鋁合金以其質(zhì)輕、塑性高、耐腐蝕性好且易表面處理等優(yōu)越的性能，廣泛應(yīng)用于電子、航空、建材、交通等領(lǐng)域。隨著人們生活水平及審美標(biāo)準(zhǔn)的提高，對(duì)鋁合金的色彩多樣性提出了更多的要求，為達(dá)到較好的裝飾效果和耐蝕性，時(shí)至今日，鋁材陽(yáng)極氧化電解著色已經(jīng)處于核心技術(shù)的地位。

 

所謂電解著色就是指鋁及其合金經(jīng)陽(yáng)極氧化后，在含有金屬鹽的水溶液中進(jìn)行交流電解，在陽(yáng)極氧化膜多孔層的底部電沉積金屬、金屬氧化物或金屬化合物，由于電沉積物質(zhì)對(duì)光的散射作用而呈現(xiàn)各種色彩的過(guò)程。

 

 

 

鋁型材在硫酸陽(yáng)極氧化后形成潔凈透明具有很高的化學(xué)活性的多孔型陽(yáng)極氧化膜，經(jīng)過(guò)水洗及純水洗后，轉(zhuǎn)入酸性的金屬鹽槽液中，經(jīng)電解作用將非常細(xì)小金屬和金屬氧化物微粒不可逆的電沉積在多孔層陽(yáng)極氧化膜孔隙的底部(如圖1)，借助金屬微粒對(duì)入射光的吸收和散射效應(yīng)而獲得不同顏色。目前，具有實(shí)用價(jià)值的金屬鹽有錫、鎳、錳、鈷、銀和硒鹽等。

 

據(jù)國(guó)內(nèi)外大量研究報(bào)道，不論何種金屬鹽的電解著色膜，陽(yáng)極氧化膜中的沉積物既有晶態(tài)的金屬離子，也有非晶態(tài)的金屬氧化物或氫氧化物存在，各著色液的著色膜色調(diào)不同可能與析出顆粒的尺寸和分布有關(guān)，而顏色深淺不同，則是與氧化膜的厚度、沉積顆粒的數(shù)量有關(guān)。

 

電解著色的基本過(guò)程由3個(gè)步驟組成：

 

(1)金屬離子和氫離子等反應(yīng)物離子向阻擋層表面附近傳遞；

 

(2)金屬離子在阻擋層與著色液界面間獲得電子，氫離子穿人阻擋層，在基體與阻擋層界面間獲得電子；

 

(3)析出金屬和生成氫氣：

 

金屬離子在陰極的還原沉積反應(yīng)：Mn+ + ne — M；

 

與此同時(shí)氫離子在陰極的放電反應(yīng)產(chǎn)生氫氣：2H+ + 2e - H2。

 

 

 

目前國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的著色鹽是錫鹽或錫-鎳混合鹽。采用亞錫鹽的優(yōu)點(diǎn)是分散能力強(qiáng)和抗外來(lái)雜質(zhì)離子的干擾性強(qiáng)，缺點(diǎn)是槽液不穩(wěn)定，易氧化和水解沉淀。而單鎳鹽具有成分簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，著色均勻、色差小，耐蝕性高，耐磨性好，成本低等特點(diǎn)，但鎳鹽的缺點(diǎn)是抗外來(lái)雜質(zhì)離子干擾性差，尤其是對(duì)鈉離子特別敏感，必須控制在6~10PPM之內(nèi)。

 

 

 

從上表中可見(jiàn)，槽液的主要成分是硫酸鎳和硼酸，硫酸鎳是著色主鹽，提供電解著色沉積的金屬鎳離子，鎳離子濃度越高，則著色速度越快。硼酸的作用是調(diào)整溶液pH值的緩沖劑，pH值一般控制在3.5～4.5，偏高時(shí)會(huì)造成色調(diào)不一致以及著色困難，過(guò)低時(shí)會(huì)影響整體著色的均勻性與效果。著色槽陰極應(yīng)采用純鎳板，以免引進(jìn)雜質(zhì)使槽液變質(zhì)。此外，定時(shí)通陽(yáng)離子交換塔，去除槽液中的鉀、鈉、銨等離子以保證著色質(zhì)量，當(dāng)Na+>15PPM容易加速氫氣析出破壞著色膜，而Na+<5PPM時(shí)，Ni2+沉積加快，易使型材著色不均，造成色差、兩頭色。

