UV漆废气中漆雾VOCs处理技术

＊刘云相 宋子菡 杨传玺* 刘永林 王炜亮

（1.郓城县环境保护局环境监测站 山东 274700 2.青岛理工大学环境与市政工程学院 山东 266520）

目前，我国喷涂行业使用的漆料众多，UV油漆是其中一种，其中UV油漆以丙烯酸聚氨酯为主，丙烯酸聚氨酯因具有附着力大、漆膜光泽高、丰满度好、硬度大，光泽和耐化学性好，做面漆可以抛光等优点，被广泛应用于酒类瓶盖、化妆品瓶、家具装饰等行业[1-2]。丙烯酸聚氨酯在生产和使用过程中会释放漆雾VOCs到大气环境中，漆雾对人体健康的危害不容忽视，生产企业必须采取切实可行的漆雾VOCs废气治理措施，减小污染物排放，降低有毒有害物质的健康风险。如表1所示，我国针对涂装行业有害气体排放有明确的标准。由于喷涂UV油现在常用的漆雾处理技术很难稳定运行，已成为业内的技术难题。

表1 涂装行业相关标准或指南

近年，UV油漆使用企业先后采用了低温等离子、UV光催化氧化、活性炭吸附、催化燃烧（RCO）、蓄热式燃烧（RTO）等处理工艺用于漆雾VOCs处理[3-5]。由于UV漆雾含有大量粘稠性树脂，加上含有的光敏剂、交联单体、溶剂具有难以凝固的特点，对漆雾收集和后续的环保设备稳定运行都产生巨大影响[6]。漆雾处理设施不能正常运行主要表现为：低温等离子和光催化氧化等漆雾处理设备的光管常因为堵塞而引发火灾甚至爆炸；催化燃烧器会堵塞蜂窝陶瓷催化剂；活性炭吸附箱会堵塞活性炭孔隙造成活性炭迅速失活，产生大量的危险废物，增加大量危废处置费用[7]。本文结合郓城县UV油漆使用企业近几年来对UV漆雾VOCs治理实践和技术研究，全面探究UV漆雾回收及VOCs治理工艺和技术发展方向。

1.UV漆组分和特点

(1)UV漆组分

UV漆主要组分包括光敏树脂、光敏剂、交联单体、溶剂、助剂等[8-9]。

光敏树脂。光敏树脂通常是光敏漆的主要成膜物质，它是由聚合物单体和预聚体组成的，其特性决定了其表面特性。聚合树脂是一种预聚物或低聚物，包含两键。常用的品种有不饱和聚酯，亚克力环氧酯，亚克力聚酯，亚克力聚氨酯等。

光敏剂是一种因交联单体之间的游离基和光敏树脂而产生的聚合反应，在近紫外线光区（300～400nm）的光激发下，其物质是游离基。引发剂的种类很多，自由基在UV光照射下产生的速率和在暗处产生的自由基等因素都需要在选择时加以考虑，目前使用较多的光敏剂有安息香和乙醚等安息香醚类。

交联单体。交联单体可以与光敏树脂发生聚合反应固化成膜。以前使用的交联单体多为苯乙烯，现在则用多官能基的丙烯酸脂类，如二/三/六官能基丙烯酸单体。

溶剂。现在有很多交联单体不能克服的问题，如涂层的硬化速度及湿润效果，可以通过在UV漆中加入适量溶剂来解决。较为常用的溶剂有甲苯、二甲苯、醋酸乙酯、醋酸丁酯、二氯甲烷等。目前普遍使用乙酯类较多。

助剂。UV漆常用助剂有流平剂、防流挂剂、稳定剂、消泡剂、促进剂等。

(2)UV漆雾主要特点

郓城县使用UV漆喷涂主要集中在20余家塑料瓶盖（ABS、PP等材质）和少量化妆品包装瓶等生产企业[10]，因此本文探讨的UV漆雾特征和处理技术研究仅适用于此类行业。由于UV漆特性，加之塑料瓶盖、化妆品包装瓶体积较小，因此这些行业产生UV漆雾具有以下几个特征：①由于喷涂目标体积小，UV漆有效利用率较低，平均50%，造成漆雾中含大量无效油漆；②由于UV漆雾含有大量黏稠性树脂，加上含有的光敏剂、交联单体、溶剂具有难以凝固特点，漆雾粘黏性大，易造成漆雾废气收集系统和处理系统堵塞；③漆雾废气中有机物含量高，去除难度大；④漆雾成分中含有大量的酯类、醚类有机物，遇火花或温度升高易着火。

