金屬表面處理
金屬的表面處理增加了它們的耐用性並改善了它們的外觀。 一件產品可能會經過不止一次的表面處理——例如，汽車車身面板可能會經過磷酸鹽處理、塗底漆和塗漆。 本文介紹用於金屬表面處理的工藝以及用於減少其環境影響的方法。
經營金屬表面處理業務需要公司管理層、員工、政府和社區之間的合作，以有效地減少經營對環境的影響。 社會關注進入空氣、水和土地環境的污染的數量和長期影響。 有效的環境管理 通過對所有元素、化學品、金屬、工藝和產出的詳細了解來建立。
污染防治規劃 使用以下規劃順序，將環境管理理念從對問題的反應轉變為以化學替代、工藝變更和內部回收為重點的預期解決方案：
- 全面啟動污染防治工作。
- 識別廢物流。
- 設定行動的優先次序。
- 確定浪費的根本原因。
- 確定並實施減少或消除浪費的變更。
- 測量結果。
持續改進是通過設定新的行動優先級和重複行動順序來實現的。
詳細的過程文件將確定廢物流，並允許為減少廢物的機會設定優先次序。 關於潛在變化的明智決定將鼓勵：
- 簡單實用的操作改進
- 涉及客戶和供應商的流程變更
- 盡可能改變危害較小的活動
- 在改變不切實際的地方再利用和回收
- 僅將危險廢物填埋作為最後手段。
主要流程及標準作業流程
清潔 之所以需要，是因為所有金屬精加工工藝都要求要精加工的零件不含有機和無機污垢，包括油、水垢、拋光劑和拋光劑。 使用的三種基本類型的清潔劑是溶劑、蒸氣脫脂劑和鹼性清潔劑。
溶劑和蒸汽脫脂清洗方法幾乎完全被鹼性材料所取代，在後續過程是濕的。 溶劑和蒸汽脫脂劑仍在使用，零件必須清潔乾燥，不能進行進一步的濕法加工。 在某些情況下，萜烯等溶劑正在取代揮發性溶劑。 毒性較小的材料（例如 1,1,1-三氯乙烷）已在蒸汽脫脂中替代了危險性更高的材料（儘管這種溶劑正在作為臭氧消耗劑逐步淘汰）。
鹼性清洗週期通常包括浸泡浸泡，然後是陽極電清洗，然後是弱酸浸泡。 非蝕刻、非矽化清潔劑通常用於清潔鋁。 酸通常是硫酸、鹽酸和硝酸。
陽極氧化，一種加厚金屬表面氧化膜（通常應用於鋁）的電化學過程，用稀鉻酸或硫酸溶液處理零件。
轉化塗層 用於為後續塗漆提供基礎或鈍化以防止氧化。 在鉻酸鹽處理中，將零件浸入含有活性有機和無機試劑的六價鉻溶液中。 對於磷化，零件與其他試劑一起浸入稀磷酸中。 鈍化是通過浸入硝酸或含重鉻酸鈉的硝酸來完成的。
化學鍍 涉及在沒有電的情況下沉積金屬。 銅或鎳化學沉積用於製造印刷電路板。
電鍍 涉及在基材（鐵或非金屬）上沉積一層薄金屬（鋅、鎳、銅、鉻、鎘、錫、黃銅、青銅、鉛、錫鉛、金、銀和其他金屬，如鉑）鐵）。 工藝浴包括在酸性、鹼性中性和鹼性氰化物配方中的金屬溶液（見圖 1）。
圖 1. 典型電鍍線的輸入和輸出
化學銑削和蝕刻 是使用化學試劑和蝕刻劑的受控溶解浸漬工藝。 鋁通常在陽極氧化或在可能含有硝酸、磷酸和硫酸的溶液中進行化學增亮之前在苛性鹼中蝕刻。
熱浸鍍層 涉及通過浸入熔融金屬（鋼的鋅或錫鍍鋅）將金屬應用於工件。
良好的管理實踐
通過過程改進可以實現重要的安全、健康和環境改進，例如：
- 使用逆流沖洗和電導率控制
- 增加排水時間
- 使用更多或更好的潤濕劑
- 保持盡可能高的工藝溫度以降低粘度，從而增加帶出回收（即回收留在金屬上的溶液）
- 在漂洗中使用空氣攪拌以提高漂洗效率
- 在電鍍槽中使用塑料球以減少起霧