 

單鎳鹽著色其過(guò)程是將具有陽(yáng)極氧化膜的鋁合金型材浸入單鎳鹽著色槽液中，先將鋁型材作陽(yáng)極進(jìn)行通電，使不同部位的氧化膜變得均勻，同時(shí)改變膜孔結(jié)構(gòu)，防止后續(xù)著色時(shí)氧化膜開(kāi)裂；然后，再將鋁型材作為陰極，使鎳離子在陽(yáng)極氧化膜孔底部均勻電解析出，從而使鋁合金型材表面得到穩(wěn)定、均勻的顏色。顏色深淺通過(guò)助波的數(shù)量來(lái)控制，深色料需在基本波形上疊加1~n個(gè)相同或類似于基本波形的助波來(lái)達(dá)到深色效果，常用深色料著色波形如圖2所示。

 

V+為正電壓（V）； V-為負(fù)電壓(V)；

T0為通電前的浸泡時(shí)間（s）；T1為正電壓起壓時(shí)間（s）

T2為正電壓持續(xù)時(shí)間（s）；T3為正電波與負(fù)電波的轉(zhuǎn)換停頓時(shí)間（s）；

T4為負(fù)電壓起壓時(shí)間（s）；T5為正電壓持續(xù)時(shí)間（s）；

 

 

 

隨著溶液溫度升高，離子擴(kuò)散速度加快，著色速度也相應(yīng)加快，若采用相同著色時(shí)間，則使顏色加深；但溫度過(guò)高易產(chǎn)生色差、兩頭色，而溫度過(guò)低時(shí)則著色速度太慢，又不利于連續(xù)生產(chǎn)，故在立吊式陽(yáng)極氧化表面處理過(guò)程中，一般控制著色溫度在27~29℃之間。

 

在規(guī)定的電壓和溫度下，時(shí)間越長(zhǎng)，顏色越深，一般香檳料著色時(shí)間為2分鐘左右，純黑色料在6分鐘左右，但達(dá)到一定程度時(shí)，即使是時(shí)間再長(zhǎng)，鎳鹽也難以達(dá)到錫鹽可以達(dá)到的深色。

 

此外，單鎳鹽著色前須嚴(yán)格控制水洗，若著色前水洗不徹底，膜孔中殘留的硫酸根直接影響型材的著色質(zhì)量。在自動(dòng)化生產(chǎn)中，加大槽液循環(huán)量和攪拌速度，更加有利于著色，顏色均勻且再現(xiàn)性好。

 

 

 

反滲透是一種借助選擇透過(guò)性膜的功能，以壓力差為推動(dòng)力的膜分離技術(shù)。其工作原理是在高于溶液滲透壓的壓力作用下，借助于只允許水透過(guò)而不允許其他物質(zhì)透過(guò)的半透膜的選擇截留作用將溶液中的溶質(zhì)與溶劑分離，從而達(dá)到凈化和濃縮的目的。

 

實(shí)現(xiàn)反滲透有兩個(gè)條件：一是操作壓力必須大于溶液的滲透壓；二是必須有一種高選擇性、高透水性的半透膜。利用反滲透膜的分離特性，可以有效地去除水中的溶解鹽、膠體、有機(jī)物、細(xì)菌、微生物等雜質(zhì)。

 

RO反滲透技術(shù)是一種既先進(jìn)又節(jié)能有效的分離技術(shù)，用于重金屬?gòu)U水回用處理，一次性投資相對(duì)化學(xué)法和吸附法要高，但其不需另外加藥，處理后出水不需后續(xù)處理就可直接回用，運(yùn)行費(fèi)用低，回收的重金屬產(chǎn)品也可重新利用，投資回收期短。

 

 

在鋁型材經(jīng)過(guò)單鎳鹽著色后，會(huì)經(jīng)過(guò)水洗過(guò)程而不至于污染后面工序的槽液，因此產(chǎn)生大量含鎳廢水，直接排放，不僅生產(chǎn)成本高，且鎳及其化合物有毒還會(huì)污染環(huán)境。此外，鎳屬于貴重金屬，回收利用又能帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益，因此采用RO反滲透原理和方法對(duì)硫酸鎳進(jìn)行回收突顯出巨大優(yōu)勢(shì)。因立式氧化生產(chǎn)線本身配備有溢流循環(huán)裝置，增加鎳回收裝置只需在溢流槽加設(shè)管道即可，難度不大。

