Bài 12. Vận hành bể mạ điện nickel, các vấn đề thường gặp và cách giải quyết

Em đã trở lại ạ, mấy hôm vừa rồi em tải được cuốn Mạ Kền – Lý thuyết và ứng dụng của thày Trần Minh Hoàng, nên dành mấy ngày để đọc và ngẫm hết cuốn đó để tiếp thu những kiến thức của thế hệ cha ông để lại, xem mình đang có gì và nên viết gì tiếp theo. Hôm trước, em cũng được trao đổi một xíu với Thày Hoàng qua tin nhắn Facebook, dù Thày đã 85 tuổi nhưng vẫn còn rất minh mẫn, nhắn tin vẫn không lệch chữ nào. Thày cũng đã dành tâm huyết cả cuộc đời cho ngành điện hoá và mạ điện, xin được kính chúc Thày luôn khoẻ mạnh và vui vẻ tuổi già bên con cháu.

Em cũng mạn phép nhận xét qua về cuốn sách Mạ Kền – Lý thuyết và ứng dụng. Nội dung cuốn sách được viết rất cẩn thận, tỉ mỉ và đa dạng. Nhưng cũng vì sự đa dạng nên có quá nhiều nội dung được đề cập tới, nếu ai chưa có chuyên môn sâu, hoặc mới bước vào ngành điện hoá thì đọc được vài trang có lẽ ù đầu, hoa mắt, chóng mặt, rất nhiều phần khó hiểu, chắc phải đọc cỡ ba bốn lần, may ra mới tiếp thu được phân nửa. Em cũng được tiếp cận trong lĩnh vực này lâu, nhưng cũng phải vừa đọc vừa ngẫm mất khá nhiều thời gian, nhưng với một lần đọc thì vẫn còn chưa thấu đáo. Cuốn sách được viết theo hệ tư tưởng của người xưa, nghĩa là, trình bày đầy đủ và khá chi tiết, khác hoàn toàn với các cuốn sách của nước ngoài mà em đọc gần đây. Các cuốn sách hiện nay được viết theo dạng tổng hợp kiến thức từ các công trình khoa học, chứa đựng nhiều thông tin, nhưng lại không rõ ràng, đôi khi thông tin còn gây nhiễu loạn. Em nghĩ, với các anh chị em đang có công việc liên quan tới mạ điện nickel thì hoàn toàn có thể tìm đọc và là nguồn tham khảo hữu ích.

Tuy là cuốn sách viết kỹ càng và mô tả được hầu hết các dạng cơ bản của mạ điện nickel nhưng một số thông tin trong sách bị khá cũ, bị hạn chế hoặc không còn sử dụng trong công nghiệp hiện đại. Ví dụ như phụ gia 1,4-Butanediol, đã bị liệt kê vào danh mục hoá chất nguy hiểm và bị hạn chế sử dụng. Hay lớp mạ nickel bóng dành cho trang sức, hiện nay đã bị cấm sử dụng ở Âu-Mỹ và nhiều nước phát triển, do nickel gây dị ứng da, và được thay thế bằng lớp mạ hợp kim Cu-Sn. Các dạng thụ động hoá bề mặt sử dụng Cr6+ (CrO3) đều bị rất nhiều các tiêu chuẩn ràng buộc, không còn được sử dụng rộng rãi. Năm ngoái trong cuộc họp ISO mà em có tham gia, các thành viên của mảng xử lý bề mặt cũng bỏ phiếu tán thành việc rút xuống các tiêu chuẩn ISO liên quan tới quy trình và đánh giá các lớp thụ động hoá Cr6+ cho mạ kẽm, Al... Cuốn sách cũng giới hạn khi chỉ đi sâu vào trong mảng kỹ thuật, không nhiều thông tin về mảng học thuật. Các phương pháp đo đạc điện hoá hiện đại để đánh giá lớp mạ như ăn mòn, động học quá trình mạ hay ảnh hưởng các loại phụ gia... cũng bị giới hạn, chưa được đề cập tới.

