SECTIONS
- Processus de galvanostégie
- Processus de zingage en milieu fortement acide
- Processus de zingage et réactifs chimiques impliqués
- Traitement des Eaux Usées de Processus
Processus de galvanisation
L’industrie de la galvanostégie s’occupe du revêtement de pièces métalliques et également non métalliques avec une fine couche d’un métal plus noble que le métal de base, par des changements chimiques produits par le courant électrique.
De manière générale, cette activité se déroulera dans un réacteur, où un électrolyte déterminé sera stocké afin que l’énergie électrique soit transférée par une anode, lui apportant des ions en solution.
Dans la galvanostégie, différentes opérations unitaires sont utilisées, dans le but de préparer, traiter et recouvrir la pièce. Ces processus sont les suivants :
Préparation de la surface de la pièce et dégraissage
Dans cette opération, la surface de la pièce est préparée, les bavures et les points de rugosité sont éliminés, afin de créer les conditions pour un traitement chimique de surface optimal qui permette l’adhérence chimique des métaux, sujets au revêtement.
Le dégraissage peut se faire à deux niveaux : dégraissage macro où les graisses lourdes sont éliminées et dégraissage micro où un processus de raffinage avec les graisses formant des films d’adhérence se produit.
Les graisses et huiles de surface qui se trouvent sur les pièces métalliques sont éliminées. Les pièces sont traitées par immersion avec un minimum d’agitation pour éviter les déformations ou les ruptures.
Une bonne capacité de nettoyage des pièces est nécessaire pour les traitements ultérieurs de nitruration, d’oxydation superficielle ou les traitements galvaniques eux-mêmes. Cette opération de dégraissage comprend différents processus possibles :
Traitements avec des alcalis par immersion
Élimination des graisses par immersion dans des bases fortes ; NaOH, KOH. Ils peuvent être réalisés à température élevée. Ce bain génère à long terme un résidu qui doit être neutralisé, avec des huiles en solution et des boues métalliques.
Ces traitements nécessitent des bains de rinçage ultérieurs pour pouvoir éliminer les sels, issus des réactions de saponification. Cela provoque l’émulsifiabilité des fluides, ce qui implique des changements de bain, des recharges d’eau, et une incidence sur le facteur « temps » dans tout le processus.
Il peut y avoir un manque de capacité de dégraissage pour des pièces ou des charges avec des obstacles positionnels, des géométries complexes, des matériaux avec un haut degré de porosité ou des métaux frittés, etc. Normalement, ces bains sont additivés.
Tensioactifs
Ils sont utilisés comme complément des solutions alcalines comme dégraissants neutres non ioniques. Leur effet se produit par formation de micelles et ils sont principalement utilisés dans des systèmes par aspersion. Leurs principaux inconvénients résident dans leur difficulté à agir sur des pièces de géométries difficiles, des matériaux frittés, des charges avec des obstacles positionnels qui empêchent un accès facile du dégraissant à l’intérieur de la charge, ainsi que la facilité d’émulsifier des huiles et des fluides contaminés, ce qui nécessite des changements fréquents de bains.
Dégraissage par solvants organiques
Dans ce type de bains, des solvants organiques chlorés ont traditionnellement été utilisés. Actuellement, différentes directives de l’UE imposent des limites à leur utilisation en raison de leur incidence sur le changement climatique. Ces solvants permettent la dissolution des graisses et laissent les pièces métalliques pratiquement sèches.
Ils n’attaquent pas la pièce ni n’altèrent la coloration du matériau. Ces solvants organiques peuvent être récupérés par distillation.
Dégraissage électrolytique avec des alcalis
C’est l’une des procédures les plus efficaces de dégraissage. Un électrolyte fortement alcalin est utilisé avec l’aide du courant électrique du cathode et rarement celui de l’anode. Des solvants organochlorés et des alcalis forts sont utilisés avec la problématique des COV.
Actuellement, en raison de l’interdiction d’utilisation de solvants organochlorés, ceux-ci sont remplacés par :
- Solvants paraffiniques (COV) : Ce sont des composés organiques volatils et inflammables, nécessitant donc des contrôles de sécurité spéciaux.
- Solvants oxygénés : Ce sont des composés présentant un problème d’inflammabilité et de toxicité. Ils sont compatibles avec de nombreux solvants utilisés dans les peintures.
- Solvants fluorés : Comme les produits à base de solvants chlorés, la plupart sont ininflammables (sauf ceux qui sont des mélanges avec d’autres types de solvants) et hautement volatils, étant les produits les plus similaires aux solvants chlorés. Ils ont l’inconvénient d’une application hautement spécifique en raison de leur solubilité et de leur pression de vapeur élevée. Cette série de facteurs influence leur coût.
