活塞桿鍍鉻生產中含鉻漂洗廢水零排放的清潔生產對策

　　摘 要：電鍍廢水減排是電鍍行業清潔生產審核的重點。根據我國電鍍行業技術管理水平現狀，系統分析了活塞桿鍍鉻生產中含鉻廢水的削減潛力，并提出了含鉻清洗廢水零排放的清潔生產對策。
　　關鍵詞：活塞桿鍍鉻 清潔生產 含鉻廢水零排放。
　　中圖分類號：TQ637文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2012）09（a）-0070-02
　　活塞桿鍍鉻又稱“鍍硬鉻或耐磨鉻”。鍍鉻層具有很高的硬度，根據鍍液成分和工藝條件不同，其硬度可在很大范圍（HV400MPa～1200MPa）內變化。鍍鉻層有較好的耐熱性，在500℃以下加熱，其光澤性、硬度均無明顯變化。鍍鉻層的摩擦系數小，特別是干摩擦系數，在所有的金屬中是最低的。所以鍍鉻層具有很好的耐磨性。鉻鍍層具有良好的化學穩定性，在堿、硫化物、硝酸和大多數有機酸中均不發生作用。在可見光范圍內，鉻的反射能力約為65%，介于銀（88%）和鎳（55%）之間，且因鉻不變色，使用時能長久保持其反射能力而優于銀和鎳。由于鍍鉻層具有上述優良的性能，可大大延長工件使用壽命。因此，活塞桿鍍鉻工序一直被廣泛應用至今。
　　電鍍廢水的產生主要分為電鍍前的前處理漂洗廢水和電鍍后的鍍后清洗廢水兩大類。對活塞桿鍍鉻而言，前處理漂洗廢水的主要污染物是pH、COD和石油類，無重金屬污染；鍍后清洗廢水的主要污染物是Cr6+和Cr3+，是造成重金屬污染的主要因素。
　　目前國內含鉻廢水基本是采用末端化學處理法，雖然可達標排放，但無法從源頭減少電鍍料液的用量和廢水的排放量。本次研究的總體思路是將電鍍后工件的“盆浴”改成“淋浴”，通過對工件采用“氣霧噴淋”后，用水量僅為原先的5%～8%。同時，由于洗下來的廢液中電鍍液元素較高，采用大氣蒸發濃縮裝置，使含鉻漂洗水濃縮后全部直接回用至電鍍槽，從而實現含鉻清洗水零排放，有效地避免了環境污染風險。除此之外，與傳統化學法相比最大的區別還在于不形成含鉻污泥和殘渣，避免了此類物質對環境和人類的危害。
　　含鉻廢水零排放是一項系統工作，涉及設備、工藝、管理等方方面面，需要進行全面分析和研究。筆者根據近幾年的鍍鉻生產技術改造和清潔生產審核工作實踐，結合國內電鍍行業技術管理水平現狀，試圖對活塞桿鍍鉻中含鉻廢水零排放的清潔生產措施進行一些研究和分析，通過系統實施污染預防的環境策略，力求改善活塞桿鍍鉻中尚普遍存在的粗放型加工方式，實現“節能、降耗、減污、增效”的預期目標。
　　1 活塞桿鍍鉻生產中含鉻廢水零排放的可行性分析
　　電鍍工業是我國重要的加工業，廣泛地分布在各行業中，經統計33.8%的電鍍企業分布在機械制造業、20.2%分布在輕工業、5%～10%分布在電子業，其余主要分布在航空、航天及儀器儀表業。
　　鍍鉻在電鍍工業中占有極其重要的地位，是電鍍單金屬中較為特殊的鍍層。鍍鉻層是帶有微藍的銀白色，具有較高的硬度和耐磨性能。對鋼鐵基體來說，鍍鉻層屬于陰極鍍層。由于金屬鉻有很強的鈍化能力，在空氣中很容易生成一層很薄的致密氧化膜，所以鍍鉻層有較好的耐蝕性，并顯示了貴金屬的特點。
　　鍍鉻的用途可分為裝飾性鍍鉻和鍍硬鉻兩大類。前者往住需要中間鍍層打底，鍍層薄，能使鍍層成為藍白色，外表美觀，起到裝飾作用，因而命名為裝飾性鍍鉻。后者鍍層較厚，具有較高的硬度，因其有良好的耐熱、耐磨和抗腐蝕性，常用來做耐磨鍍層和修復鍍層，稱為鍍硬鉻，被廣泛應用于工程機械、礦用機械、汽車減震器、自卸車舉升油缸以及液壓工具等諸多領域。本次研究主要針對活塞桿鍍鉻，屬鍍硬鉻（也稱“耐磨鉻”）。
　　根據《清潔生產標準電鍍行業》（HJ/T314-2006）及修改方案，對鍍硬鉻的清潔生產指標要求見表1；《電鍍行業清潔生產評價指標體系（試行）》表1中綜合類電鍍企業定量化評價指標體系對鍍硬鉻的的要求見下面的表2。
　　1.1 廢水減量的原則
　?。?）質量優先原則：保證產品質量是電鍍加工的根本所在，同時質量也是企業生存和發展的命脈。減少清洗水用量必須以保證產品質量為前提，否則會產生廢品，工件需要退鍍、重鍍，反而使廢水排放量增大，同時也會導致企業生產成本上升。
