1、引言

涂裝是產(chǎn)品表面保護和裝飾采用的最基本的技術(shù)手段，涂裝作業(yè)遍及國民經(jīng)濟各個部門，但涂裝車間是環(huán)境污染主要的生產(chǎn)場所之一。在空氣噴涂作業(yè)中，溶劑型涂料的50%～70%在涂裝過程中以漆霧飛散掉。涂料中的絕大部分有機溶劑揮發(fā)釋放到大氣中。涂裝中排放有害廢氣主要集中在噴漆生產(chǎn)線上，其中噴漆室、晾干室、烘干室是廢氣的主要發(fā)生源[1]。

涂裝車間最嚴重的危害是廢氣對大氣的污染。有機揮發(fā)性物質(zhì)的危害主要表現(xiàn)在3個方面[2]：(1)使空氣中臭氧含量超標。在地面，有機揮發(fā)性物質(zhì)與氮氧化物在陽光照射下生成臭氧。我國臭氧工業(yè)衛(wèi)生標準為0.30mg/m3，空氣中臭氧濃度過高會使人產(chǎn)生不適，嚴重的會導(dǎo)致人體皮膚癌變和肺氣腫。(2)消耗高空臭氧層。用于表面前處理過程中清洗油污的溶劑，如氟里昂及含氯溶劑(如1，1，1-三氯乙烷等)都消耗臭氧，使高空臭氧層變薄，使紫外線輻射到地球表面上的量增加，對生命體造成破壞。(3)毒性。許多常用的有機溶劑，如二甲苯、甲苯、甲乙酮等都有相當大的毒性，對人體健康造成危害。

對涂料工業(yè)中廢氣的治理主要從減少廢氣的排放和對排放廢氣進行治理兩個方面進行。

2、減少廢氣的排放

1.1 選擇環(huán)保型涂料

環(huán)保型涂料就是不使用或少量使用有機溶劑的涂料，如粉末涂料、水性涂料、高固體分涂料等。粉末涂料基本上不排放有害廢氣，近年來發(fā)展迅速，雖然粉末涂料的應(yīng)用已經(jīng)大幅度增加，但不可能完全取代溶劑型涂料。建筑行業(yè)的涂料主要以水性涂料為主，特別是室內(nèi)的內(nèi)墻裝飾需選擇水性乳膠漆。無溶劑涂料和高固體分涂料是涂料行業(yè)的發(fā)展趨勢。在涂裝過程中，選擇高固體分或低溶劑含量或無溶劑類型的涂料，盡管涂料價格稍貴，但一次涂裝可得到較高的干膜厚度，減少了涂裝道數(shù)，縮短施工周期，并大大減少了溶劑的排放，具有極大的優(yōu)勢。

1.2 提高涂料利用率，減少涂料的使用量

在涂料施工中，噴涂是常用的涂裝方法，但噴涂時產(chǎn)生的漆霧較多，涂料以漆霧形式揮發(fā)到空氣中。ASTM(美國材料試驗學(xué)會)對比較不同噴涂方法的涂覆效率有一個標準程序D5009-96。根據(jù)該方法測得的不同噴涂方法的典型涂覆效率見表1。

涂覆效率受很多因素影響，涂裝大面積工件時這些涂裝方法的涂覆效率都很高。美國為減少有機溶劑的排放，規(guī)定噴涂方法的涂覆效率要高于 65%。很顯然，只有大容量低壓空氣噴槍(HVLP)和靜電噴涂才能滿足至少65%的涂裝效率[3]。另外，采用機械手噴涂和旋轉(zhuǎn)霧化方式都能夠提高涂料利用率。

3、對排放的廢氣進行治理

3.1 治理的概況

治理涂裝廢氣需要添加設(shè)備對廢氣中的有機溶劑回收利用或把有機溶劑分解成二氧化碳和水。由于資源的有限性導(dǎo)致有機溶劑的價格越來越高，回收有機溶劑也就變得越來越重要�；厥沼袡C溶劑的方法有活性炭吸附法和液體吸收法。分解有機溶劑的方法有燃燒法、紫外線-臭氧法和微生物分解法。

