采用覆膜砂铸造工艺的废气治理方案

王前进，刘楠楠

（中国汽车工业工程有限公司，天津 300113）

众所周知，环境污染和环保问题一直是铸造行业面临的难题，在铸造车间的各个生产环节都伴随着污染物的产生，主要的大气污染物包括以下几大类：粉尘、VOCs、NH3、三乙胺等。对于使用覆膜砂的热芯盒、壳型等含有有机粘结剂的铸造生产工艺，在制芯、制壳及后续的浇注过程中，会挥发和裂解大量的NH3和VOCs（包括甲醛、酚类等）。氨气对人类的呼吸道黏膜有比较强的刺激作用，严重情况下会导致各种呼吸道疾病。甲醛对人类的呼吸道黏膜也有较强的刺激作用，长期吸入也会诱发呼吸道炎症[1]。由此可见，采用覆膜砂铸造工艺的生产过程中产生的废气不仅是污染环境的问题，也严重损害人的身体健康。同时，不友好的作业环境也会进一步导致车间现场操作工人的大量流失，降低生产效率，大大提高了企业的运行成本。

1 废气来源

覆膜砂主要由以下成分组成：热塑性酚醛树脂、原砂、固化剂和添加剂等。覆膜砂加热后固化成型的基本原理为：覆膜砂受热后，高温使砂粒表面包覆的树脂膜熔融，覆膜砂表层的热塑性树脂在由线性结构转变为体型时，需要补充分子之间的联结基团，通常情况下需加入固化剂乌洛托品，在固化剂分解出的亚甲基作用下，熔融树脂的分子结构由线性结构快速转化为不熔融的体型结构，进而使覆膜砂固化成型。

目前铸造行业内使用较为广泛的覆膜砂固化剂为乌洛托品（六亚甲基四氨）。乌洛托品是由甲醛和氨在碱性溶液中反应进行制备的。反应式如下：

6CH2O＋4NH3→（CH2）6N4＋6H2O

乌洛托品在空气中贮存性质安定，加热到100℃以上时，有少量的分解，长时间的加热之后（40小时之内）可以挥发分解约五分之一，当温度达到230℃以上时，开始加速升华，并大量分解。所以，覆膜砂在加热固化和浇注的过程中，会向作业环境中挥发出大量的氨和甲醛等有害物质。

2 面临现状

2017年之前，多数中小型铸造企业因为迫于成本压力或者总体环境下的环保意识淡薄，对这部分的废气处理不够重视，往往不经过任何措施，直接排放于室外，对环境造成了一定的影响。2017年以来，国内环保政策趋严，中央环保督察持续发力，目前已经实现对全国31个省份的全覆盖，两年来已有逾万人被问责，而铸造企业作为高污染企业，是环保整治的重点关注对象。

2017年，中国铸造协会最新发布了关于废气排放的协会标准：《铸造行业大气污染物排放限值(T/CFA030802-2--2017)》，其中也规定了铸造车间各工部的VOCs的排放限值不能超过50mg/m3。

因此，做好废气治理的工作对企业来说是非常重要的工作，如何做好环保工作对企业来说无疑是巨大的挑战，同时也是企业发展的巨大机遇。

3 治理方案

采用覆膜砂制芯、制壳模等生产过程中产生的废气浓度较低、产气量大、不连续，这些特点导致烟气的治理工作比较困难。为了能够对废气进行有效的集中收集、处理以及排放，我们可以根据车间内不同排废区域的具体情况，有针对性的设置全封闭的室体或者半封闭+软挡帘的室体，将排废区域与车间其他区域分离，并配备相应的排风系统，室体上方设置顶吸式抽风罩，发气量较大的部位可以单独设置侧吸式抽风罩，同时在各操作工位设置送新风系统以改善操作工人的工作环境。废气经过集中收集、处理及排放后将大大改善车间内整体环境。

经过集中收集后的废气，需要进一步处理后才能完成达标排放。目前行业内采用较多的处理方案主要有以下几种。

3.1 吸附法

吸附法是目前处理VOCs废气的常见方法之一，比较适用于处理低浓度的VOCs废气。吸附法是利用具有多孔性的吸附材料对周围有机废气的各种组份进行吸附从而达到使废气成分与排放气体分离的目的，相对于其他方法，吸附法具有以下优点：吸附效率高、无二次污染、能耗小、操作简单等。吸附介质是吸附法发挥作用的关键，通常需要具备以下特点：微孔结构丰富、比表面积大、吸附容量大、易脱附再生、耐酸碱冷热及高压等。常用的吸附剂包括以下几种：活性炭、活性炭纤维、沸石分子筛和氧化铝等。活性炭是一种炭质的多孔性吸附材料，相对其他吸附剂来说，活性炭基本具备以上所有吸附介质的特点，对VOCs类的吸附非常有效。且活性炭原料来源广泛，制备工艺简单、成本较低，易脱附再生，因此，活性炭是在VOCs废气治理中应用比较广泛的吸附介质[2]。活性炭应用的缺点是：活性炭会随着吸附过程的进行慢慢饱和，同时其吸附能力也会随着已吸附有机废气的增多而下降，且其吸附饱和后需要更换以进行脱附再生；同时，活性炭对于NH3的吸附能力有限，因为普通的活性炭只容易吸附非极性物质，而NH3极性较强，比较难以吸附。活性炭纤维是在活性炭基础之上研发，与传统的活性炭相比，具有独特的化学结构和物理结构，含碳量较高、比表面积更大、微孔分布更多、吸附容量也较普通活性炭更大，平均每一克的活性炭纤维在常温下可以吸附0.2g～0.25g的有机物[3]，活性炭纤维在实际应用中也日益广泛。

