表面涂装工艺中挥发性有机物污染防治措施分析

2022-08-16崔少杰于鸽方闫和刚

低碳世界 2022年5期

关键词：活性炭涂料废气

崔少杰，于鸽方，闫和刚

（1.青岛市生态环境局平度分局，山东青岛 266700；2.青岛市生态环境局即墨分局，山东青岛 266700）

0 引言

VOCs属于有机化合物，在常温常压的条件下，其饱和蒸气压超过133.32 Pa，沸点在50～260℃，并具备挥发性。国内年均VOCs排放量约为1200万t，由此产生的经济损失达10余亿元。因此，探究VOCs的防治措施，具有实践意义。

1 VOCs简介

VOCs存在于空气中，是一种成分比较复杂的有机污染物总称，包含非甲烷烃类、多环芳烃以及卤代烃等物质。留存于空气中的VOCs主要是其他类别大气氧化剂以及臭氧等的前体物，其中诸多化合物都有刺激性及毒性等特点，对人体会有较大的伤害，而且VOCs也是光化学污染和雾霾的重要前体物，因此在表面涂装领域中，VOCs成为关键的污染防治对象。当前大多数企业已经意识到防治VOCs的必要性，但在实践操作期间却未能真正付诸行动，导致VOCs管控成效一直无法提高。

2 表面涂装工艺中的VOCs

表面涂装行业包含主营涂装的企业与生产设施涉及涂装业务的公司，而涂装工艺的实际涵盖业务较多，包含通用设备制造、汽车配件、电气机械等项目，因此，表面涂装工艺涉及的行业范围较广。

2.1 产生环节

实际涂装采取的作业方法包括喷涂、刷涂及辊涂等，其中喷涂应用较多。在喷涂处理中，操作人员需使用喷枪，可选择的工具类型有高压无气、手提式静音、空气、空气辅助式4类喷枪。由于工具差异，涂装技术则分成相应的无气、静音、空气及辅气4种。目前比较传统的涂装处理流程是：预处理、喷底漆与面漆、烘干，其中涂料喷涂及固化是产生污染的主要环节。通常情况下，喷涂部分形成有机溶剂的挥发量以及固化环节中形成的挥发量，在整个涂装工艺产生的污染物含量中各占50%。

2.2 产生特点

（1）表面涂装挥发出来的VOCs和选用的涂料有较大的关系。涂装施工中释放的VOCs，实际上是由涂料自身以及各类有机溶剂产生的，所以涂装期间形成的VOCs和涂料、有机溶剂内的有机物成分基本一致。根据既有研究成果，木器涂装施工时，水性、油性以及溶剂类涂料中VOCs含量大约在9.88%、18.02%以及37.28%。因此在涂装范围大小一致的情况下，油性涂料释放的VOCs相较于水性涂料更多。

（2）表面涂装期间产生的VOCs和采取的工艺有关。在众多处理方式中，喷涂产生的VOCs污染更加严重，其中，空气喷涂与无气喷涂产生的VOCs更多，静音喷涂和辅气喷涂产生的VOCs偏少。

（3）VOCs污染程度和车间密闭程度、有机废气的最终治理举措有较大联系。其中，作业车间密闭程度关系到废气收集效果，当前部分涂装车间的结构为完全开放或半密闭，这样会导致喷涂工艺关联的设施工具布局比较分散。个别企业甚至仅在污染集中度高、危害性大的喷涂与烘干环节设置废气收集与处理设施，在其他污染偏小的环节，则任由废气随意扩散，因此导致废气回收数量有限。

2.3 影响危害

若室内的VOCs浓度偏高，会提高人体急性中毒的概率，轻则出现胃肠道反应、头晕与咳嗽，重则直接引起肝中毒，甚至会使人在短时间内陷入无意识昏迷，威胁生命安全。另外，如果长期生活在有VOCs污染的空间内，还会出现慢性中毒，导致人体脏器及神经系统受损，容易感到无力、皮肤发痒、瞌睡等，有的人还会有性功能减退及内分泌紊乱等症状。VOCs中的苯类成分还会影响人体系统功能，提高白血病等的发病率。

