CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan công nghệ mạ kẽm nhúng nóng Mạ kẽm nhúng nóng là công nghệ bảo vệ bề mặt bằng phương pháp phủ 1 lớp kẽm mỏng lên bề mặt kim loại. Lớp kẽm này được tạo thành qua quá trình nhúng kim loại vào bể chứa kẽm nóng chảy. Đây là phương pháp tạo bề mặt chống rỉ phổ biến và tốt nhất hiện nay.
Trong quá trình mạ kẽm, kim loại được nấu thành hợp kim với chất nền. Vì thế lớp kẽm mạ sẽ không bị tróc ra như khi dùng sơn, tạo ra lớp bảo vệ vĩnh cửu cho chất nền. Lớp kẽm phủ lên bề mặt kim loại sau quy trình mạ sẽ trở thành một phần của lớp kim loại mà nó bảo vệ làm cho sản phẩm sau khi mạ có độ bền cao. Chi tiết kim loại được nhúng hoàn toàn trong bể kẽm nóng chảy đảm bảo toàn bộ bề mặt chi tiết sẽ được bảo vệ bởi lớp mạ.
Các tính chất cơ học của kim loại, thép không bị ảnh hưởng sau quá trình mạ. Mạ kẽm nhúng nóng có tác dụng tạo lớp bảo vệ các kết cấu kim loại trong những môi trường khắc nghiệt, sương muối, nước biển, khí công nghiệp. Các công nghệ của mạ kẽm được phát minh bởi một nhà hóa học người Pháp Paul Jacques Malouin trình bày tại Viện hàn lâm Pháp năm 1742, trong đó ông mô tả làm thế nào một lớp phủ kẽm có thể thu được trên sắt bằng cách nhúng nó trong kẽm nóng chảy với việc bổ sung các xử lý sơ bộ bề mặt thép với giải pháp 9% axit sulfuric (H2SO4) và trợ dung trong amoni clorua (NH4Cl). Phát hiện của Melouin lan truyền một cách nhanh chóng thông qua giới khoa học và các ứng dụng đầu tiên là sử dụng kẽm nóng chảy như một lớp phủ bảo vệ giá rẻ cho đồ dùng gia đình.
Năm 1836, nhà khoa học Pháp S. Soreil cấp bằng sáng chế cho một quá trình của lớp phủ thép bằng cách nhúng nó trong kẽm nóng chảy sau khi lần đầu tiên làm sạch nó. Ông cung cấp quá trình với tên gọi là mạ. Sorel đã nhận thức được bản chất của sự ăn mòn điện hóa và vai trò bảo vệ của lớp phủ kẽm trên sắt.
Các xưởng mạ kẽm nhúng nóng đầu tiên đã được xây dựng vào năm 1742 tại thành phố Solingen, Đức. 8 Theo thời gian, cùng với sự phát triển chung của thế giới, ngành mạ kẽm nhúng nóng có những bước tiến không ngừng trong việc tăng chất lượng cũng như tính thẩm mỹ của sản phẩm. Phương pháp này đã được ứng dụng rộng rãi hầu hết trong mọi ngành của nền kinh tế như: xây dựng, truyền tải điện, giao thông vận tải, nhà máy giấy, nhà máy hóa chất, giàn khoan dầu khí…Cực truyền tải điện, các yếu tố kết nối và mặt dây chuyền lắp cho dây, cột trụ biến áp, hỗ trợ đường ống, tháp, áo chui cho ống dẫn cáp, đường ống dẫn dầu khí , thành phần của các giàn khoan, lan can và làm hàng rào chống tiếng ồn, các kết cấu nhịp cầu, cầu vượt, đường hầm, các rào cản an toàn, đường ống thoát nước, hỗ trợ cho các biển chỉ đường, cột đèn, lưới cốt thép, cơ chế cầu nâng. Khung xây dựng, thép cỡ lớn tấm ván khuôn, mái nhà, các yếu tố máng xối, thời tiết, mũ bảo vệ cho hệ thống thông gió, và cấu thép xây dựng khác.
