细谈涂装车间废气的治理
1、引言
涂装是产品表面保护和装饰采用的最基本的技术手段，涂装作业遍及国民经济各个部门，但涂装车间是环境污染主要的生产场所之一。在空气喷涂作业中，溶剂型涂料的50%～70%在涂装过程中以漆雾飞散掉。涂料中的绝大部分有机溶剂挥发释放到大气中。涂装中排放有害废气主要集中在喷漆生产线上，其中喷漆室、晾干室、烘干室是废气的主要发生源[1]。
涂装车间最严重的危害是废气对大气的污染。有机挥发性物质的危害主要表现在3个方面[2]：(1)使空气中臭氧含量超标。在地面，有机挥发性物质与氮氧化物在阳光照射下生成臭氧。我国臭氧工业卫生标准为0.30mg/m3，空气中臭氧浓度过高会使人产生不适，严重的会导致人体皮肤癌变和肺气肿。(2)消耗高空臭氧层。用于表面前处理过程中清洗油污的溶剂，如氟里昂及含氯溶剂(如1，1，1-三氯乙烷等)都消耗臭氧，使高空臭氧层变薄，使紫外线辐射到地球表面上的量增加，对生命体造成破坏。(3)毒性。许多常用的有机溶剂，如二甲苯、甲苯、甲乙酮等都有相当大的毒性，对人体健康造成危害。
对涂料工业中废气的治理主要从减少废气的排放和对排放废气进行治理两个方面进行。
2、减少废气的排放
1.1 选择环保型涂料
环保型涂料就是不使用或少量使用有机溶剂的涂料，如粉末涂料、水性涂料、高固体分涂料等。粉末涂料基本上不排放有害废气，近年来发展迅速，虽然粉末涂料的应用已经大幅度增加，但不可能完全取代溶剂型涂料。建筑行业的涂料主要以水性涂料为主，特别是室内的内墙装饰需选择水性乳胶漆。无溶剂涂料和高固体分涂料是涂料行业的发展趋势。在涂装过程中，选择高固体分或低溶剂含量或无溶剂类型的涂料，尽管涂料价格稍贵，但一次涂装可得到较高的干膜厚度，减少了涂装道数，缩短施工周期，并大大减少了溶剂的排放，具有极大的优势。
1.2 提高涂料利用率，减少涂料的使用量
在涂料施工中，喷涂是常用的涂装方法，但喷涂时产生的漆雾较多，涂料以漆雾形式挥发到空气中。ASTM(美国材料试验学会)对比较不同喷涂方法的涂覆效率有一个标准程序D5009-96。根据该方法测得的不同喷涂方法的典型涂覆效率见表1。
涂覆效率受很多因素影响，涂装大面积工件时这些涂装方法的涂覆效率都很高。美国为减少有机溶剂的排放，规定喷涂方法的涂覆效率要高于 65%。很显然，只有大容量低压空气喷枪(HVLP)和静电喷涂才能满足至少65%的涂装效率[3]。另外，采用机械手喷涂和旋转雾化方式都能够提高涂料利用率。
3、对排放的废气进行治理
3.1 治理的概况
治理涂装废气需要添加设备对废气中的有机溶剂回收利用或把有机溶剂分解成二氧化碳和水。由于资源的有限性导致有机溶剂的价格越来越高，回收有机溶剂也就变得越来越重要。回收有机溶剂的方法有活性炭吸附法和液体吸收法。分解有机溶剂的方法有燃烧法、紫外线-臭氧法和微生物分解法。
紫外线-臭氧法[2]是把废气通过一个高密度紫外线照射的区域进行氧化，氧化后的废气再被含有高浓度臭氧的水幕吸收进一步氧化，但有机溶剂经过这两步氧化后仍没有完全分解，吸收废气的水需要再通过一个活性炭床吸附剩余的有机溶剂，另一个已经吸收有机溶剂的活性炭床通高浓度臭氧氧化，两个活性炭床交替进行吸附-氧化。紫外线-臭氧法的优点是氧化过程中不产生CO和NOx，而且可以同时除去漆雾颗粒和有机溶剂，但这种方法的缺点是设备复杂、产生臭氧的成本高、需要处理吸收用水，而且不适应废气排量大的场合。
微生物分解法[2]已经在减少臭味和除去一些有机溶剂上得到成功应用。其优点是不产生NOx，而且处理过程中消耗的能量很少，但该法需要的空间大、微生物处理系统需要维护。目前涂装车间常用的方法有燃烧法、液体吸收法、活性炭吸附法。选择废气治理方法时需要考虑废气排出量、有机溶剂的成分和浓度、设备费用和运转维护费用、设备占有空间的大小等因素。
3.2 燃烧法
3.2.1 直接燃烧法
直接燃烧系统由燃烧嘴、燃烧室和热交换器组成。当废气中混合溶剂的浓度较高时，从安全上考虑，需要用空气稀释到混合溶剂爆炸下限浓度的1/4～1/5，才能进行燃烧。