3 VOCs污染的防治举措分析

3.1 常用处理工艺

（1）光催化处理。表面涂装实践工作中产生的废气与烟雾存在成分复杂、彻底处理难度高、产生量多、扩散速度快等特征，如果不加以处理就直接排到大气中，势必会造成空气污染。在利用光催化进行废气处理的过程中，主要是借助紫外线分解分子，使污染物迅速氧化，以此达到净化废气的效果[1]。

（2）燃烧处理工艺。在此项处理技术下，可以把VOCs污染物转化成水与二氧化碳。具体的燃烧方法有热力燃烧、直接燃烧、催化燃烧，其中，热力燃烧是利用天然气等燃料实现的，主要用于处理浓度不高的有机废气；直接燃烧是利用高温环境燃烧VOCs废气，其适用于相对高浓度与高热值的废气处理；催化燃烧则需利用催化剂发生反应。在充分燃烧的前提下，无害气体会将有害气体分解，并产生较多的热量。如今，国内燃烧处理方法已经比较成熟，在实际处理过程中，有机废气经过预处理，会过滤掉携带的部分粉尘及颗粒物，随后利用风机提供的动力，让废气通过活性炭吸附装置，完成吸附处理。在活性炭的吸附水平处于饱和状态时，可调节阀门，改成催化脱附。其中，活性炭吸附与脱附环节的设备支持不间断处理，备用吸附设备运转时，饱和吸附箱开始脱附处理，随后活性炭箱则作为备用装置。通过活性炭脱附后的气体流量偏低，但有害成分浓度高，通过风机转移到换热装置处以及预热装置处。通过加热使废气温度持续处于200～300℃，而后催化燃烧床就可以开始工作。废气通过上述一系列的处理后，还会释放较多的热量。其中高温废气是在通过燃烧装置以前没有经过处理的有机气体，在气体温度持续提高的过程中，其由换热装置输出气体经过新风入口，可加热脱附空气。当机组换热装置处于正常运行状态时，适时关闭电加热器，从而降低能耗。通过上述环节处理后的气体，能够直接排放。

（3）吸附处理工艺。吸附处理工艺适合浓度偏小的净化处理任务，比较常见的处理方法是气体净化，这也是如今国内工业生产中VOCs的主要防治方法之一。活性炭由于自身结构的特殊性，被大范围运用到吸附回收工作中。如今有关活性炭吸附的研究一般是材料改性、有机物对吸附效果的干扰两个方面。例如，某表面涂装公司选择通过活性炭吸附解决VOCs污染问题，其中，蜂窝式活性炭使用量为0.9 m3，并准备了约3个活性炭架，在处理现场设定风量为10 500～20 000 m3/h。而配备的处理机组进口处浓度约为30 mg/m3；出口处浓度不足6 mg/m3，整体处理效率超过80%。在吸附处理中，不会出现二次污染，并且设备机器成本低，运行较为稳定，且支持吸附混合类气体，但其中的主要材料（如活性炭）更换频率较高，所以需要在运送、装载等环节投入较多的成本[2]。

（4）组合式处理。如今，在排放量高、废气成分多样化的工业活动中，如果仅使用一种处理方法，可能无法达到理想化的去除效果以及废气排放要求。针对此种情形，相关企业通常会选择不同方法进行多次处理。在实际喷涂油漆期间，在压力的作用下，设备发射出高浓度的雾化颗粒，如果没有采取预处理，尺寸偏大的颗粒会直接堵住吸附孔洞。对此，只有先将废气进行喷淋清洗处理，才能达到稀释的目的，而后通过引风机把废气转移到光催化装置中，通过紫外线光束照射，VOCs出现不同反应，并得到低分子的化合物。在组合式处理环节会产生臭氧，待其吸收紫外线后，会释放出氧自由基与氧气。氧自由基和水蒸气发生反应，得到羟基自由基。羟基自由基本身氧化性比较明显，所以能把废气完全转化成无机物，然后将其转移到活性炭吸附装置中，气体输出后整个处理过程完成。