- Solvants paraffiniques (non COV) : Ce sont des solvants paraffiniques ayant un point d’ébullition supérieur à celui des COV. Une application spéciale est de les utiliser comme processus intermédiaire, car leur excellente capacité de nettoyage, leur faible volatilité et leur viscosité, ainsi que la possibilité de les rendre émulsifiables, leur permettent d’être facilement éliminés avec des processus et systèmes à base d’eau (ce qui n’est souvent pas possible avec les restes de graisses, huiles visqueuses, etc. que l’on souhaite dégraisser).
Lavage de dégraissage
Lavage à l’eau des pièces de la phase précédente, dans le but d’éliminer les taches ou dépôts irréguliers sur la surface des pièces. À cette étape, de l’eau est utilisée avec pour résultat l’incorporation de résidus de l’étape intérieure.
Décapage
Processus de désoxidation. Son objectif est d’éliminer les oxydes présents à la surface de la pièce.
Le décapage peut être réalisé dans un bain acide ou alcalin. Les solutions basiques utilisées sont des hydroxydes (sodique, potassique ou calcique) et des carbonates (carbonate de sodium), des additifs organiques et inorganiques et des tensioactifs.
Les solutions acides utilisées peuvent être de l’acide sulfurique, chlorhydrique ou dans certains cas fluorhydrique. Comme résultat de cette étape, des eaux usées et des boues sont générées en raison de l’élimination des oxydes.
Lavage de décapage
Il consiste en le rinçage des pièces métalliques ou plastiques dans un réservoir d’eau pour éviter le transport d’acide aux étapes suivantes du processus. Des eaux usées contaminées du processus de décapage sont générées.
Son objectif est l’élimination de l’acide résiduel du processus précédent et d’éviter une oxydation ultérieure sur les pièces. Les eaux usées obtenues sont des eaux de rinçage pour traitement de neutralisation.
Préparation mécanique de la pièce
Il consiste à préparer la pièce afin de la rendre lisse, polie, brillante ; en un mot, préparer la surface pour le dépôt d’une autre couche de métal. Cette étape est importante pour obtenir une bonne qualité de la pièce. Elle se divise en ébauche, meulage et polissage.
L’ébauche se fait à l’aide de disques abrasifs de différentes tailles et duretés, affinés avec du grain ou avec des céramiques de structure moyenne. Le meulage peut être réalisé à l’aide de disques durs de structures moyennes et avec des céramiques de structures également moyennes.
Le polissage peut être mécanique ou électrolytique à l’aide de saumures qui travaillent la surface du métal en la rendant brillante. Pour cette étape du processus, des acides sulfurique, phosphorique, chromique, nitrique, citrique ou bien des combinaisons de ceux-ci pour le cas du polissage électrolytique sont utilisés, ainsi que de l’eau de refroidissement pour éviter le réchauffement des pièces sensibles à la chaleur.
Les déchets générés à cette étape sont principalement les emballages des produits chimiques utilisés, de l’eau chaude, des particules de matériau du polissage, des solutions très acides de sels métalliques, dans le cas du chrome, le chrome (VI) est particulièrement important.
Nettoyage Physique
Élimination des particules qui sont restées sous forme de grumeaux sur les pièces métalliques. Pour le développement de cette étape, des matériaux de nettoyage (laine, fibres synthétiques) et de l’eau à température ambiante sont nécessaires pour éliminer les particules difficiles à séparer.
Étape d’Électrolyse
À cette étape, le revêtement électrolytique est proprement produit. Les pièces, fixées comme cathode, sont recouvertes du métal approprié, laissant des boues propres à la déposition métallique, des sels et des processus d’oxydo-réduction qui se produisent au cathode et à l’anode (production d’oxygène et d’hydrogène).
Pour le développement de cette activité, des matériaux métalliques de revêtement tels que des sulfates, des chlorures, des cyanures de nickel, de chrome et d’étain sont utilisés. Des agents chimiques supplémentaires tels que : trisulfonate de naphtalène sodique et formaldéhyde sont également utilisés.
Les déchets qui se produisent principalement sont des déchets liquides des solutions de nickel, de chrome ou d’étain, des solutions additivées, des solutions avec des cyanures et des récipients vides des produits chimiques utilisés.
Lavage à Chaud
La pièce est lavée avec une solution diluée d’acide chlorhydrique produisant une solution résiduelle acide.
Séchage et huilage
Les pièces métalliques doivent être séchées après le processus électrolytique pour éviter les taches sur les dépôts métalliques qui se sont produits. Le processus de séchage peut être réalisé sur des supports de séchage, des fours de séchage ou par pulvérisation d’air à température élevée, 80-90ºC, afin d’éliminer l’humidité superficielle.