- 在電鍍槽上使用改進的過濾以減少淨化處理的頻率
- 在所有工藝區域周圍放置路緣以控制溢出
- 對鎳等可回收金屬進行單獨處理
- 安裝離子交換、常壓蒸發、真空蒸發、電解回收、反滲透、電滲析等回收系統
- 通過減少污染物的帶入和改進清潔系統來補充帶出回收系統
- 使用現代庫存控制來減少浪費和工作場所的危害
- 應用標準程序（即書面程序、定期操作審查和健全的操作日誌）為健全的環境管理結構提供基礎。
特定廢物的環境規劃
特定的廢物流，通常是用過的電鍍溶液，可以通過以下方式減少：
- 過濾。 筒式或矽藻土過濾器可用於去除固體的積累，這會降低過程的效率。
- 碳處理 可用於去除有機污染物（最常用於鍍鎳、電鍍銅和鍍鋅、鍍鎘）。
- 淨化水。 補水和沖洗水中的天然污染物（例如鈣、鐵、鎂、錳、氯和碳酸鹽）可以通過去離子、蒸餾或反滲透去除。 提高漂洗水效率可減少需要處理的浴槽污泥量。
- 氰化浴碳酸鹽凍結。 將浴溫降低至 –3 °C 可使氰化物浴中因氰化物分解、陽極電流密度過大和從空氣中吸收二氧化碳而形成的碳酸鹽結晶並促進其去除。
- 沉澱。 可以通過用氰化鋇、氫氧化鋇、氫氧化鈣、硫酸鈣或氰化鈣沉澱來去除作為陽極雜質進入鍍液的金屬污染物。
- 六價鉻替代品。 可用三價鉻電鍍液代替六價鉻進行裝飾電鍍。 用於油漆預處理的鉻轉化塗層有時可以用非鉻轉化塗層或免沖洗鉻化學品代替。
- 非螯合過程化學品。 可以使用非螯合工藝化學品，而不是將螯合劑添加到工藝浴中以控制溶液中游離離子的濃度，這樣就沒有必要將金屬保持在溶液中。 可以允許這些金屬沉澱並可以通過連續過濾除去。
- 非氰化物工藝化學品。 含有游離氰化物的廢物流通常使用次氯酸鹽或氯氣進行處理以完成氧化，而復雜的氰化物通常使用硫酸亞鐵沉澱。 使用非氰化物工藝化學品既可以消除處理步驟，又可以減少污泥量。
- 溶劑脫脂。 熱鹼性清洗浴可用於代替加工前工件的溶劑脫脂。 可以通過使用電流或超聲波來增強鹼性清潔劑的有效性。 避免溶劑蒸汽和污泥的好處通常超過任何額外的運營成本。
- 鹼性清潔劑。 當油、油脂和污垢在使用中積累到一定程度會影響清洗效率時，必須丟棄鹼性清潔劑，這可以通過使用撇渣裝置去除自由漂浮的油、沉降裝置或筒式過濾器去除微粒和油水聚結器，並使用微濾或超濾去除乳化油。
- 拖出減少。 減少工藝槽中的帶出量有助於減少污染漂洗水的有價值的工藝化學品的量，這反過來又減少了傳統金屬沉澱處理工藝產生的污泥量。
減少拖出的幾種方法包括：
- 工藝浴操作濃度。 化學品濃度應保持盡可能低，以盡量減少粘度（以便更快地排出）和化學品的數量（在薄膜中）。
- 工藝浴操作溫度。 工藝溶液的粘度可以通過提高浴溫來降低。
- 潤濕劑。 可以通過向工藝浴中添加潤濕劑來降低溶液的表面張力。
- 工件定位。 工件應放置在架子上，以便粘附的薄膜可以自由排出，而不會陷入凹槽或空腔中。
- 停藥或引流時間. 工件從工藝槽中取出的速度越快，工件表面的薄膜就越厚。
- 氣刀。 當工件架升高到工藝槽上方時向工件吹氣可以改善排水和乾燥。
- 噴霧沖洗。 這些可以在加熱浴上方使用，以便沖洗流量等於水箱的蒸發速率。
- 電鍍槽。 應去除碳酸鹽和有機污染物，以防止污染物積聚，從而增加電鍍液的粘度。
- 排水板。 工藝槽之間的空間應該用排水板覆蓋，以收集工藝溶液並將它們返回工藝槽。