Quay trở lại nội dung bài viết này, em trình bày về vận hành bể mạ nickel, các vấn đề thường gặp nhất và hướng giải quyết. Để bớt đi các trường hợp không cần thiết, em đi vào bể mạ Watts vì được sử dụng nhiều nhất cho cả mạ bán bóng, mạ bóng bằng việc thay đổi các phụ gia. Việc vận hành các dạng bể mạ Watts gần như giống nhau, về cơ bản các thông số quan trọng gồm nồng độ Ni2+, Cl- và H3BO3 là 3 thành phần chính cấu tạo lên bể mạ, cần phân tích và giữ trong phạm vi cho phép. Ngoài ra, các thông số khác cũng cần theo dõi và khống chế như sau:

pH của dung dịch

Bể mạ bán bóng hay bóng thường được vận hành ở pH khoảng 3.5-4.2. Các loại phụ gia hữu cơ thường hoạt động khá tốt ở dải pH này. Khi pH tăng lên có thể làm Ni(OH)2 kết tủa trên bề mặt cathode, làm đen lớp mạ (cháy, burning), hoặc cũng có thể, làm tăng tốc độ phân hủy của các phụ gia hữu cơ. Trong quá trình vận hành, pH của dung dịch mạ thường từ từ tăng lên do việc thoát khí hydro ở cathode. Sulphuric acid thường được sử dụng để giảm pH của dung dịch, hạn chế sử dùng HCl vì có thể làm thay đổi nồng độ ion Cl- có mặt trong dung dịch dẫn đến thay đổi nhiều tính chất của lớp mạ, đặc biệt là ứng suất nội. Trong một số trường hợp có thể xảy ra, pH của dung dịch bị giảm đi thì có thể dùng NiCO3 để tăng pH. Ở điều kiện của bể mạ với pH < 4.0, NiCO3 có thể được hòa tan khá nhanh. Nếu xét về mặt lý thuyết thì trong quá trình mạ thì pH của dung dịch sẽ từ từ tăng lên. Vì vậy, nếu như pH của bể mạ bị giảm thì khả năng anode có vấn đề, có thể là diện tích riêng bề mặt không đúng hay kết nối thanh dẫn tới nickel anode không tốt, khi đó, nồng độ Ni2+ của bể mạ có thể bị nghèo nhanh chóng, dẫn đến lớp mạ phân bố không đồng đều, hay màu sắc thay đổi hay tốc độ phân hủy các phụ gia nhanh... 

Khuấy trộn và ổn định nhiệt độ

Hai yếu tố này ảnh hưởng tới tốc độ khuếch tán hay di chuyển của các ions tới bề mặt điện cực. Tốc độ khuấy trộn và ổn định nhiệt độ là quan trọng trong việc ngăn cản lớp mạ bị cháy hay các phụ gia di chuyển, hấp phụ lên bề mặt lớp mạ. Có thể khuấy trộn bằng sục khí, khuấy cơ khí, bơm, hay là dịch chuyển cathode... Mỗi loại đều có những ưu nhược điểm riêng, thiết kế tùy vào từng bể, tuy nhiên, em mạn phép không đi sâu vào ở đây. Nhiệt độ ảnh hưởng tới sự hoà tan và phân ly của các thành phần trong bể mạ. Nhiệt độ cao có thể  làm bay hơi dung dịch hoặc phân huỷ các phụ gia hữu cơ. Nếu nhiệt độ thấp, các phụ gia có thể không hoạt động tốt hoặc acid boric, H3BO3, sẽ bị kết tủa.

Lọc

Về cơ bản, đối với dung dịch mạ điện nickel thường sử dụng 3 dạng lọc: Lọc vật lý để tách các hạt kết tủa và lơ lửng trong dung dịch. Các hạt này nếu không được lọc có thể kết tủa cùng lớp mạ gây ra nhám trên lớp mạ. Lọc than hoạt tính: dùng để hấp phụ các tạp chất hữu cơ như dầu, mỡ hay sản phẩm phân hủy của các loại phụ gia; Lọc điện hóa, sử dụng mật độ dòng thấp, khoảng 0.3~0.5 ASD để kết tủa các tạp chất vô cơ dạng ion như Cu2+, Fe3+, Zn2+, Pb2+, Cd2+…. 

