電鍍清潔生產技術及應用

黃貴新

(廣州市環境保護科學研究院，廣東　廣州　510620)

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電鍍清潔生產技術及應用

黃貴新

(廣州市環境保護科學研究院，廣東廣州510620)

電鍍行業因其高污染、高能耗廣泛引起我國社會各界的關注，其產生的污染物應按要求處理達標才能外排，但末端治理并不能徹底解決所有污染問題。本文從企業實施清潔生產的必要性入手，簡要介紹了我國電鍍工業清潔生產的技術途徑,結合企業推行清潔生產的實際，列舉了清潔生產典型技術案例，為在其它電鍍企業的推廣提供了參考依據,同時對電鍍行業清潔生產技術的未來發展進行了展望。

電鍍；清潔生產；廢水；有毒有害

改革開放三十多年來，伴隨我國經濟社會的快速發展，資源消耗和環境污染日益成為發展進程中不容忽視的嚴重問題。在當前社會轉型期，如何處理好環境問題日益成為各個行業和環保工作者思考和努力的重點。電鍍行業作為基礎工業必不可分的一個環節，廣泛應用于機械、儀器、輕工、軍工、裝飾等各個領域，對工業社會和經濟發展具有重要的貢獻作用[1]。電鍍，即一種通過化學或電化學方式在材料表面獲得具有保護、裝飾或功能性鍍層的一種表面處理技術，通過材料表面獲得鍍層來滿足不同行業或部門的需求和需要。但是，由于電鍍生產中工藝的特點而產生了不同程度的廢水、廢氣和固體廢棄物，造成了電鍍工業中不可避免的對環境產生一定的污染。電鍍廢水的特殊性和復雜性，如：含大量重金屬、劇毒氰化物等有害物質，一直是我國危害較大的污染源之一[2]。此外，電鍍生產過程中還會使用大量的酸類和堿類物質如硫酸、鹽酸、磷酸、硝酸和氫氧化鈉、碳酸鈉，產生大量的廢水。如何減少電鍍廢水及其中有毒有害物質的排放，是電鍍行業在環境保護方面面臨的主要問題。

電鍍企業實施清潔生產是解決這些問題的主要手段。清潔生產是將環境保護及能源方式持續地貫穿于生產過程、產品和服務中，以減少對人類和環境的風險性和危害性。對生產過程而言，清潔生產包括節約原材料和能源，淘汰有毒原材料并在全部排放物和廢物離開生產過程以前減少它的數量和毒性[3]。進行清生產審核，就必須有可靠的清潔生產技術作為支撐。

1　實施清潔生產的技術途徑

電鍍企業通過一定的技術改造后，才能實施清潔生產，這是目前行業內的普遍做法。技術改造必須要以生產線和生產工序為基本單元，通過系統科學的布局規劃，同時解決好四方面的問題：

1.1源頭削減污染，提高原料利用率

通過改進工藝和優化工藝參數，加強生產過程的質量控制，提高加工合格率，是降低物耗和能耗，減少廢棄物的最基本措施。采用無毒無害或低毒低害原料替代毒性大、危害重的原料。

傳統的六價鉻電鍍工藝由于其高污染性，電鍍工作者為了尋找其替代品做了大量的研究，三價鉻鍍鉻溶液中三價鉻離子的含量不足六價鉻鍍鉻中鉻離子的1/7，其毒性僅是六價鉻的1/100。因而三價鉻鍍鉻備受人們的青睞。目前對三價鉻鍍鉻方面已經取得了明顯的進展。三價鉻鍍鉻工藝采用硫酸鹽體系，不產生氯氣，不腐蝕設備。工藝安全，電鍍過程中不產生有毒的鉻酸霧。鍍液穩定，采用特制的涂層陽極，在電鍍過程中不溶解，使用壽命長，不產生沉渣[4]。

電鍍企業廢水中的污染物是鍍件從鍍槽(或其它鍍前、鍍后的處理槽)帶出的槽液中的物質，帶出物質的量與槽液的濃度成正比。為此，采用低濃度的槽液，可以節約資源、減少污染。20世紀70年代初，國內開展了鍍鋅低鉻酸印化上藝的研究，鉻酸的含量在5～10 g/L。1979年郵電部第十研究所又研究成功鍍鋅超低鉻酸彩色鈍化工藝，其鉻酸含量降低到2 g/L以下。低濃度鍍鉻于近年來使用開始逐漸增多，低濃度鉻酸鈍化我國已經問世30多年，得到了較大程度的應用[4]。

傳統電鍍工藝一般會使用化物氰化物，氰化物是一種劇毒物質。因此人們一直在探索無氰電鍍技術。近年來開發了一系列無氰電鍍技術，如酸性預鍍銅是無氰化的一項新工藝，該工藝適用于多種功能性和裝飾性電鍍的需要；鍍液覆蓋能力好，特別是對于鋼鐵管狀工件管壁內外覆蓋達到百分之百；鍍層結晶細致，半光亮，孔隙率低，防腐性能好；鍍液不含氰化物，也不含EDTA、甲醛，對人體和環境無害，廢水經過簡單處理即可達到排放標準，屬完全環保產品；該預鍍工藝既可掛鍍，又可滾鍍；后續工藝既可電鍍，又可化學鍍，均能達到相關技術指標[4]。