3.2 管控污染源头

管控污染源头就是在涂装技术的开端，最大限度降低VOCs添加量，给后续工序中控制VOCs排放量奠定基础。在表面涂装处理中，管控污染源头主要有两个方法：①采用达到环境标准，低VOCs甚至是无VOCs的原辅料，比如水性涂料、高固含量涂料以及紫外光固化等涂料，由此控制VOCs的形成量。②优化喷涂方法，改善涂料传递。结合有关调研结果，近些年大部分企业选择使用手动空气喷枪实施喷涂作业，但该工具传递效率为25%～40%。如果改用相对完善的旋杯式雾化静电工具，传递效率能达到90%以上。对于家具表面涂装，如果是平面板材，可应用辊涂方法，搭配紫外线固化涂料，污染源处理效率趋近于100%。车辆表面涂装运用整车电泳，可达到90%～95%的处理效率。由此可见，企业需结合工件形式，挑选更为适合的涂装工艺，优化传递效率，并控制VOCs的产生量。

3.3 落实过程管理

在涂装处理过程中，要想加强对VOCs废气的管控及防治，则要控制气体扩散。我国该领域中的大多数企业，以往对喷涂过程中产生的污染较为关注，但却忽视了其他产生污染的环节，例如，调漆环节的废气收集不彻底、涂料运输期间容器密封度不足、流平中废气收集不够及时、废涂料桶以及废渣没有密封放置等[3]。为解决上述问题，相关企业应当改进并完善废气收集设施，加强对表面涂装所有工序的管控，避免VOCs泄出。

3.4 强化末端控制

在表面涂装领域中，相关人员应当根据涂装的各道工序，分类收集和治理VOCs废气。在喷涂处理中，废气风量普遍较大，但VOCs实际浓度并不高，废气中会携带漆雾颗粒；在烘干工序中，虽然风量不大，但VOCs的浓度比较高，所以此处建议增加热风；在调漆与流平环节中，风量及VOCs浓度均偏低，而且气体中未携带颗粒物。根据上述对主要涂装工序中污染要素特征的比较分析可以看出，烘干环节的废气污染应当采取单独处理的模式，例如，选择直接或辅助性的燃烧方式，使燃烧产生的热能得到有效利用。在喷涂处理期间形成的废气需采取处理前置的思路，避免漆雾与机械设备接触后，其内部携带的树脂固化，影响废气处理效果以及设备可用年限。喷涂废气通过前处理后，和其他工序产出的废气一起转移到专门的治理机组中进行最终处理。其中，治理机组合并处理其他废气的流程如图1所示。

图1 治理机组合并处理其他废气的流程

喷涂工艺的前后处理的方式[4]：①喷涂工艺的前处理。该项末端治理方法主要针对漆雾，具体分为静电法、湿法及干法，其中后面两种方法的实践使用较多。在使用干法处理的过程中，滤料阻力关系到对漆雾拦截效率，实际治理时需要对滤料进行定期换新。目前，比较常见的湿法包括水旋型、水帘喷淋型等，此类方法是借助惯性与离心力，整合漆雾和水，向其中添加合适药剂后发生化学反应，弱化颗粒黏性，使其变成团状结构，等到颗粒沉淀后再取出。湿法应当格外强调的是，清理掉废气中的漆雾后，湿气含量随之大幅度提高，利用活性炭吸附时，污染废气的各种分子间会出现激烈的竞争，降低活性炭既有的作用，导致成功吸附的分子出现脱附的情况。为避免该类风险，要求在相应车间内配备可以拦截水汽的机器设施，并定期换新重要零部件。另外，操作人员可以通过肉眼观察排气管道，以排气管道有无被上色作为衡量依据，得出漆雾的去除程度[5]。②污染废气的后处理。针对VOCs的治理手段形式较多，实践中要结合废气风量及浓度特点，综合治理装置及处理效果等状况，选择最合适的治理工艺。目前，应用较多的方式为吸附法，一套设施的气体流量区间是1000～60 000 mg/m3，而气体温度需在45℃以内，浓度则要在200 mg/m3，在上述条件下，能收获的治理效率是50%～80%。但在实践中，要把握好活性炭的更换时间，否则会影响污染治理效果。