Trước năm 1990, nước ta phải tiến hành khôi phục kinh tế chủ yếu là sản xuất vừa và nhỏ, chưa được phát triển mạnh nên yêu cầu các biện pháp bảo vệ chống ăn mòn kết cấu thép chưa có quy mô lớn mà tập trung vào bảo quản các loại vũ khí trang bị kỹ thuật quân sự của quân đội có nguồn gốc từ nguồn viện trợ nước ngoài, các kết cấu kim loại lớn được nhập từ Liên Xô với các lớp phủ nhúng kẽm hoặc chủ yếu phủ bằng các loại sơn như nhựa đường đen. Từ sau năm 1990 nền kinh tế đất nước ta phát triển mạnh mẽ bằng hàng loạt các công trình được đầu tư xây dựng với quy mô lớn, đặc biệt là ngành điện với các công trình nguồn phát như Thủy điện Hóa Bình và hệ thống tải điện cao thế với khoảng cách dài nối các vùng Bắc Nam. Vì vậy vào khoảng thời gian này nhu cầu phủ kẽm chống ăn mòn kim loại cho các kết cấu thép có kích thước và khối lượng lớn trở nên cấp bách. Nhu cầu phủ kẽm chống tác động ăn mòn khí quyển cũng cần thiết cho các ngành xây dựng như vật liệu chắn với tấm lợp tôn mạ, nhúng kẽm hoặc hợp kim, ngành giao thông vận tải với các kết cấu thép, dãi phân cách; ngành công nghiệp gia dụng với các phụ tùng thiết bị gia đình…Nhà máy đầu tiền bắt đầu triển khai công nghệ mạ kẽm nóng chảy tại nhà máy thiết bị điện Đông Anh.
9 Các quá trình mạ kim loại thường được xem là một bộ phận trong dây chuyền sản xuất một sản phẩm kim loại. Đại bộ phận các doanh nghiệp sản xuất các sản phẩm kim loại thường có một phân xưởng để mạ hoặc sơn hoàn thiện sản phẩm của mình. Chính vì vậy, các đơn vị mạ thường có quy mô nhỏ và nằm rải rác trong các ngành sản xuất như ngành kim loại và các sản phẩm kim loại, ngành sản xuất và sửa chữa các phương tiện giao thông vận tải, ngành chế tạo máy móc và thiết bị. Ngoài ra, ở Việt Nam cũng có một số xưởng mạ kim loại nhúng nóng, thường nằm trong các nhà máy sản xuất kết cấu thép của ngành điện hoặc ngành sản xuất vật liệu xây dựng (tấm lợp kim loại).
Do đặc điểm là các đơn vị nhỏ lẻ, nên trang thiết bị phần lớn thường tự chế tạo, không đồng bộ, năng suất thấp, tiêu hao nhiều hóa chất và gây ra tác động tiêu cực tới môi trường xung quanh. Mặc dù sản xuất tôn trong nước trong một vài năm trở lại đây có sự tăng nhanh nhưng chưa đáp ứng đủ và thiếu ổn định nên lượng tôn nhập khẩu tăng. Hiện nay, Việt Nam có 26 nhà máy sản xuất tôn mạ kẽm, mạ màu, ở khu vực phía Nam như Đồng Nai, Bình Dương, Đà Nẵng, Tp Hồ Chí Minh, Long An…khu vực phía Bắc có một số nhà máy sản xuất tôn màu là Công ty tôn Việt Pháp, Công ty tôn VNsteel Thăng Long, Công ty tôn Vikor. Theo Hiệp hội Thép Việt Nam dự báo, khả năng tiêu thụ đối với sản phẩm tôn mạ kẽm tại thị trường Việt Nam đến năm 2015 sẽ đạt 450 nghìn tấn; năm 2020 đạt 600 nghìn tấn và đến năm 2025 sẽ đạt khoảng 720 nghìn tấn [11].
Một số nghiên cứu về ảnh hưởng sản xuất tôn mạ kẽm đến môi trường 1. Tình hình nghiên cứu về môi trường ở nước ngoài đối với sản xuất tôn mạ kẽm Ở nước ngoài việc nghiên cứu các công nghệ xử lý môi trường nói chung và việc nghiên cứu công nghệ xử lý khí thải nói riêng đã được triển khai được áp dụng trong phạn vi công nghiệp từ lâu. Các nghiên cứu trên chủ yếu tập trung vào việc làm rõ những ảnh hưởng nghiêm trọng của sản xuất mạ kẽm nhúng nóng gây ảnh hưởng như thế nào đến các thành phần môi trường xung quanh và con người. 10 “The Finnish metals industry and the environment” của các tác giả Seppälä J, Koskela S, Melanen M, Palperi M [37].