1.2廢物排放量的最小化

工業生產中物料不可能完全轉化，總會造成物料的流失和浪費，流失的原料排放至環境同時也會對環境造成危害。由于電鍍過程中原料的轉化利用率不可能達到100%，必定會有一定比例的未利用的原料進入廢水或廢氣中。在電鍍行業中，有些原料的利用率比較低，以污染物的形式排入到環境中占有較大比例。因此在生產過程提高原料的利用率從而減少污染物的排放是減少環境污染的另一個重要途徑。

對電鍍行業來說，盡可能實現電鍍廢水的零排放是治理電鍍廢水的最理想目標。但是電鍍廢水的零排放存在著兩大難題：一是雜質積累，可能會嚴重影響電鍍產品的質量；二是實現零排放必定增加設備投資，使企業負擔過重。因此由于技術條件和經濟條件的限制，目前還不能完全實現零排放。目前實現局部的閉路循環還是有可能的，如在電鍍生產過程中，鍍件清洗是必不可少的工序，逆流清洗不僅可以大大減少清洗用水量，同時也減輕了廢水治理的負擔。這樣就實現了局部的閉路循環[11]。

1.3做好末端治理

由于目前電鍍行業難以實現零排放，因而必定會排放污染物，因而必需對排放的污染物進行治理。因為電鍍廢水成份復雜，針對廢水中的不同污染物必須采用不同的處理技術和方法，因而必須對廢水實現清污分流，污污分流，以便對廢水進行有針對性的分類處理，降低廢水處理的難度，同時也可為中水回用創造條件。通過有效的治理措施，可以確保污染物濃度穩定達標排放；末端治理方法必須要處理效果好、操作管理方便、運行成本低。針對電鍍行業污染傳統的末端治理采用的多為化學處理法，近年來電解法、電滲析、離子交換法、反滲透法等逐漸興起并日趨成熟。如：離子交換法對鍍鉻電鍍漂洗水的處理；納濾和反滲透技術在來自電鍍產生的廢水中高濃度金屬鹽和水的回收與回用；電滲析技術對鍍鎘廢水的應用；靜電屏蔽電滲析去除電鍍漂洗水中的鎳；廢酵母做吸附劑在適當條件下對電鍍廢水中鎘的去處等[5]。

1.4加強生產過程控制和管理

我國電鍍行業許多工廠設備陳舊，工業技術和管理落后。許多電鍍廠各工序原料的加入量和用水量都是人工憑經驗控制，隨意性較大，加上“跑、冒、滴、漏”，使用水量和原材料浪費增加。清潔生產可以從企業生產過程的管理入手，使企業做到清潔生產的全過程控制，如通過增設回收槽、增加逆流漂洗槽、增加鍍件懸掛時間、加強管理減少跑冒滴漏等方法提高原材料的利用率，降低污染物的排放。

2　電鍍工業典型清潔生產案例

2.1鎳水在線回用

2.1.1方案內容

2.1.1.1方案產生原因

生產過程中產生的含鎳廢水量較大，處理難度大，毒性強，沒有單獨處理，廢水處理站的處理負荷較大，為提高清潔生產水平，降低水資源消耗，節約用水，節約鎳槽藥水的購買費用，提高水循環利用效率，實現鎳水的在線回用。

2.1.1.2方案內容

將含鎳廢水獨立分流，通過中水回用系統，采用反滲透(RO)系統處理后，使水質電導率小于100 μS/cm，重新回用到生產中，而產生的濃水回用到鍍鎳槽，節約新鮮水消耗、節約藥劑費用，同時降低廢水站處理負荷和廢水排放量。

2.1.2技術評估

RO裝置在水質分離過程中沒有相變，脫鹽率高，設備體積小，自控運行，使用性強，應用范圍廣，無環境污染等特點，鎳水在線回收系統采用反滲透除鹽系統，去除水中絕大部分離子、微粒、有機物等，使其水質達到預期標準。該設備已廣泛運用于生產中，設備運行正常，效益明顯，故該方案在技術上是可行的。

2.1.3環境評估

方案實施后，減少廢水排放量12286 t/a，通過RO膜處理的含鎳廢水的清水回用于生產線上，濃水進入生產線，減少企業的廢水排放量，進而減輕了對環境污染，特別是對水體的污染負荷做出了貢獻。將濃水直接回用至鍍鎳槽中，從而主要減少了硫酸鎳和氯化鎳的排放量0.674 t/a。