3.2 低温等离子技术

低温等离子技术是基于物理、电子学和化学等多学科的新兴技术，其基本原理是通过等离子反应器中的导电介质在电极周围形成一个高浓度聚集的等离子体区，其中包含了大量的高度离子化的粒子，这些粒子具有粉碎VOCs组织内的有机分子链的能量，裂解有害气体的化学键能，破坏废气分子结构，使其在短时间之内进行分解并后续产生各种连锁反应，以达到去除废气的目的[4]。低温等离子体技术对VOCs等废气的治理效果较好，对NH3也可以有效降解[5]，处理效率较高、工艺操作简单且产生的二次污染少，同时该技术也有部分制约因素：易产生火花放电，存在危险性；对设备的架构设计和制造精度要求比较高等。

3.3 光氧催化技术

光催化氧化技术在环境治理领域，包括污水处理、空气治理和保洁除菌等多方面都有大量的应用，其基本原理是：催化剂在一定波长的光照条件下，可以激活催化剂的光催化活性，使吸附在其表面的VOCs和氨发生氧化反应，最终将其氧化为二氧化碳和水及其他无机小分子。目前应用的光催化剂大多数为半导体材料，常见的有TiO2、ZnO等十余种，其中的TiO2相较其他几种光催化剂，具有更好的光稳定性，使用寿命长，价格比较合理，应用较为广泛。同时，TiO2负载到活性炭、有机纤维、硅藻土等复合光催化材料的催化性能也被广泛研究[5][7]。光催化氧化技术的降解过程中没有二次污染且反应过程比较容易控制，相信随着科学技术的逐渐成熟，光催化氧化技术会在治理废气的应用中越来越广泛。

3.4 植物提取液雾化处理技术

天然植物提取液是从特定的植物根茎叶中萃取的汁液，经过专业的配方制备而成的植物除臭剂，其物理化学性质稳定，无毒无危害，可被自然界中生物完全降解，与废气分子反应以后不会产生有毒的副产物，无二次污染。植物提取液与废气污染物成分的反应原理主要包括[8]：催化氧化反应、酸碱反应、吸附与溶解、脂化反应等，可有效对各种污染气体同时进行治理。

在实际应用当中，天然植物提取原液通过专用设备按实际需求稀释到一定比例后，利用专用的雾化设备将稀释后的提取液进行雾化，用适当数量的喷嘴将其喷洒于需要处理废气的位置，使之与废气的进行中和分解反应。使用过程中，可以根据实际废气排放量和浓度，适当调节原液的稀释比例以及喷头的数量及位置，有针对性的对VOCs和氨气进行治理。目前利用天然植物提取液的废气治理技术在国内外的应用也日益广泛。

4 展望

在当前严峻的环保形势下，国内的环保法规日渐严格，人们的环保意识不断增强，废气的治理工作更是刻不容缓。随着科学技术的快速发展，废气治理技术水平也会随之不断的提高，相对于单一的处理方式，多种废气治理技术的并联应用，也可以进一步提高废气治理的净化效果。同时，从源头上减少废气的排放，开发及使用环保型低氨覆膜砂和无机砂也是我们探索的方向。

“绿水青山就是金山银山”，生态环境的保护需要我们将其摆放在更重要的位置，建设美丽中国，实现绿色铸造，不仅需要党和政府的领导，更需要我们行业共同的努力。

[1] 宋东方，张大伟，王文富，等.探讨有机废气的处理［J］.科技世界，2012，9（25）：305-306.

[2] 许伟，刘军利，孙康.活性炭吸附法在挥发性有机物治理中的应用研究进展［J］.化工进展，2017，35（4）：1223-1229.

[3] 刘松华，周静.光氧催化+活性炭吸附工艺应用于含异味有机废气的处理［J］.污染防治技术，2015，28（2）：37-38.

[4] 张贵剑，李凯，林强，等.低温等离子体技术脱除大气污染物的研究进展［J］.材料导报，2015，29（1）：137-142.

[5] 李国平，胡志军，李建军，等.低温等离子体氧化氨气影响因素及动力学研究［J］.环境工程学报，2014，8（7）：2963-2968.

[6] 究汤斌，张庆庆.一种新的二氧化钛负载膜的制备及其光催化特性研[J].安徽工程科技学院学报，2005，2(20)：1-3.

[7] 王娟，鲁立强，沈翔，等.硫掺杂二氧化钛负载硅藻土复合光催化剂光降解苯酚的研究[J].材料导报，2011，5(25)：110-114.

[8] 袁为岭，黄传荣.植物提取液处理恶臭气体的研究进展［J］.化工环保，2005，25（6）：441-445.