- 牽引坦克。 在標準漂洗操作之前，應將工件放入拖出槽（“靜態漂洗”槽）中。
化學品的拖出回收使用了多種技術。 這些包括：
- 蒸發。 大氣蒸發器是最常見的，而真空蒸發器可以節省能源。
- 離子交換 用於漂洗水的化學回收。
- 電解沉積。 這是一種電解過程，溶液中溶解的金屬被還原並沉積在陰極上。 然後回收沉積的金屬。
- 電滲析. 這利用離子滲透膜和施加的電流來從溶液中分離離子物質。
- 反滲透. 這利用半透膜生產純淨水和濃縮離子溶液。 高壓用於迫使水通過膜，而大部分溶解的鹽被膜保留。
沖洗水
金屬精加工設施中產生的大部分危險廢物來自清潔和電鍍後的漂洗操作產生的廢水。 通過提高漂洗效率，設施可以顯著減少廢水流量。
兩種基本策略可提高漂洗效率。 首先，通過噴霧漂洗和漂洗水攪動，可以在工件和漂洗水之間產生湍流。 使用機架的移動或強制水或空氣。 其次，可以增加工件與沖洗水的接觸時間。 多個漂洗槽逆流串聯，減少漂洗用水量。
工業塗料
術語 塗料 包括油漆、清漆、漆、搪瓷和蟲膠、油灰、木材填料和密封劑、油漆和清漆去除劑、油漆刷清潔劑和相關油漆產品。 液體塗料包含分散在液體粘合劑和溶劑混合物中的顏料和添加劑。 顏料是提供塗層顏色和不透明度並影響塗層流動性和耐久性的無機或有機化合物。 顏料通常含有鎘、鉛、鋅、鉻和鈷等重金屬。 粘合劑可增加塗層的粘附性、內聚性和稠度，是塗層完成後留在表面上的主要成分。 粘合劑包括各種油、樹脂、橡膠和聚合物。 可以將諸如填料和增量劑的添加劑添加到塗料中以降低製造成本並增加塗層耐久性。
塗料中使用的有機溶劑種類包括脂肪烴、芳香烴、酯類、酮類、乙二醇醚類和醇類。 溶劑分散或溶解粘合劑並降低塗層粘度和厚度。 塗料配方中使用的溶劑是危險的，因為許多是人類致癌物並且易燃或易爆。 塗層固化時，塗層中包含的大多數溶劑都會蒸發，從而產生揮發性有機化合物 (VOC) 排放物。 由於對人類健康和環境的負面影響，VOC 排放正受到越來越多的監管。 與傳統成分、塗料應用技術和塗料廢物相關的環境問題是開發污染預防替代品的驅動力。
大多數塗料用於建築、工業或特殊產品。 建築塗料用於建築物和建築產品以及裝飾和保護服務，例如保護木材的清漆。 工業設施在各種生產過程中結合了塗層操作。 汽車、金屬罐、農機、卷材塗料、木材和金屬家具和固定裝置以及家用電器行業是主要的工業塗料消費者。
塗料配方的設計取決於塗料應用的目的。 塗層提供美觀、腐蝕和表面保護。 成本、功能、產品安全性、環境安全性、轉移效率以及乾燥和固化速度決定了配方。
塗層工藝
大多數塗裝工藝包括五項操作：原材料處理和準備、表面準備、塗裝、設備清潔和廢物管理。
原材料處理和準備
原材料處理和準備涉及庫存儲存、混合操作、塗料的稀釋和調整以及通過設施的原材料轉移。 需要監控和處理程序和實踐，以盡量減少因過度稀釋和隨之而來的浪費而導致的變質、不合規格和不當準備而產生的廢物。 轉移，無論是手動還是通過管道系統，都必須安排好時間以避免變質。
表面處理
所用表面處理技術的類型取決於被塗敷的表面——之前的處理、污垢量、油脂、要應用的塗層和所需的表面光潔度。 常見的準備操作包括脫脂、預塗或磷化和塗層去除。 對於金屬精加工目的，脫脂包括溶劑擦拭、冷清洗或使用鹵化溶劑的蒸汽脫脂、鹼性水溶液清洗、半水清洗或脂肪烴清洗，以去除有機污垢、污垢、油和油脂。 酸洗、研磨清洗或火焰清洗用於去除氧化皮和鐵鏽。