紫外線-臭氧法[2]是把廢氣通過一個高密度紫外線照射的區(qū)域進行氧化，氧化后的廢氣再被含有高濃度臭氧的水幕吸收進一步氧化，但有機溶劑經(jīng)過這兩步氧化后仍沒有完全分解，吸收廢氣的水需要再通過一個活性炭床吸附剩余的有機溶劑，另一個已經(jīng)吸收有機溶劑的活性炭床通高濃度臭氧氧化，兩個活性炭床交替進行吸附-氧化。紫外線-臭氧法的優(yōu)點是氧化過程中不產(chǎn)生CO和NOx，而且可以同時除去漆霧顆粒和有機溶劑，但這種方法的缺點是設(shè)備復(fù)雜、產(chǎn)生臭氧的成本高、需要處理吸收用水，而且不適應(yīng)廢氣排量大的場合。

微生物分解法[2]已經(jīng)在減少臭味和除去一些有機溶劑上得到成功應(yīng)用。其優(yōu)點是不產(chǎn)生NOx，而且處理過程中消耗的能量很少，但該法需要的空間大、微生物處理系統(tǒng)需要維護。目前涂裝車間常用的方法有燃燒法、液體吸收法、活性炭吸附法。選擇廢氣治理方法時需要考慮廢氣排出量、有機溶劑的成分和濃度、設(shè)備費用和運轉(zhuǎn)維護費用、設(shè)備占有空間的大小等因素。

3.2 燃燒法

3.2.1 直接燃燒法

直接燃燒系統(tǒng)由燃燒嘴、燃燒室和熱交換器組成。當廢氣中混合溶劑的濃度較高時，從安全上考慮，需要用空氣稀釋到混合溶劑爆炸下限濃度的1/4～1/5，才能進行燃燒。

將含有有機溶劑的氣體加熱到700～800℃，使其直接燃燒分解為二氧化碳和水。燃燒時要另外加入燃料，廢氣在燃燒室停留的時間為 0.5～1.0s。碳氫化合物等廢氣在較高溫度下才能完全燃燒，同時也產(chǎn)生光化學(xué)煙霧物質(zhì)NOx，而NOx的產(chǎn)生與燃燒品種、燃燒溫度、裝置機構(gòu)和燃燒時所需空氣量等有關(guān)，其中最重要的是燃燒溫度。因此為避免產(chǎn)生光化學(xué)煙霧物質(zhì)NOx，直接燃燒溫度應(yīng)控制在800℃以下。

采用直接燃燒法處理廢氣，由燃燒爐處理后的燃燒氣體溫度約500～600℃，為回收熱能，需高價的熱交換器。直接燃燒法能夠產(chǎn)生熱量，燃氣發(fā)電機又有現(xiàn)成的技術(shù)，二者結(jié)合就可以發(fā)電。如福特汽車公司在密歇根州的工廠中把收集的揮發(fā)性有機物通過燃氣發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能。
直接燃燒法適宜處理高濃度、小風量的涂裝廢氣，效率高、構(gòu)造簡單、設(shè)備費用低、余熱可利用。

3.2.2 催化燃燒法

催化燃燒法，也稱觸媒燃燒法和觸媒氧化法，是用白金、鈷、銅、鎳等作為催化劑，將含有涂裝廢氣和漆霧的氣體加熱到200～300℃，通過催化劑層，在較低的溫度下，達到完全燃燒。此法適于高濃度、小風量的涂裝廢氣的凈化。缺點是表面異物附著易使催化劑中毒失效，且催化劑和設(shè)備價格較貴。

3.3　液體吸收法

3.3.1 液體吸收法的原理

液體吸收法也稱為氣液傳質(zhì)吸收法，以液體作為吸收劑，使廢氣中的有害成分被液體吸收，從而達到凈化的目的，其吸收過程是氣相和液相之間進行氣體分子擴散或者是湍流擴散進行物質(zhì)轉(zhuǎn)移。液體吸收法的關(guān)鍵是吸收劑的選擇。

3.3.2 水作為吸收劑的液體吸收法

國內(nèi)已有用水作為吸收劑來處理水溶性涂料，水溶性涂料排出廢氣的主要成分為親水性溶劑。廢氣由吸收塔底進入塔內(nèi)，作為吸收劑的水從吸收塔上部進入并被分散。在氣體由下而上和液體從上至下的接觸過程中，廢氣中有害溶劑氣體被水吸收，使廢氣得到凈化。凈化后氣體由吸收塔上部排出，而含有廢氣的水由塔底排出并流入水槽。需對產(chǎn)生的廢水作二次處理。