Giải quyết các sự cố với bể mạ Watts

Vì các sự cố xảy ra khi mạ điện rất muôn hình vạn trạng nên ngoài vấn đề kiến thức thì kinh nghiệm thực tế rất quan trọng, ngay kể cả những công ty, tập đoàn lớn có nhiều chục năm vận hành bể mạ thì vẫn có thể bị lỗi như thường. Họ chỉ hơn trong việc hạn chế lỗi, nhanh trong việc khoanh vùng, định hình nguyên nhân phát sinh lỗi để tìm ra cách giải quyết. Trong bài viết này, em chỉ sơ sơ những lỗi thường gặp và những nguyên nhân cơ bản dẫn tới lỗi đó. Còn lại thực tế thì rất nhiều vấn đề mà em cũng không nắm hết được. 

Lớp mạ bị bong, dộp

Đây là hiện tượng thường xuyên gặp phải khi mạ nickel, đặc biệt khi lớp mạ bao gồm nhiều lớp. Thường thì bong, dộp xuất phát từ sự bám dính kém của lớp mạ với nền, hoặc lớp mạ có ứng suất quá cao. Các nguyên nhân thường xuyên dẫn tới bong dộp như pH của dung dịch quá thấp hoặc quá cao nên cần kiểm tra lại pH, do các tạp chất hữu cơ nên cần kiểm tra hệ thống lọc than hoạt tính hay lọc điện hóa, do các tạp chất kim loại hay do nồng độ chất phụ gia tạo bóng cao… Nhiều trường hợp, các bước tiền xử lý không tốt như bề mặt vật cần mạ bị bám dầu mỡ, hay quá trình etching chưa tốt đối với mạ trên nền nhựa  đều có thể dẫn tới sự bong dộp của lớp mạ. 

Lớp mạ bị nhám

Lớp mạ nhám thường là kết quả của các hạt lơ lửng có mặt trong dung dịch, các hạt này có thể bám vào bề mặt sản phẩm và bị kết tủa cùng với lớp mạ. Có nhiều nguồn có thể phát sinh các dạng hạt này như do làm sạch không đúng cách dẫn đến các hạt bám theo vật cần mạ, do túi anode bị rách, do bụi bẩn trong không khí, các mảnh vỡ từ vật mạ, do CaSO4 kết tủa, do lọc không đúng cách hay do các hạt carbon từ túi lọc không được đóng gói đúng cách... các mảnh vỡ không tan hết từ anode, kết tủa Ni(OH)2, kết tủa của boric acid... Vì vậy, quá trình lọc liên tục giúp giảm các loại tạp chất này.

Các lý do khác dẫn tới lớp mạ bị nhám như sự có mặt của các loại tạp chất như Cr3+, Fe3+ bị kết tủa dưới dạng hydrat ở những khu vực có mật độ dòng cao hơn. Cũng có thể nguyên nhân do việc sục khí, hay thậm chí, do quá trình làm sạch không tốt. 

Lớp mạ bị đen (cháy)

Cháy (đen) nếu xảy ra ở vùng có mật độ dòng cao thường do việc kết tủa của Ni(OH)2 khi pH của dung dịch quá cao hoặc nồng độ chất đệm H3BO3 quá thấp, hoặc do nhiệt độ vận hành thấp dẫn tới các ion di chuyển chậm, làm tăng pH cục bộ. Vì vậy, cần kiểm tra lại các thông số này đầu tiên. Nếu bị đen ở vùng mật độ dòng thấp thì thường do sự kết tủa của Ni với các loại tạp chất kim loại như Cu2+, Fe3+, Zn2+, Pb2+, Cd2+…, khi đó, cần lọc điện hóa để giảm bớt nồng độ của các loại tạp này. Các tạp chất hoặc một số phụ gia hữu cơ cũng có thể bị phân hủy tạo ra carbon, làm đen trên bề mặt mạ. 