将含有有机溶剂的气体加热到700～800℃，使其直接燃烧分解为二氧化碳和水。燃烧时要另外加入燃料，废气在燃烧室停留的时间为 0.5～1.0s。碳氢化合物等废气在较高温度下才能完全燃烧，同时也产生光化学烟雾物质NOx，而NOx的产生与燃烧品种、燃烧温度、装置机构和燃烧时所需空气量等有关，其中最重要的是燃烧温度。因此为避免产生光化学烟雾物质NOx，直接燃烧温度应控制在800℃以下。
采用直接燃烧法处理废气，由燃烧炉处理后的燃烧气体温度约500～600℃，为回收热能，需高价的热交换器。直接燃烧法能够产生热量，燃气发电机又有现成的技术，二者结合就可以发电。如福特汽车公司在密歇根州的工厂中把收集的挥发性有机物通过燃气发电机转化为电能。
直接燃烧法适宜处理高浓度、小风量的涂装废气，效率高、构造简单、设备费用低、余热可利用。
3.2.2 催化燃烧法
催化燃烧法，也称触媒燃烧法和触媒氧化法，是用白金、钴、铜、镍等作为催化剂，将含有涂装废气和漆雾的气体加热到200～300℃，通过催化剂层，在较低的温度下，达到完全燃烧。此法适于高浓度、小风量的涂装废气的净化。缺点是表面异物附着易使催化剂中毒失效，且催化剂和设备价格较贵。
3.3 液体吸收法
3.3.1 液体吸收法的原理
液体吸收法也称为气液传质吸收法，以液体作为吸收剂，使废气中的有害成分被液体吸收，从而达到净化的目的，其吸收过程是气相和液相之间进行气体分子扩散或者是湍流扩散进行物质转移。液体吸收法的关键是吸收剂的选择。
3.3.2 水作为吸收剂的液体吸收法
国内已有用水作为吸收剂来处理水溶性涂料，水溶性涂料排出废气的主要成分为亲水性溶剂。废气由吸收塔底进入塔内，作为吸收剂的水从吸收塔上部进入并被分散。在气体由下而上和液体从上至下的接触过程中，废气中有害溶剂气体被水吸收，使废气得到净化。净化后气体由吸收塔上部排出，而含有废气的水由塔底排出并流入水槽。需对产生的废水作二次处理。
日本大发汽车公司[3]开发的水洗吸收喷漆室废气中有机溶剂方法，是将废气通过吸收塔，在塔中使废气与水充分接触，而含溶剂的水经生化处理后再利用或排放。
3.3.3 油作为吸收剂的液体吸收法
美国HadenDrysys公司[3]采用油来吸收喷漆室中的溶剂，让废气通过5个喷油的吸附室，使废气与油充分接触，将有机溶剂吸收。含溶剂的油经过分馏处理后可再利用，经处理的废气排入大气中。
美国NewJerseyInstituteofTechnology化学工程系的Ma2jumdar，S等[4]使有机溶剂通过中空纤维型膜孔，硅油作吸收剂来吸收废气中的有机溶剂。
中空纤维型膜组件是将几十万乃至上百万根中空纤维弯成U形装入耐压器中，纤维顶端固定在耐压容器的顶端，用胶粘剂粘牢，固化后切割，形成整齐的开口端。
该实验需要使用两个中空纤维膜组件，一个组件吸附，另一个组件同时脱附有机溶剂再生，二者交替进行吸附-脱附。在吸附组件中，废气开口端进入中空纤维膜，从中空纤维膜的孔排出，吸收剂被泵送，逆向流过中空纤维的外表面吸附有机溶剂。这里吸收剂要求对空气基本不吸附，但需要很有效地吸附有机溶剂，而且还要求它是惰性的、基本不挥发、无毒的是有机液体物质。该实验中使用硅油作吸收剂。吸附了有机溶剂的吸收剂进入脱附组件中，在抽真空的气氛下加热除去有机溶剂而使吸收剂再生。在美国Robins空军基地的喷漆室附近，建立了这样一个小规模的吸附-脱附中空纤维膜组件，处理从喷漆室中排出的废气，可以达到95%的有机溶剂去除率。
2.4、活性炭吸附法
2.4.1 活性炭吸附的原理
以活性炭作为涂装车间废气吸附剂已有许多年的应用经验。活性炭价格便宜，表面有疏水性，比表面积(500～1200m2/g)大，因而具有优异的吸附性能，可使有机溶剂蒸气吸附在其表面上，当加热烘干吸附剂时，被吸附的气体解析出来，冷却成液态，从而达到回收溶剂的目的。具有疏水性表面的分子筛价格昂贵。在以去除有机溶剂为目的的场合，活性炭是最适宜的吸附剂。
2.4.2 传统活性炭吸附法
我国过去采用粒径在5mm左右的活性炭在吸收塔内做成厚度0.8～1.5m吸附炭层。