日本大發(fā)汽車公司[3]開發(fā)的水洗吸收噴漆室廢氣中有機溶劑方法，是將廢氣通過吸收塔，在塔中使廢氣與水充分接觸，而含溶劑的水經(jīng)生化處理后再利用或排放。

3.3.3 油作為吸收劑的液體吸收法

美國HadenDrysys公司[3]采用油來吸收噴漆室中的溶劑，讓廢氣通過5個噴油的吸附室，使廢氣與油充分接觸，將有機溶劑吸收。含溶劑的油經(jīng)過分餾處理后可再利用，經(jīng)處理的廢氣排入大氣中。

美國NewJerseyInstituteofTechnology化學(xué)工程系的Ma2jumdar，S等[4]使有機溶劑通過中空纖維型膜孔，硅油作吸收劑來吸收廢氣中的有機溶劑。

中空纖維型膜組件是將幾十萬乃至上百萬根中空纖維彎成U形裝入耐壓器中，纖維頂端固定在耐壓容器的頂端，用膠粘劑粘牢，固化后切割，形成整齊的開口端。

該實驗需要使用兩個中空纖維膜組件，一個組件吸附，另一個組件同時脫附有機溶劑再生，二者交替進行吸附-脫附。在吸附組件中，廢氣開口端進入中空纖維膜，從中空纖維膜的孔排出，吸收劑被泵送，逆向流過中空纖維的外表面吸附有機溶劑。這里吸收劑要求對空氣基本不吸附，但需要很有效地吸附有機溶劑，而且還要求它是惰性的、基本不揮發(fā)、無毒的是有機液體物質(zhì)。該實驗中使用硅油作吸收劑。吸附了有機溶劑的吸收劑進入脫附組件中，在抽真空的氣氛下加熱除去有機溶劑而使吸收劑再生。在美國Robins空軍基地的噴漆室附近，建立了這樣一個小規(guī)模的吸附-脫附中空纖維膜組件，處理從噴漆室中排出的廢氣，可以達到95%的有機溶劑去除率。

2.4、活性炭吸附法

2.4.1 活性炭吸附的原理

以活性炭作為涂裝車間廢氣吸附劑已有許多年的應(yīng)用經(jīng)驗�；钚蕴績r格便宜，表面有疏水性，比表面積(500～1200m2/g)大，因而具有優(yōu)異的吸附性能，可使有機溶劑蒸氣吸附在其表面上，當加熱烘干吸附劑時，被吸附的氣體解析出來，冷卻成液態(tài)，從而達到回收溶劑的目的。具有疏水性表面的分子篩價格昂貴。在以去除有機溶劑為目的的場合，活性炭是最適宜的吸附劑。

2.4.2 傳統(tǒng)活性炭吸附法

我國過去采用粒徑在5mm左右的活性炭在吸收塔內(nèi)做成厚度0.8～1.5m吸附炭層。

來自噴漆室和烘干室的廢氣，經(jīng)過濾器和冷卻器后，除去廢氣中的漆霧，并降低到所需的溫度。由吸收塔下部進入吸收塔，吸收廢氣中的有害氣體，凈化后的干凈氣體被排放到大氣中。處理廢氣流速0.3～0.6m/s，但僅限于低濃度廢氣，溶劑清除效率可達95%。當處理廢氣通過吸附層時，大部分的吸附質(zhì)在吸附層內(nèi)被吸附，隨著吸附時間延續(xù)，活性炭層的吸附能力降低，其有效部分越來越薄，當出口處氣體中含有被吸附質(zhì)時，這時整個活性炭層被穿透。若繼續(xù)使用，處理后氣體中所含吸附質(zhì)越來越多，當出口側(cè)濃度達到入口濃度時，則活性炭達到飽和狀態(tài)。此時需要脫附，使活性炭重新具有活性。傳統(tǒng)活性炭再生方法有水蒸汽、非活性氣體、高溫燒結(jié)和減壓蒸餾法。
 
常用的水蒸汽再生法使脫附后的混合氣體進入冷凝器冷卻成液體，然后再進入分離器使溶劑和水分離，回收溶劑。如果水中還含有親水的醇類、丙酮等，需經(jīng)處理后才能排放。