Lớp mạ bị châm kim

Do nồng độ chất thấm ướt thấp hay do các tạp chất hữu cơ nên cần phân tích và điều chỉnh các thành phần này. Ngoài ra, việc bổ sung thêm nước do quá trình mạ bị bay hơi có thể dẫn tới nồng độ Ca2+ có mặt trong dung dịch tăng dần theo thời gian (do Ca2+ thường có mặt trong nước). Ở 60 oC khi nồng độ Ca2+ trong dung dịch cao hơn 0.5 g/L thì CaSO4 có thể bị kết tủa gây ra hiện tượng châm kim đối với lớp mạ. Để tách CaSO4 thường sử dụng máy lọc có gia nhiệt, vì CaSO4 có độ hòa tan cực đại ở 40 oC, độ hòa tan giảm khi nhiệt độ tăng lên. Vì vậy gia nhiệt tới 80 oC để kết tủa dạng CaSO4.2H2O và lọc tách ra. 

Lớp mạ không bóng

Vì dung dịch mạ thường sử dụng tối thiểu chất làm bóng loại 1 và loại 2, khi kiểm tra bằng hull cell, tùy theo trường hợp mà có thể phán đoán xem dung dịch mạ đang thiếu loại chất nào. Nếu toàn bộ bề mặt bị mờ thì nguyên nhân có thể do thiếu chất làm bóng loại 2. Nếu mờ tại vùng có mật độ dòng điện thấp có thể do thiếu chất làm bóng loại 1. Ngoài ra, pH, nhiệt độ hay tạp chất đều có thể dẫn tới lớp mạ bị mờ.

Lớp mạ phân bố kém

Do nồng độ Ni2+ hay Cl- quá thấp, do mật độ dòng điện thấp hay do nhiều tạp chất kim loại, đặc biệt là tạp Cr3+/Cr6+. Các vùng chứa tạp Cr làm mật tăng độ dòng và làm giảm đáng kể hiệu suất dòng và giảm mật độ dòng ở các vùng có mật độ dòng thấp. 

Tổng kết: Mạ nickel, cũng giống như các quy trình surface finishing khác luôn có rất nhiều vấn đề có thể xảy ra. Việc phát hiện chính xác nguyên nhân và tìm cách xử lý thì cần có nhiều chuyên môn và kinh nghiệm. Với bài viết này em cũng chỉ giới thiệu sơ bộ, còn các phương pháp xử lý hóa học như bằng permanganate, diatomite, H2O2, hay nhiều phương pháp khác nữa thì cần phải có hiểu biết sâu sắc mới tiến hành được. Rất may, ngày nay hóa chất sử dụng ngày càng có độ tinh khiết cao hơn, nguồn nước tinh khiết hơn, các hệ thống lọc, vận hành cũng hiện đại hơn nên việc vận hành có phần bớt đi nhiều vấn đề so với thế hệ cha ông ngày xưa. Mạ nickel đang được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp hiện đại. Tuy nhiên, đối với các chi tiết trang sức thì lớp mạ bóng nickel đã bị cấm ở nhiều quốc gia, do Ni khi tiếp xúc sẽ gây dị ứng da, và được thay thế bằng lớp mạ Cu-Sn. Em được biết ở Việt Nam cũng có một vài công ty mạ hợp kim Cu-Sn thay thế Ni nhưng chủ yếu sử dụng bể dạng phức cyanide. Em sẽ viết về chủ đề này trong các bài viết sau.

Chú ý: Những bài viết của em cũng được lưu lại trong trang blog cá nhân: http://ngvanphuong.blogspot.com/ Các ACE nếu có đăng lại bài viết của em, vui lòng ghi nguồn tham khảo bằng link trên hoặc là: "Nguyễn Văn Phương, MSC Co., Ltd. Incheon, Korea" nhé. Em xin cảm ơn ạ.