 

在實(shí)際生產(chǎn)中，并非所有的硫酸鎳都用于陽(yáng)極氧化膜微孔的鎳離子電沉積著色，而是有2/3以上的硫酸鎳溶解在清水中排出。目前，我司立式氧化生產(chǎn)線采用的一套處理能力為1200 L／h的多級(jí)濃縮膜分離裝置處理單鎳鹽著色漂洗水，整個(gè)系統(tǒng)的水回用率>98％，而占廢水體積15％～25％的截留液可進(jìn)一步回收重金屬產(chǎn)品，鎳的回收率>97％。RO膜管一般一周清洗一次，只需要消耗少量檸檬酸。

 

按照立式氧化生產(chǎn)線年生產(chǎn)6000噸能力計(jì)算，增加鎳回收裝置后，每年可減少15噸硫酸鎳排放，而滲透液基本能達(dá)到去離子水的水平，完全滿足甚至超過(guò)工業(yè)生產(chǎn)用水的水質(zhì)要求，可直接回用。

 

目前RO反滲透法用于處理接近中性的含鎳廢水已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外被廣泛采用，且經(jīng)過(guò)逐漸改進(jìn)已經(jīng)達(dá)到使含鎳廢水處理實(shí)現(xiàn)了閉路循環(huán)。采用RO反滲透技術(shù)處理清洗水回收硫酸鎳，既降低硫酸鎳的消耗又減少環(huán)境污染。具有能耗低、無(wú)污染、工藝先進(jìn)、操作維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

 

 

① 著色均勻。一般的硫酸陽(yáng)極氧化膜都能著色，產(chǎn)生色差的概率相對(duì)較低。通過(guò)特殊的著色電壓和電流，加速鎳離子的沉積速度，顏色均勻且易調(diào)節(jié)。

 

② 色調(diào)的重現(xiàn)性好。形狀各異的鋁型材，可在同一著色電波形、同一時(shí)間完成著色過(guò)程。

 

③ 槽液成分簡(jiǎn)單易控制。主要成分是硫酸鎳和硼酸，硫酸鎳是著色主鹽，硼酸是調(diào)整pH值的緩沖劑，pH值一般控制在3.5～4.5。

 

 

① 減少環(huán)境污染，改善人類生存環(huán)境

 

單鎳鹽著色后廢水成分中鎳離子的含量高，毒性大，對(duì)人類及其他生物的生存環(huán)境都造成了極大的危害。皮膚長(zhǎng)期接觸鎳鹽容易導(dǎo)致鎳皮炎；鎳進(jìn)入人體后易造成器官慢性病變；鎳還能導(dǎo)致肺癌、鼻癌等。采用反滲透（RO）技術(shù)回收鎳，減少含鎳廢水的排放，具有明顯的環(huán)境正效益。

 

② 節(jié)約自然資源，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展

 

采用先進(jìn)的“膜分離法”來(lái)處理含鎳廢水，且整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了閉路循環(huán)處理，回收液可以完全達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn)，可返回漂洗槽循環(huán)使用，大大提高了水資源利用效率。更重要的是將廢水中的鎳回收再利用，減少資源的浪費(fèi)。

 

③ 推行清潔生產(chǎn)，改善行業(yè)形象

 

采用反滲透（RO）技術(shù)處理電解著色廢水，減少?gòu)U水的排放，真正做到環(huán)保又經(jīng)濟(jì)，完全符合國(guó)家實(shí)施清潔生產(chǎn)，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的相關(guān)要求。若向整個(gè)行業(yè)全面推廣，則可大大提升我國(guó)鋁型材表面處理行業(yè)的環(huán)保技術(shù)水平，改善行業(yè)的整體形象。

總結(jié)鋁型材立式氧化著色生產(chǎn)過(guò)程中著色工藝操作，色差、兩頭色的產(chǎn)生與控制方法，單鎳鹽著色后采用RO反滲透原理和方法進(jìn)行硫酸鎳回收再加以利用，并由此產(chǎn)生巨大環(huán)保效益。