2.4.3 活性炭吸附法的新發(fā)展

活性炭纖維作為吸附材料，其使用壽命比普通粒狀活性炭長3～4倍。國內(nèi)也出現(xiàn)采用活性炭纖維(ACF)作為吸附介質(zhì)回收有機溶劑的裝置。對于回收的溶劑利用有兩種方法：重新分餾利用或燃燒產(chǎn)生熱量。燃燒需要在設(shè)備中增加催化燃燒室及熱風循環(huán)系統(tǒng)，將從活性炭纖維上脫附的有機溶劑高溫催化燃燒并為設(shè)備的運行提供能量，就不再需要蒸氣脫附有機溶劑。

印度技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程系的DwivediP等[5]采用已經(jīng)商業(yè)化的活性炭纖維管式反應(yīng)器吸附有機氣體，脫附有機溶劑時采用約50V的直流電加熱，可以加熱到120～150℃，在45～60min內(nèi)可以脫附完畢。

現(xiàn)在國際上最新的發(fā)展是采用活性炭纖維布(ACFC)作為吸附介質(zhì)通電加熱脫附回收有機溶劑。這種方法具有以下優(yōu)點：有機溶劑在固相和流體相之間的質(zhì)量轉(zhuǎn)移快，比粒狀活性炭快2～20倍；ACFC使用壽命長；活性炭纖維布能夠快速加熱、不需要水蒸汽脫附，因而操作和維護簡便，脫附的有機溶劑不需要除水，可以直接應(yīng)用。

法國LeCloirec[6]采用ACFC作為吸附介質(zhì)通電加熱脫附回收二氯甲烷進行實驗。該實驗的特點是使用兩個組件交替進行吸附-脫附，運轉(zhuǎn)過程中不需要維護。

用活性炭纖維布做成兩個直徑20cm長50cm的圓柱形組件。一個圓柱形組件吸附，另一個組件同時脫附有機溶劑再生，二者交替進行吸附-脫附，先進行吸附，時間間隔為1h。

實驗中含3～18g/m3二氯甲烷的污染空氣以320m3/h的速率流過，出口二氯甲烷的濃度降低到120mg/m3，即二氯甲烷的平均排出量為3g/h。直接施加電流進行加熱圓柱形組件，可以使其表面溫度升高到約60℃，然后用5m3/h，即流速16m/h的氮氣流吹走脫附的二氯甲烷，冷卻后回收利用。這套裝置每天24h連續(xù)工作17個月，沒有出現(xiàn)任何操作問題，運轉(zhuǎn)性能很好。

美國UniversityofIllinois環(huán)境工程系的Sullivan，PatrickD等[7]采用ACFC作為吸附介質(zhì)吸附甲乙酮，再通電加熱脫附甲乙酮，脫附時使放在容器內(nèi)的活性炭纖維布溫度升高到甲乙酮的沸點以上，甲乙酮在容器內(nèi)壁冷凝流走。這種實驗方法的優(yōu)點是有機溶劑在容器內(nèi)壁冷凝后以液體形式流走回收。

URS公司[Austin，TX78729，UnitedStates]的Dombrows2kiKatherineD等[8]采用活性炭纖維布吸附電加熱脫附裝置，試驗了甲基異丁基酮、甲乙酮、正己烷、丙酮、氯乙烷混合氣體，它們的濃度在(200～1020)×10-6之間，溶劑回收率超過9919%。增加通過活性炭纖維布的廢氣壓力可相應(yīng)增加回收率，而且回收每摩爾純液體消耗的電能也減少，該實驗表明這種技術(shù)可以用于氣流中多種揮發(fā)性有機氣體的快速回收。

3、結(jié)語

采用環(huán)保型涂料、提高涂料的利用率并減少涂料的使用量涂裝車間減少廢氣排放的要求。治理涂裝廢氣時，高濃度小排量的廢氣采用燃燒法比較適宜；而從噴漆室、揮發(fā)室和烘干室排出的廢氣因換氣量大，其中所含的有機溶劑濃度極低，對于這種低濃度大排量的廢氣適宜采用活性炭吸附法或液體吸收法。但過去液體吸收法和活性炭吸附法因技術(shù)上的缺陷限制了其應(yīng)用。液體吸收法沒有解決吸收劑和吸收效率的問題；過去采用的活性炭吸附法脫附有機溶劑的方法復(fù)雜，要到專門活性炭再生廠，而使溶劑回收困難。中空纖維型膜和硅油吸收劑為液體吸收法提供一種新的發(fā)展思路。采用活性炭纖維布作為吸附介質(zhì)通電加熱脫附回收有機溶劑，因其操作和維護簡便、脫附的有機溶劑不需要除水，是一種非常有前景的方法。

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