　　（2）源頭削減優先原則：廢水減量措施遵循循環經濟的“3R”原則（即減量化、再利用、資源化），在方案實施過程中要優先實施“減量化”方案，其次是“再利用”技術，最后才考慮“資源化”措施，例如含鉻廢水零排放方案必須基于鍍鉻槽上部氣霧噴淋、減少帶出液、大氣蒸發濃縮等源頭削減方案，同樣，鍍前漂洗廢水處理回用的基礎也是源頭削減措施。
　　1.2 含鉻廢水零排放的可行性分析
　　清洗廢水占鍍鉻廢水總量的絕大部分，而鍍后清洗廢水是造成重金屬污染的主要原因，清潔生產審核過程需要重點關注含鉻廢水的排放。
　　（1）工藝：依然采用傳統含氟鍍鉻工藝；未考慮槽液回用，鍍液帶出量大；鍍液濃度較高、粘性大，需要大量清洗水沖洗才能洗凈。
　?。?）設備：我國除了少部分正規專業鍍鉻廠擁有國際先進水平的工藝設施外，大多數中小型企業仍然使用陳舊簡陋的設備，以手工操作為主，敞開式沖洗的清洗方式仍較普遍，跑冒滴漏現象嚴重。
　　（3）鍍液回收：鍍槽頂部回收未設置回收噴頭，再加上手工生產出槽速度一般較快，帶出的液量較多；大多數中小型企業鍍鉻設備沒有回收槽，工件表面鍍液帶入清洗工序易造成清洗水用量增大；掛具設計不合理，致使聚集在工件內的鍍液回收困難，帶入清洗工序易造成清洗水用量增大。
　?。?）清洗水回用：受傳統“末端治理”觀念影響，企業關注廢水處理甚于廢水回用，企業大多采用開路式清洗水系統，雖然有部分回用，但大部分清洗水外排。
　　（5）用水管理：水費在企業成本中比例不高，間隙電鍍加工采用連續清洗方式，存在長流水現象；設備用水開關安裝位置不合理，員工需要中斷正常操作且花費較多時間才能關閉水龍頭，企業用水計量考核不到位。
　　2 活塞桿鍍鉻生產中含鉻廢水零排放的對策
　　2.1 工藝技術和過程改進
　?。?）采用高效鍍鉻工藝：高效鍍鉻工藝簡稱為HEEF（即High Efficiency Etch Free，意為高效率無侵蝕）工藝。高效鍍鉻液是在傳統鍍鉻溶液的基礎上，再加入一種或幾種有機添加劑并輔加少量的無機化合物，使其獲得優良的性能，其工藝特點表現為：具有較高的電流效率及沉積速度，陰極電流效率為22%～27%，較傳統鍍鉻液高出l倍，從而降低電能消耗；由于高效鍍鉻允許采用較高的電流密度，沉積速度可大幅度提高等。高效鍍鉻的工藝特點主要有：①鍍液中不含氟，故不侵蝕鍍件的低電流密度區。②鉻層的硬度高，HEEF-25的顯微硬度為HV900NPa～1000MPa。③耐磨性一般可提高20%，滑動摩擦系數減小25%。④鍍鉻層具有高的裂紋條，一般可達400條/cm，提高了鉻層的抗蝕能力和活塞桿的滑動性。⑤鍍液的分散能力優于傳統鍍鉻，可使用高電流密度（在70A/dm2以下）電鍍，一般不會產生鍍層燒焦及粗糙等現象。⑥傳統的鍍鉻工藝很容易轉化成高效鍍鉻工藝。只要保證鍍液中的金屬雜質低于7.5g/L、氟化物小于0.2g/L、氯離子不超過100mg/L，再加適量的添加劑即可（如表3）。
　?。?）改進過程控制：將人工操作改造為自動（或半自動）生產線，能有效減少廢水的跑、冒、滴、漏現象，避免人工操作引起的回收工序停留時間不足、人工沖洗導致用水浪費等不規范操作現象。
　　2.2 減少鍍液帶出量的措施
　　減少鍍件出槽時帶出的附著液量是減少污染和提高原材料利用率的重要環節，也是電鍍行業推進清潔生產的基本要求。
　?。?）降低鍍液粘度和濃度鍍件（活塞桿）從鍍槽中提出時，在其表面附著一層鍍液液膜，其附著量與鍍液的黏滯性有關。鍍液黏度和鍍液的濃度和溫度有關，在鍍槽上方兩側設置氣液噴頭，當活塞桿出槽是首先進行噴淋稀釋，降低鍍液粘度和濃度，然后再利用壓縮空氣向下吹風，迫使鍍液返回鍍槽。
　?。?）增設回收槽鍍槽后增設回收槽是必需的，這樣可以回收鍍液和降低含鉻廢水濃度，是電鍍行業常用的方法之一，具有簡單易行、投資少、效果好等優點。經過一級回收槽可以將工件表面40%～80%的帶出液清洗下來。當回收槽中液體含鉻濃度達50g/L左右時就要進行更換，更換下來的回收液經過“大氣蒸發器蒸發濃縮”全部回用到鍍槽。