来自喷漆室和烘干室的废气，经过滤器和冷却器后，除去废气中的漆雾，并降低到所需的温度。由吸收塔下部进入吸收塔，吸收废气中的有害气体，净化后的干净气体被排放到大气中。处理废气流速0.3～0.6m/s，但仅限于低浓度废气，溶剂清除效率可达95%。当处理废气通过吸附层时，大部分的吸附质在吸附层内被吸附，随着吸附时间延续，活性炭层的吸附能力降低，其有效部分越来越薄，当出口处气体中含有被吸附质时，这时整个活性炭层被穿透。若继续使用，处理后气体中所含吸附质越来越多，当出口侧浓度达到入口浓度时，则活性炭达到饱和状态。此时需要脱附，使活性炭重新具有活性。传统活性炭再生方法有水蒸汽、非活性气体、高温烧结和减压蒸馏法。
常用的水蒸汽再生法使脱附后的混合气体进入冷凝器冷却成液体，然后再进入分离器使溶剂和水分离，回收溶剂。如果水中还含有亲水的醇类、丙酮等，需经处理后才能排放。
2.4.3 活性炭吸附法的新发展
活性炭纤维作为吸附材料，其使用寿命比普通粒状活性炭长3～4倍。国内也出现采用活性炭纤维(ACF)作为吸附介质回收有机溶剂的装置。对于回收的溶剂利用有两种方法：重新分馏利用或燃烧产生热量。燃烧需要在设备中增加催化燃烧室及热风循环系统，将从活性炭纤维上脱附的有机溶剂高温催化燃烧并为设备的运行提供能量，就不再需要蒸气脱附有机溶剂。
印度技术学院化学工程系的DwivediP等[5]采用已经商业化的活性炭纤维管式反应器吸附有机气体，脱附有机溶剂时采用约50V的直流电加热，可以加热到120～150℃，在45～60min内可以脱附完毕。
现在国际上最新的发展是采用活性炭纤维布(ACFC)作为吸附介质通电加热脱附回收有机溶剂。这种方法具有以下优点：有机溶剂在固相和流体相之间的质量转移快，比粒状活性炭快2～20倍；ACFC使用寿命长；活性炭纤维布能够快速加热、不需要水蒸汽脱附，因而操作和维护简便，脱附的有机溶剂不需要除水，可以直接应用。
法国LeCloirec[6]采用ACFC作为吸附介质通电加热脱附回收二氯甲烷进行实验。该实验的特点是使用两个组件交替进行吸附-脱附，运转过程中不需要维护。
用活性炭纤维布做成两个直径20cm长50cm的圆柱形组件。一个圆柱形组件吸附，另一个组件同时脱附有机溶剂再生，二者交替进行吸附-脱附，先进行吸附，时间间隔为1h。
实验中含3～18g/m3二氯甲烷的污染空气以320m3/h的速率流过，出口二氯甲烷的浓度降低到120mg/m3，即二氯甲烷的平均排出量为3g/h。直接施加电流进行加热圆柱形组件，可以使其表面温度升高到约60℃，然后用5m3/h，即流速16m/h的氮气流吹走脱附的二氯甲烷，冷却后回收利用。这套装置每天24h连续工作17个月，没有出现任何操作问题，运转性能很好。
美国UniversityofIllinois环境工程系的Sullivan，PatrickD等[7]采用ACFC作为吸附介质吸附甲乙酮，再通电加热脱附甲乙酮，脱附时使放在容器内的活性炭纤维布温度升高到甲乙酮的沸点以上，甲乙酮在容器内壁冷凝流走。这种实验方法的优点是有机溶剂在容器内壁冷凝后以液体形式流走回收。
URS公司[Austin，TX78729，UnitedStates]的Dombrows2kiKatherineD等[8]采用活性炭纤维布吸附电加热脱附装置，试验了甲基异丁基酮、甲乙酮、正己烷、丙酮、氯乙烷混合气体，它们的浓度在(200～1020)×10-6之间，溶剂回收率超过9919%。增加通过活性炭纤维布的废气压力可相应增加回收率，而且回收每摩尔纯液体消耗的电能也减少，该实验表明这种技术可以用于气流中多种挥发性有机气体的快速回收。
3、结语
采用环保型涂料、提高涂料的利用率并减少涂料的使用量涂装车间减少废气排放的要求。治理涂装废气时，高浓度小排量的废气采用燃烧法比较适宜；而从喷漆室、挥发室和烘干室排出的废气因换气量大，其中所含的有机溶剂浓度极低，对于这种低浓度大排量的废气适宜采用活性炭吸附法或液体吸收法。但过去液体吸收法和活性炭吸附法因技术上的缺陷限制了其应用。液体吸收法没有解决吸收剂和吸收效率的问题；过去采用的活性炭吸附法脱附有机溶剂的方法复杂，要到专门活性炭再生厂，而使溶剂回收困难。中空纤维型膜和硅油吸收剂为液体吸收法提供一种新的发展思路。采用活性炭纤维布作为吸附介质通电加热脱附回收有机溶剂，因其操作和维护简便、脱附的有机溶剂不需要除水，是一种非常有前景的方法。
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