phù hợp để tiết kiệm được tối đa lượng điện tiêu thụ. Nâng cao ý thức trong sử dụng điện của các đối tượng trong công ty. Vấn đề tiêu thụ nước đối với ngành mạ điện là không đáng kể và lượng nước cung cấp cho các công đoạn trong sản xuất không nhiều, chủ yếu cho khâu tẩy rửa và sinh hoạt. Nhưng cũng cần có những biện pháp nhằm tiết kiệm lượng nước sử dụng, vừa tiết kiệm chi phí vừa giảm những tác động đến tài nguyên và môi trường. I.5. Tính chất công nghệ BÀI TẬP LỚN KĨ THUẬT BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHIỆP Page 10 [...]... thuộc vào loại mạ và công nghệ mạ) II.5 Ô nhiễm môi trường không khí Nguồn gây ô nhiễm Công đoạn mài thô, mài tinh Dòng thải và thành phần chính Tác động đến con người và môi trường Bột mài, bụi kim loại, SiO2, Cr2O3 -Làm ô nhiễm môi trường không khí trong khu vực sản xuất và khu vực xung quanh Quay bóng khô, ướt Bụi mùn cưa, bột mài, oxit sắt, oxit đồng, oxit crom Công đoạn tẩy rửa Hơi dung môi, hơi... tính để hấp thụ kim loại nặng Trong quy trình xi mạ có nhiều công đoạn, mỗi công đoạn thải ra nước thải có thành phần, tính chất khác nhau Vì vậy việc thu gom tập trung để xử lý sẽ làm tăng chi phí xử lý thay vì xử lý riêng từng công đoạn 12 Thay đổi quy trình công nghệ: Việc thay đổi quy trình công nghệ là một giải pháp tốt về mặt kỹ thuật Việc thay đổi quy trình công nghệ làm giảm lượng thải cũng... khi cho vào mạ hay sau khi lấy ra để thực hiện công đoạn khác cho đến khi hoàn thành sản phẩm Thành phần nước thải xi mạ phụ thuộc vào các phương pháp mạ khác nhau như mạ Crôm, mạ Niken , mạ Thiếc….Điểm giống nhau là nước thải xi mạ chứa nhiều muối kim loại hoà tan, có độ pH thay đổi rộng từ axit mạnh đến kiềm mạnh và hầu như hàm lượng BOD và COD trong nước thài ngành xi mạ là không đáng kể và BÀI TẬP... tạo công nhân vận hành buồng sấy theo đúng quy định +Khống chế quá trình cháy trong lò sấy tối ưu 7 Xử lý nước thải cho từng công đoạn Tùy từng công đoạn mà nước thải có thành phần và tính chất khác nhau Vì vậy sẽ có quy trình xử lý khác nhau cho từng công đoạn để giảm chi phí xử lý. Ví dụ nước rửa trước khi mạ ô nhiễm chủ yếu là do pH thấp, hàm lượng dầu mỡ cao, và BÀI TẬP LỚN KĨ THUẬT BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG... trình mạ crôm, những kỹ thuật xử lý ô nhiễm thường gặp và biện pháp quản lý chung cho quy trình công nghệ này Trong thực tế, tuỳ từng quy mô sản xuất, khả năng về kinh kế và kỹ thuật của mỗi cơ sở sản xuất để lựa chọn một giải pháp phù hợp để xử lý Áp dụng sản xuất sạch hơn trong các cơ sở mạ là một biện pháp có thể giúp giảm bớt các tác nhân về môi trường đối với các cơ sở, đây là một biện pháp quản lý. .. chuẩn mạ (tái chế ngoài khu vực nhà máy hoặc trong khu vực nhà máy) - Tái sử dụng nước ở các công đọan tẩy rửa sau khi đã xử lý - Tái sử dụng nhựa trao đổi ion sau khi đã sử dụng biện pháp phục hồi IV.CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CHẤT THẢI IV.1 Xử lý nước thải Mạ điện là ngành sử dụng nhiều hóa chất, trong các công đoạn từ khâu làm sạch phôi đến khâu mạ, đều sử dụng nước và hoá chất để tẩy rửa vật mạ trước... có hình thành hợp chất Cr(OH)CrO4 và bị khử theo quá trình: Cr(OH)CrO4 + H+ + e → CrCrO4 + H2O CrCrO4 + 2e → Cr ↓+ CrO4 2- BÀI TẬP LỚN KĨ THUẬT BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHIỆP Page 11 II CÁC CHẤT THẢI PHÁT SINH TRONG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ MẠ CRÔM VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ II.1 Vật chất đầu vào, đầu ra và độc tính của các hóa chất sử dụng trong quy trình mạ crôm Đầu vào - Vật mạ: kim loại - Vật liệu mài: các loại... mối quan tâm về môi trường vào trong việc thiết kế và cung cấp các dịch vụ - SXSH đòi hỏi áp dụng các bí quyết, cải tiến công nghệ và thay đổi thái độ Như vậy, SXSH không ngăn cản sự phát triển, SXSH chỉ yêu cầu rằng sự phát triển phải bền vững về mặt môi trường sinh thái Không nên cho rằng SXSH chỉ là 1 chiến lược về môi trường bởi nó cũng liên quan đến lợi ích kinh tế Trong khi xử lý cuối đường ống... thiện với môi trường + Đảm bảo tính bền vững của các phương án TKNL thông qua lồng ghép phương pháp luận SXSH + Tạo điều kiện thực hiện hệ thống bảo vệ môi trường BÀI TẬP LỚN KĨ THUẬT BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHIỆP Page 19 Vì vậy chúng ta lồng ghép quá trình TKNL vào SXSH để thục hiện được tốt hơn quá trình sản suất đồng thời bảo vệ môi trường III.3 Các cơ hội ứng dụng SXSH trong công nghệ mạ crôm Việc... photphoric, axit hữu cơ và dung dịch kiểm Nhưng trong dung dịch axit HCl và trong H2SO4 đặc nóng Crôm bị hoà tan do màng oxyt bị phá huỷ .Trong các hợp chất, Crôm thường có hoá trị +3 và +6 Hợp chất Crôm hoá tri +6 là chấtoxy hoá mạnh CrO3 hoà tan trong nước tạo thành hỗn hợp các axit Cromic Mạ crôm trang sức rất mỏng trong hệ lớp mạ bảo vệ trang sức, mạ Crôm bảo vệ chống ăn mòn Mạ điện Crôm khác một . hơi acid Tẩy dầu mỡ Mạ bạc Mạ Crom Mạ đồng đen Mạ vàng Mạ đồng Mạ Niken BÀI TẬP LỚN KĨ THUẬT BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHIỆP Page 7 Quy trình mạ  Mô tả quy trình công nghệ mạ điện. - Tẩy sạch. BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHIỆP Page 11 II. CÁC CHẤT THẢI PHÁT SINH TRONG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ MẠ CRÔM VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ II.1. Vật chất đầu vào, đầu ra và độc tính của các hóa chất sử dụng trong. thải mạ crôm Chất thải rắn khác Bùn thải từ quá trình xử lý nước thải Chất thải nguy hại chứa chủ yếu là cặn kim loại nặng (tùy thuộc vào loại mạ và công nghệ mạ) . II.5. Ô nhiễm môi trường