　?。?）優化工件出槽時間優化工件出槽停留時間需要綜合考慮兩個因素：一是要盡量減少工件帶出液；二是要避免因此降低生產效率。根據經驗總結，活塞桿提出鍍槽12s，鍍液回流的效率最高，約50%以上，活塞桿（鍍件）停留17s后，回流效率顯著降低。因此，對于簡單結構活塞桿停留時間控制在5～8s，空心等較為復雜活塞桿控制在7～12s。
　?。?）改進掛具電鍍對掛具的要求是盡量簡單、平滑、不留淤存鍍液的死角。目前企業對掛具的設計不夠重視，不管活塞桿的形狀、特征、電鍍工藝要求，一般只用一兩種通用掛具，這對減少掛具的帶出量是極為不利的。在設計制作掛具時應注意盡量減小提干的直徑，否則要增加掛具表面積，相應增加掛具的帶出液量。同時盡可能少用通用掛具，推廣使用組合掛具，對于批量較大的產品應采用專用掛具，最大程度的減少掛具帶出液量。另外，要特別注意，掛具的絕緣部分要平滑，不能有裂縫和溝槽，不絕緣部分要及時作退鍍處理，防止帶出液積聚和黏附。
　　2.3 大氣蒸發閉路循環清洗工藝
　　鍍鉻廢水治理比較理想的方法是從工藝中閉路循環。主要是利用鍍鉻液工作時溫度較高（一般在58℃左右），鍍槽水分蒸發量較大，同時鍍硬鉻時間很長，因此，完全可以使蒸發用水和回用補充水達到平衡。由于鉻酸黏度大，容易造成鉻酸無法洗凈，為解決清洗方法，推薦采用氣液噴淋式逆流漂洗和逆流噴淋混合式多級清洗方法，一般情況下經回收槽后用3～4級漂洗就可滿足工藝要求。大氣蒸發器蒸發濃縮閉路循環處理含鉻廢水工藝流程。鍍鉻溶液對回用及清洗用水要求很高，為可防止鍍鉻液中金屬雜質濃度升高而影響鉻鍍層質量，回用流漂水必須采用純水或蒸餾水。
　　大氣蒸發器主要由熱交換器、蒸發器、氣液分離器、冷凝水箱、泵等設備組成，其優點主要有以下幾個方面。
　　（1）應用無沸點液體表面汽化技術制成的大氣濃縮器，蒸發溫度控制在50～55℃，同鍍鉻槽工作溫度接近，因此濃縮過程中不發生成份的化學變化，適用于稀鉻酸的直接濃縮。（2）蒸發濃縮過程中，不需化學藥品，濃縮液可回用于原生產系統中。達到閉路循環，節約原料，避免污染的目的。（3）整個工作過程不耗用冷卻水，不產生污泥廢渣。
　　2.4 強化環境管理
　　據經驗表明，強化管理能消減40%的污染物產生，是一項投資少而成效大的有效措施。因此許多企業提出了“靠管理求效益，靠技術求發展，靠質量求生存”的口號，說明管理對企業來講和技術同等重要，缺一不可。
　　工業污染源主要來自資源、能源的浪費，而實行清潔生產，通過節能降耗和綜合利用資源、能源，正是發展生產、保護環境的重大舉措。加強企業環境管理，弄清污染排放與生產過程的內在聯系，將有助于企業管理水平的提高、增長生產、降低物耗能耗、減少污染物和降低成本，從而實現經濟增長方式的根本改變。因此，加強環境管理，是建立現代企業制度的一項重要內容。具體措施主要有以下幾點：（1）安裝必要的監測儀器，加強計量監督。（2）加強鍍液維護管理，減少換槽次數和廢鍍液產生量。（3）加強設備維護、維修，杜絕跑、冒、滴、漏。（4）建立有環境考核指標的崗位責任制與管理制度。（5）完善可靠的統計和審核機制。（6）產品的全面質量管理；以降低次品率，減少產品退鍍和重鍍率。（7）改進清洗方法，節約用水。（8）加強人員培訓，提高員工素質。
　　2.5 應用實例
　　電鍍自動線一般按其結構特點、鍍件裝掛方式和鍍層種類來分類。按結構特點可分為直線式（程控行車式）自動線和環形（橢圓形、U形）自動線。針對活塞桿鍍鉻工藝一般確定選用直線門式行車電鍍自動線。
　　3 結語
　　實現清潔生產是一場工業革命，高度重視電鍍廢水減量的清潔生產是電鍍業改變粗放型加工的最有效、最現實的途徑之一。本次研究通過實施多項行之有效的節能、節水、節約原材料的新工藝和新技術，改末端治理為源頭和生產過程中消減污染物的產生量，實現了含鉻漂洗廢水的零排放。
　　考慮到鍍鉻過程中還存在操作時的跑、冒、滴、漏現象，在槽要設邊防濺擋板，在鍍鉻自動線四周設置防滲漏圍堰，以確保實現含鉻廢水不外排。
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