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準的提高，對鋁合金的色彩多樣性提出了更多的要求，為達到較好的裝飾效果和耐蝕性，時至今日，鋁材陽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)陽極氧化后，在含有金屬鹽的水溶液中進行交流電解，在陽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)對光的散射作用而呈現(xiàn)各種色彩的過程。

 

 

 

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

 

據(jù)國內(nèi)外大量研究報道，不論何種金屬鹽的電解著色膜，陽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)。

 

電解著色的基本過程由3個步驟組成：

 

(1)金屬離子和氫離子等反應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：Mn+ + ne — M；

 

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

 

 

 

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

 

 

 

從上表中可見，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，偏高時會造成色調(diào)不一致以及著色困難，過低時會影響整體著色的均勻性與效果。著色槽陰極應采用純鎳板，以免引進雜質(zhì)使槽液變質(zhì)。此外，定時通陽離子交換塔，去除槽液中的鉀、鈉、銨等離子以保證著色質(zhì)量，當Na+>15PPM容易加速氫氣析出破壞著色膜，而Na+<5PPM時，Ni2+沉積加快，易使型材著色不均，造成色差、兩頭色。

 

單鎳鹽著色其過程是將具有陽極氧化膜的鋁合金型材浸入單鎳鹽著色槽液中，先將鋁型材作陽極進行通電，使不同部位的氧化膜變得均勻，同時改變膜孔結(jié)構(gòu)，防止后續(xù)著色時氧化膜開裂；然后，再將鋁型材作為陰極，使鎳離子在陽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。顏色深淺通過助波的數(shù)量來控制，深色料需在基本波形上疊加1~n個相同或類似于基本波形的助波來達到深色效果，常用深色料著色波形如圖2所示。

 

V+為正電壓（V）； V-為負電壓(V)；

T0為通電前的浸泡時間（s）；T1為正電壓起壓時間（s）

T2為正電壓持續(xù)時間（s）；T3為正電波與負電波的轉(zhuǎn)換停頓時間（s）；

T4為負電壓起壓時間（s）；T5為正電壓持續(xù)時間（s）；

 

 

 

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

 

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

 

此外，單鎳鹽著色前須嚴格控制水洗，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性膜的功能，以壓力差為推動力的膜分離技術(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而不允許其他物質(zhì)透過的半透膜的選擇截留作用將溶液中的溶質(zhì)與溶劑分離，從而達到凈化和濃縮的目的。

 

實現(xiàn)反滲透有兩個條件：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、有機物、細菌、微生物等雜質(zhì)。

 

RO反滲透技術(shù)是一種既先進又節(jié)能有效的分離技術(shù)，用于重金屬廢水回用處理，一次性投資相對化學法和吸附法要高，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，運行費用低，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)過單鎳鹽著色后，會經(jīng)過水洗過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污染環(huán)境。此外，鎳屬于貴重金屬，回收利用又能帶來良好的經(jīng)濟效益，因此采用RO反滲透原理和方法對硫酸鎳進行回收突顯出巨大優(yōu)勢。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。

 

在實際生產(chǎn)中，并非所有的硫酸鎳都用于陽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的多級濃縮膜分離裝置處理單鎳鹽著色漂洗水，整個系統(tǒng)的水回用率>98％，而占廢水體積15％～25％的截留液可進一步回收重金屬產(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，而滲透液基本能達到去離子水的水平，完全滿足甚至超過工業(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)在國內(nèi)外被廣泛采用，且經(jīng)過逐漸改進已經(jīng)達到使含鎳廢水處理實現(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、無污染、工藝先進、操作維護簡便等優(yōu)點。

 

 

① 著色均勻。一般的硫酸陽極氧化膜都能著色，產(chǎn)生色差的概率相對較低。通過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、同一時間完成著色過程。

 

③ 槽液成分簡單易控制。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。皮膚長期接觸鎳鹽容易導致鎳皮炎；鎳進入人體后易造成器官慢性病變；鎳還能導致肺癌、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，促進循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展

 

采用先進的“膜分離法”來處理含鎳廢水，且整個系統(tǒng)實現(xiàn)了閉路循環(huán)處理，回收液可以完全達到回用標準，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。

 

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，減少廢水的排放，真正做到環(huán)保又經(jīng)濟，完全符合國家實施清潔生產(chǎn)，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，建設(shè)節(jié)約型社會的相關(guān)要求。若向整個行業(yè)全面推廣，則可大大提升我國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行硫酸鎳回收再加以利用，并由此產(chǎn)生巨大環(huán)保效益。