Ensuite, sur la pièce métallique, une fine couche d’huile est déposée pour protéger la pièce de l’humidité et éviter son oxydation. Ce processus est réalisé par un processus d’huilage électrostatique.
Processus de zingage en milieu fortement acide
Les revêtements électro-galvanisés (galvanoplastie électrique) sont créés en appliquant du zinc sur la feuille d’acier et en décapant par électrodéposition. Comme pour le galvanisé de feuille, l’opération est continue et l’épaisseur du revêtement est minimale.
Appliqué dans une usine de laminage d’acier, la feuille ou la bande est introduite, par un équipement d’entrée, dans une série de lavages et de rinçages, puis dans le bain de zinc.
Des raffineurs de grains peuvent être ajoutés pour aider à produire un revêtement de zinc uniforme et bien adhéré sur l’acier. Les revêtements électro-galvanisés sont appliqués sur des feuilles et des fils d’acier, et, par conséquent, sont utilisés dans des applications similaires à celles du galvanisé de feuille continu ou du galvanisé de fil.
Les applications les plus courantes se trouvent dans l’industrie automobile et les montures et fixations d’appareils. De plus, pour prolonger la durée de vie, les revêtements électro-galvanisés peuvent être traités pour les rendre aptes à la peinture, et cela est souvent recommandé en raison de l’extrêmement mince revêtement de zinc.
Le processus de zingage commence par le dégraissage par des méthodes chimiques, par saponification des huiles possibles par des bases ou par des procédures d’électrolyse. Ces eaux résultantes nécessitent une neutralisation et un traitement d’émulsion en cas de production. Ensuite, la pièce est rincée pour éliminer les alcalis et éviter de diminuer l’effet des acides ultérieurs dans le décapage.
Une fois cette couche superficielle d’huile ou d’autres dépôts superficiels éliminée, le décapage est effectué. Le décapage chimique se produit avec des acides forts et des temps contrôlés.
Son objectif est d’éliminer les taches d’oxydes ou d’autres revêtements qui auraient pu se produire de manière circonstancielle sur la pièce. Ce bain va produire une dissolution fortement acide avec des sels provenant de l’attaque des oxydes, des sulfates et des chlorures de fer. Pour éviter d’autres dépôts, des agents complexants pour le fer et d’autres métaux comme l’EDTA sont utilisés. Cette dissolution préparera la pièce pour le processus électrolytique.
La spécification qui régit, B633 de l’ASTM, énumère quatre classes de galvanoplastie avec zinc : Fe/Zn 5, Fe/Zn 8, Fe/Zn 12 et Fe/Zn 25, où le numéro indique l’épaisseur du revêtement en microns (µm).
Dans le processus de déposition électrolytique, le zinc métallique va se déposer à l’anode et de l’hydrogène va se dégager.
Au cathode, des effets plus complexes vont se produire tels que :
- Oxydation du SO42- en S2O8 2-
- Décomposition du S2O8 2- en SO42- et SO32-, générant comme sous-produit de l’oxygène.
- Synthèse de H2SO4
- Décomposition de l’eau avec production d’oxygène.
Après l’électrolyse, un autre rinçage et un transfert au processus de passivation sont nécessaires pour produire une couche protectrice sur la pièce. Dans ce processus, des acides forts comme le chromique et le sulfurique sont utilisés.
Dans le cas particulier des aciers, les normes ASTM A380 et ASTM A967 couvrent une large gamme de processus de nettoyage, de décapage et de passivation de pièces, d’équipements et de systèmes en acier inoxydable, ainsi que des spécifications de traitement de passivation chimique de pièces en acier inoxydable.
Dans le cas du zinc, en fonction du temps de résidence d’électrodéposition, du pH du bain, de l’agitation et de la température, nous obtiendrons différentes structures de passivation telles que ; passivation iridescente bleutée (arc-en-ciel zincé), passivation (couleur olive), passivation (iris zincé) et une passivation de zinc noir.
L’agencement le plus courant d’électrolyte/anode de zinc utilise du plomb/argent, ou d’autres anodes insolubles et des électrolytes de sulfates de zinc. Des anodes solubles de zinc pur sont également utilisées.
Le revêtement se développe à mesure que des ions de zinc chargés positivement dans la solution sont réduits par l’électricité au métal de zinc et se déposent sur le cathode chargé positivement (feuille d’acier).
Les plages de température se situent entre 18 et 30ºC. Après le processus de passivation, un rinçage suit pour éliminer les réactifs et procéder au séchage.