2.UV漆雾VOCs处理技术应用

经对郓城县UV漆使用企业漆雾处理技术回顾性调查，他们先后采用过低温等离子、UV光催化氧化、二级活性炭吸附、催化燃烧（RCO）、蓄热式燃烧（RTO）等处理工艺，用于UV漆雾VOCs的处理技术[11-13]。实践表明，尽管企业做了大量的技术探讨和实践，从实际运行效果看，这些UV漆雾VOCs处理技术应用都存在程度不同的技术缺陷，给企业带来巨大的安全隐患，同时还存在VOCs稳定达标排放的压力。下面对企业采用过的UV漆雾VOCs的处理技术做简要回顾。

(1)低温等离子体技术

技术工艺流程为喷漆室水帘除雾+干湿分离器+低温等离子体处理器[14]。低温等离子除去VOCs机制是通过电极空间的电子获得能量逐渐加速，使其在电场的作用下产生碰撞气体分子。其结果是将电子电离、激发或吸附于气体分子中成为负离子。气体分子经电子碰撞后形成对VOCs分子进行氧化反应的高活性粒子，使有机污染物转化为CO2和H2O。低温等离子体技术在使用过程中存在最大的缺点就是漆雾废气收集系统和处理系统堵塞，遇火花或温度升高易着火，废气VOCs排放难以稳定达标。

(2)UV催化氧化技术

技术工艺流程为喷漆室水帘除雾+干湿分离器+UV催化氧化反应器[15]。UV催化氧化去除VOCs机理为利用光触媒（常用的为二氧化钛）作为光化学反应的催化剂，空气在紫外线的照射下，产生出氧化能力极强的自由氢氧基和活性氧，对废气中的有机物进行氧化分解，使废气中的VOCs变成水和二氧化碳，进而达到去除VOCs的目的。UV催化氧化技术缺点同低温等离子体技术一致。

(3)催化燃烧(RCO)处理技术

技术工艺流程为喷漆室水帘除雾+干湿分离器+活性炭吸附脱附+催化燃烧炉[16]。其中活性炭吸附脱附技术工艺流程为喷漆室水帘除雾+干湿分离器+二级活性炭吸附箱，二级活性炭吸附是利用蜂窝状活性炭强大的吸附能力，将前期处理过的废气进行吸附过滤，达到去除废气中VOCs目的。催化燃烧处理技术是一种气-固相催化反应，催化剂可以降低反应温度，一般在250～450℃也可以降低反应的活化能，而且，反应物可以被富集到催化剂表面，反应速度就可以被提高。相对于直接燃烧，它的特点是点火温度低，能量消耗少。催化热氧化法要求选用适当的催化剂，根据活性物质的差异，可以将其划分为贵金属催化剂、过渡金属氧化物催化剂、复氧化物催化剂。郓城县采用的催化剂为蜂窝状陶瓷催化剂，该处理工艺的缺点：一是堵塞活性炭孔隙造成活性炭迅速失活，会产生大量的危险废物（废活性炭和过滤棉），增加大量危废处置费用，企业经济压力较大；二是蜂窝陶瓷催化剂堵塞严重，影响VOCs去除效率。

(4)蓄热式燃烧(RTO)技术

技术工艺流程为喷漆室水帘除雾+干湿分离器+蓄热式燃烧炉[17]。RTO的主要工作是：在富氧条件下，将有机废气注入到燃烧室中，通过预热室加热（升温到800℃）后，通过高温焚烧，氧化分解完全一致，在经过另外一种蓄热室的蓄热器中，有机物会被氧化为水和二氧化碳，从而储存热量，当空气流动的方向发生周期性变化时，下一轮对新进入的有机废气进行预热，维持炉膛温度的稳定。由于蓄热式燃烧的高效利用率很高，所以VOCs技术得到了广泛的应用，成为一种完全氧化分解技术。但由于UV漆雾VOCs废气浓度高，且波动性大，可燃物、助燃物和点火源都存在，超过爆炸限，发生燃爆的可能性较大。