除清潔外，金屬表面最常見的準備操作是磷酸鹽塗層，用於促進有機塗層在金屬表面的附著力並延緩腐蝕。 磷酸鹽塗層是通過用鋅、鐵或錳的磷酸鹽溶液浸漬或噴塗金屬表面而形成的。 磷化是一種類似於電鍍的表面精加工工藝，由一系列工藝化學品和漂洗槽組成，零件浸入其中以實現所需的表面處理。 請參閱本章中的“金屬表面處理”一文。
在需要重新塗裝、修復或檢查的表面上進行化學或機械塗層去除。 最常見的化學塗層去除方法是溶劑剝離。 這些溶液通常包含苯酚、二氯甲烷和有機酸，以從塗層表面溶解塗層。 去除化學物質的最後水洗會產生大量廢水。 噴砂是一種常見的機械工藝，是一種干式操作，使用壓縮空氣將噴砂介質推向表面以去除塗層。
表面處理操作會影響特定處理過程中產生的廢物量。 如果表面準備不充分，導致塗層質量差，那麼去除塗層和重新塗層會增加廢物的產生。
塗層
塗覆操作包括將塗層轉移到表面並固化表面上的塗層。 大多數塗層技術屬於 1 個基本類別之一：浸塗、輥塗、流塗、噴塗和最常見的技術，使用溶劑型塗料的空氣霧化噴塗。
由於溶劑排放和過噴，空氣霧化噴塗通常在受控環境中進行。 過噴控制裝置是織物過濾器或水冷壁，產生使用過的過濾器或空氣洗滌系統產生的廢水。
進行固化以將塗層粘合劑轉化為堅硬、堅韌、粘附的表面。 固化機制包括：乾燥、烘烤或暴露於電子束或紅外線或紫外線。 固化會從溶劑型塗料中產生大量 VOC，如果溶劑濃度超過爆炸下限，則有可能發生爆炸。 因此，固化操作配備了空氣污染控制裝置以防止 VOC 排放和安全控制以防止爆炸。
環境和健康問題、影響傳統塗料配方的法規增加、高溶劑成本和昂貴的危險廢物處理已經產生了對替代塗料配方的需求，這些配方包含較少的危險成分並且在應用時產生較少的廢物。 替代塗料配方包括：
- 高固含量塗料， 在相同體積的溶劑中含有兩倍於傳統塗料的顏料和樹脂。 與傳統的低固體溶劑型塗料相比，由於溶劑含量降低，該應用可將 VOC 排放量降低 62% 至 85%。
- 水性塗料 以水和有機溶劑混合物為載體，以水為鹼。 與溶劑型塗料相比，水性塗料產生的 VOC 排放量和廢溶劑比傳統的低固體溶劑型塗料少 80% 至 95%。
- 粉末塗料 不含有機溶劑，由精細粉碎的顏料和樹脂顆粒組成。 它們是熱塑性（用於厚塗層的高分子量樹脂）或熱固性（在化學交聯前形成薄層的低分子量化合物）粉末。
設備清洗
設備清洗是塗裝工藝中必要的日常維護操作。 這會產生大量危險廢物，尤其是在使用鹵化溶劑進行清潔時。 傳統上，溶劑型塗料的設備清潔是使用有機溶劑手動進行的，以去除工藝設備上的塗層。 管路需要用溶劑分批沖洗乾淨。 塗層設備必須在產品更換之間和工藝停工後進行清潔。 使用的程序和實踐將決定這些活動產生的廢物水平。
廢物管理
塗層工藝會產生多種廢物流。 固體廢物包括空的塗料容器、過噴和設備清潔產生的塗料污泥、用過的過濾器和研磨材料、幹塗料和清潔抹布。
液體廢物包括表面處理、過噴控製或設備清潔產生的廢水、不合格或過量的塗料或表面處理材料、過噴、溢出和用過的清潔溶液。 隨著處理成本的上升，現場閉環回收對於用過的溶劑越來越受歡迎。 水基液體通常在排放到公有處理系統之前進行現場處理。
所有使用溶劑型塗料的傳統塗料工藝都會產生 VOC 排放，需要碳吸附裝置、冷凝器或熱催化氧化器等控制設備。