Processus de zingage et réactifs chimiques impliqués
| Processus | Chimiques |
| Processus de dégraissage chimique ou dégraissage électrolytique | Na2CO3, NaOH, Na2SiO3, Gluconates |
| Rinçage | Eau |
| Passivation | H2CrO4, H2SO4 |
| Rinçage | Eau |
| Électrodéposition de zinc | Sels de zinc, chlorures de sodium et de potassium, acide sulfurique |
| Rinçage | Eau |
| Décapage | H2SO4/HCl |
| Rinçage | Eau |
Traitement des Eaux Usées de Processus
Les déchets produits lors d’un processus de galvanostégie peuvent être classés en :
- Eaux usées acides ou basiques, provenant de rinçages qui peuvent être neutralisés.
- Eaux usées avec des concentrations élevées de métaux lourds ; ceux-ci sont précipités par des valeurs de pH appropriées. Normalement, à un pH proche de 7, la plupart des métaux peuvent être précipités sous forme d’hydroxydes. Ces hydroxydes ou leur évolution en oxyde par perte d’eau peuvent être séparés sous forme de boues et gérés de manière spécifique.
- Eaux usées contenant du Cr(VI). Cet ion nécessite un traitement spécifique. Tout d’abord, il doit être réduit en Cr(III) par un réducteur tel que le sulfite de sodium. Ensuite, le chrome (III) est précipité par neutralisation de l’effluent sous forme d’hydroxyde de chrome(III) qui évolue en oxyde de chrome (III).
- Eaux usées organiques. Ces eaux usées contiennent des émulsions huileuses (fluides de perçage), des inhibiteurs, de l’EDTA, des gluconates.
- Eaux usées spécifiques avec des cyanures en solution. Dans ce cas, comme pour les métaux, un traitement spécifique sera nécessaire. En particulier, les cyanures devront être soumis à un milieu fortement basique et oxydant. En raison de leur dangerosité, les cyanures sont en train d’être remplacés par d’autres sels moins risqués.
Les eaux usées provenant de ces traitements peuvent se présenter sous forme d’émulsion (différentes phases), avec une variété de métaux lourds (chrome, zinc…) en solution, matière organique (antioxydants, inhibiteurs, gluconates, détergents..), acides et bases.
Les émulsions typiques sont formées par eau-huile. Les déchets susceptibles d’être traités proviennent du refroidissement, de la coupe, de la lubrification, du revêtement de surfaces, des rinçages, etc. Le déchet le plus caractéristique est la taladrine émulsifiable (huile minérale, 10% dans l’eau) ; émulsifiant anionique (sulfonate de sodium) ; émulsifiant non ionique (mercaptobenzothiazole), additifs anticorrosifs, pH 8-9,5, antispumants, bactéricides, fongicides.
Il existe différentes façons de traiter les émulsions, en général, le processus le plus habituel consiste à séparer la suspension colloïdale des composés organiques dans l’eau (séparer la phase huileuse de la phase aqueuse) en utilisant un changement de pH. On peut procéder à la valorisation énergétique de la phase huileuse, en contrôlant toujours la teneur en chlore et en soufre. La séparation des phases est favorisée par la température.
Le processus de traitement de ces eaux usées passe par l’élimination des métaux lourds, le traitement de l’émulsion et la neutralisation des effluents. Ce fait produira des eaux usées avec une forte teneur en calcium, sodium, sulfates, chlorures provenant essentiellement des processus de neutralisation et d’utilisation d’électrolytes. Ces paramètres élevés de salinité obligent à des traitements spécifiques. Deux sont les processus les plus utilisés pour le traitement de ces eaux ; l’évapocondensation et l’osmose inverse.
L’évaporation et la condensation ultérieure de l’eau traitée (évapocondensation) obtiennent une haute efficacité dans le traitement de ce type de déchets qui se caractérisent par une haute salinité et permettent en même temps la réutilisation de l’eau condensée, la diminution du volume de déchets et la réutilisation de certains sels.
Une limitation importante à prendre en compte est la présence de composés organiques volatils, car dans le processus d’évaporation, ils se transfèrent à la vapeur des phases condensables. Dans ce cas, un processus d’évapoxydation ou des traitements alternatifs dans des phases préalables ou condensées peuvent être réalisés.
Dans ce processus, le concentré retient les sels tandis que la phase de vapeur condensée permet l’obtention de l’eau. L’évaporateur/concentrateur combine la technologie du vide et de la pompe avec des chauffages pour obtenir une distillation à basse température.
Certains des paramètres importants qui définissent le processus sont le % de concentré obtenu dans l’évaporateur, la valeur des débits à traiter, la consommation énergétique, les coûts d’exploitation/maintenance et le coût de gestion de l’évaporé-concentré. La haute efficacité dans le traitement de ces eaux usées par la technologie de l’évaporation fait de ce processus l’un des plus largement utilisés dans le domaine de l’industrie des revêtements.