(5)其他技术

活性炭吸附法主要是利用具备较强吸附效果的活性炭对漆雾VOCs进行吸收，实现除去有害物质的效果。活性炭吸附法具备操作简便、设备简单的优势，并且能够适应对多种工业废气的净化处理，是我国工业废气处理过程中，应用最为广泛的处理技术。然而这种方法的缺陷是成本较高、单独运用活性炭吸附需要不断地更换填料，造成二次污染[18]。

膜分离技术主要依靠聚合物膜自身的特性，在一定压力下渗透到废气当中分离有机物以及VOCs,石油化工和食品加工等行业对膜分离技术的应用较为广泛。膜分离技术的优势是能够实现高浓度和小流量废气中有机污染物有效分离，其缺点是成本较高[19]。

生物处理技术主要处理中浓度以及低浓度废气VOCs，其优势为仪器设备简单，操作较为简单并且不需要投入过多的成本，不容易造成严重的二次污染等[20]。在当前阶段，开展漆雾VOCs生物处理技术的研究相对有限，下一步需要不断深入的探索与研究。

3.郓城县UV漆雾VOCs处理技术探究

郓城县UV漆塑料瓶盖生产企业目前采用的UV漆雾VOCs处理工艺存在诸多技术问题亟需解决[21-22]。问题的根源是UV漆雾中大量有机物没有得到有效回收，因此，探究切实可行的漆雾回收技术是解决此问题的关键。

针对UV漆雾的特性，关于UV漆雾有效回收及提高回收率，相关科技人员进行了深入探究，目前用于工程实践的技术有以下几类[23-25]。

UV漆雾回收盒技术。该项技术由欣兴华龙公司研制，主要原理是设计一种专用过滤网和回收箱用来回收UV漆雾，该项技术获得2020年第八届中国木门技术大会金智奖。

水旋塔UV漆雾回收技术。该项技术主要原理是利用文丘里原理，在水旋塔中将漆雾废气中部分污染物分离出来，降低废气中VOCs浓度。

动态拦截UV漆雾回收技术。该项技术主要原理是根据离心力和文丘里相结合，浴筒内高速旋转的拦截装置对气态雾粒进行碰撞、拦截、吸附等作用使其聚集成液滴。将聚集的液滴甩出汇集于壳体下通过离心力部进行回收。该项技术由中科（厦门）环保股份有限公司研制并申请实用专利。

核裂解回收UV漆雾技术。工作原理是把高压直流电源引入到电晕极（阴极），从而使其与电场强度超出了某一极限后，即阴极与阴极之间形成电晕放电的沉淀极（阳极）之间产生电场（Statement）。此时，通过场区气体被电离，使许多电子与离子发生碰撞。在电场力的作用下，UV漆、水雾、粉尘等颗粒产生了一种带电向两极两种不同的荷电运动。由于电子质量小、运动速度快、空间分布大。依赖于残余的静电引力和分子间凝聚力，在进入沉淀极中和后，首先将其吸附，再沿极板本身的重力降低，再由UV漆出口来排放。本工艺由高压直流电源和裂解机械塔体两大部分组成。电源采用CS-Ⅲ恒流型高压直流电源。裂解机械塔体可选用TD套筒式（同心园式）、GD管式、FD蜂窝式三种结构，塔体均有筒体、放电极（电晕极）和吸捕极（沉淀极）组成。

4.结语

郓城县喷涂UV漆企业目前常用的漆雾VOCs处理技术存在的突出问题是由于漆雾的特性，催化燃烧会堵塞蜂窝陶瓷；光催化和等离子会堵塞光管从而引发火灾甚至爆炸；活性炭吸附会堵塞活性炭孔隙产生大量的危险废物，增加大量危废处置费用。造成这些问题的最重要的因素是漆雾回收效率低。因此UV漆雾有效回收是UV漆雾VOCs处理技术提升的命门。建议根据企业实际状况，分别采用UV漆雾回收盒技术、水旋塔UV漆雾回收技术、动态拦截UV漆雾回收技术、核裂解回收UV漆雾技术等，努力提高UV漆雾回收率。