Tại Thái Lan, nghiên cứu tại một số công ty thép đã có nỗ lực để giảm phát thải khí nhà kính và cải thiện việc sử dụng năng lượng, nêu ra các tác động đến môi trường xung quanh quy trình hoạt động. Ngoài những mối quan tâm của phát thải khí nhà kính và sử dụng năng lượng, việc sử dụng sắt và kim loại, sản xuất thép, làm suy kiệt nguồn tài nguyên khoáng sản. Hơn nữa, lượng khí thải phát sinh (CO, NOx, SOx, dầu, và các kim loại nặng) từ sản xuất thép gây ra thiệt hại cho các hệ sinh thái và sức khỏe con người. Việc khai thác kẽm và tinh chế kẽm sử dụng trong sản xuất thép mạ kẽm gây ô nhiễm công nghiệp, do phát thải khí độc hại.
Chì (Pb) và cadmium là sản phẩm được tìm thấy trong khói của nhà máy. Những chất ecotoxic gây thiệt hại cho các sinh vật sống. Các phát tán của ion niken và kẽm trong nước trì hoãn sự phát triển của động vật thân mềm. Sự ô nhiễm đất của cadmium, đồng, kẽm giảm tỷ lệ nảy mầm của hạt giống lúa và sự phát triển của tế bào gốc.
“The contemporary Latin America and the Caribbean zinc cycle: one year stocks andflows” của các tác giả Harper. Sử dụng phương pháp LCA (Life cycle assessment) như một công cụ để nghiên cứu tác động môi trường từ ngành công nghiệp kim loại ở Phần Lan. Trong nghiên cứu này, sản phẩm tồn kho của tôn cán nóng, cán nguội, mạ kẽm nhúng nóng, và thép mạ hữu cơ được phân loại. Việc đánh giá về tác động môi trường từ từng giai đoạn tồn tại của các nhóm sản phẩm, bắt đầu từ khai thác đến phân phối các sản phẩm từ nhà máy, đã được tiến hành.
Các tác động của biến đổi khí hậu, quá trình axit hóa, đối lưu hình thành ozon, và hiện tượng phú dưỡng thủy sản đã được nghiên cứu. Các Kết quả cho thấy rằng quá trình sản xuất đóng góp cao nhất tác động môi trường. “Management of solid wastes from steel making and galvanizing processes”, của các tác giả Natália Cristina Candian Lobato, Edwin Auza Villegas, Marcelo Borges Mansur [31]. Nghiên cứu đánh giá quá trình quản lý chất thải rắn từ sản xuất thép và mạ kẽm, ở 4 loại chất thải điểm hình là xỉ kẽm, bùn từ hệ thống 11 xử lý, bụi và nước đen.
Bằng các biện pháp quản lý khuyến khích tái sử dụng chất thải cho các ngành công nghiệp khác như sản xuất xi măng, sản xuất bột màu, nguyên liệu cho làm gốm, mặt khác giảm gánh nặng và chi phí cho hoạt động xử lý. Đối với ngành công nghiệp mạ kẽm các vấn đề môi trường cần được quan tâm nghiêm túc, đặc biệt đối với sự ảnh hưởng của khí thải ra môi trường xung quanh. Theo nghiên cứu “Air Pollution Control Measures for hot-dip galvanizing Kettles” của tác giả Eric E. Hammond & George Thomas [22].
Thành phần khí thải đặc trưng của loại hình sản xuất này gồm có ZnCl2 chiếm 2,5%, ZnO 5,8%, Zn 4,9%, NH4Cl 68%, NH3 1,0% trọng lượng. Phương pháp được áp dụng để thu gom khí thải là thiết bị lọc bụi tay đạt hiệu quả cao. Các nghiên cứu đã đề cập ở trên tập trung vào ngành công nghiệp thép mạ kẽm. Các tác động môi trường đối với hệ sinh thái, tài nguyên, và sức khỏe con người, do sản xuất.