2.1.4經濟評估

方案的經濟可行性分析從投資、運行成本、生產效率、經濟數據計算等四個方面進行評價。

2.1.4.1投資

本方案投資55萬元，用于購買及安裝設備。

2.1.4.2運行藥劑費用

藥劑費用估算如表1所示。

表1　藥劑費用估算Table 1　Reagent cost estimation

則投入藥劑費用為：12286 t×1.97元/t=2.42 萬元/a。

2.1.4.3運行電費

按照每天10 h工作時間計算，則回用水處理的耗電成本1.5 kW×10 h/d×300 h/a=4500 kW·h，故運行電費為：4500 kW·h×0.9元/a=0.405萬元/a。

2.1.4.4節約水費

方案實施后，每年節約水費約為12286 t，按每噸自來水1.58元計算，節約水費：12286 t×1.58元/t=1.941萬元/a。

2.1.4.5節約廢水處理費用

由廢水支出費用統計，每噸廢水處理費用為18.0元/t，減少廢水處理約12286 t，故節約廢水處理費為：

12286 t×18元/t=22.115萬元/a

2.1.4.6節約鍍槽藥劑費用

將濃水直接回用至鍍鎳槽中，從而主要減少了硫酸鎳和氯化鎳的藥劑購買費用，節約藥劑量約為674 kg，藥劑的單價約為31元/kg，節約藥劑費用大約為：674 kg×31元/kg=2.089萬元/a。

2.1.4.7年總節省費用評估

由此可見，該方案實施后，節約金額為：1.941萬元/a+22.115萬元/a+2.089萬元/a-2.42萬元/a-0.405萬元/a=23.32萬元/a

2.1.4.8經濟評估數據匯總

以貼現率8%，各項應納稅總和17%，折舊年限10年，行業基準收益率15%計算，經濟評估結果見表2。

表2　經濟評估數據匯總Table 2　Economic evaluation data summary

由表2可知，投資償還期<基準年限，凈現值>0，內部收益率>基準收益率。此方案從經濟角度是可行的。

2.2中水回用

2.2.1方案內容

2.2.1.1方案產生原因

生產過程中產生的廢水量較大，種類各異，廢水處理站的處理負荷較大，為提高清潔生產水平，降低水資源消耗，節約用水，減少廢水排放，提高水循環利用率，提出該方案。

2.2.1.2方案內容

將達標處理后的廢水深度處理后，再經過多次過濾系統即可達到進入超濾系統的水質要求，經處理后的水回用至生產中，進而減少新水使用量，提高水循環利用率，減少廢水及其污染物排放。

本系統根據功能可分為兩個分系統，即預處理系統、超濾系統。預處理系統包括原水箱、水泵、多介質過濾器、袋式過濾器等，用于去除水中的懸浮物、膠體、脫氯等，為后續的脫鹽處理提供條件；超濾系統包括0.02～0.1 μm間的過濾膜等，能脫除水中98%以上的鹽分。

2.2.2技術評估

滲透技術是當今先進和節能有效的膜分離技術。超濾是一種與膜孔徑大小相關的篩分過程，以膜兩側的壓力差為驅動力，以超濾膜為過濾介質，在一定壓力下，當原水流過膜表面時，超濾膜表面密布的許多細小微孔只允許水及小分子物質通過而成為透過液，而原水中體積大于膜表面微孔的物質則被截留在膜的進水側，成為濃水，因而實現對原水凈化、達到分離和濃縮的目的。超濾膜的分離具有以下幾個顯著特征：

(1)在常溫下和低壓下進行分離，因而能耗低，從而降低設備的運行費用。

(2)切割分子量為10萬Da，分離孔徑約為25 nm，過濾精度遠高于傳統過濾，可全部去除大于0.1 μm的膠體和顆粒物。而機械過濾器只去除水中的沙子、泥巴、鐵銹等懸浮物及部分膠體雜質。

(3)受原水水質波動影響小，出水水質穩定。

(4)設備體積小、結構簡單、投資費用低。

(5)超濾分離過程只是簡單的加壓輸送液體，工藝流程簡單，易于操作管理。

(6)超濾膜是由高分子材料制成的均勻連續體，純物理方法過濾，物質在分離過程中不發生質的變化，并且在使用過程中不會有任何雜質脫落，保持超濾液的純凈。

近30年來，反滲透、電滲析，超濾和膜過濾已進入工業應用，發展很快，在半導體、集成電路制造工藝中、食品、醫藥工業中，廣泛應用于電子行業用水、化工原料用水、醫療衛生用水、食品飲料用水、軟化水、工業超純水等行業中。目前，此類超濾系統現在已很成熟，應用也很廣泛。因此，此方案在技術上是可行的。

2.2.3環境評估

該方案實施后，能夠削減廢水排放量及削減廢水污染物排放量：

年削減廢水排放量=審核前年廢水排放量×60%

=43659 t×60%=26195 t

2.2.4經濟評估

方案的經濟可行性分析從投資、運行成本、生產效率、經濟數據計算等四個方面進行評價。

2.2.4.1投資

總投資20.00萬元，用于購買設備及安裝設備人工費。

2.2.4.2經濟效益評估

(1)藥劑費用估算

表3　藥劑費用估算Table 3　Reagent cost estimation

(2)運行費用：

按照每天20 h工作時間計算，則回用水處理的耗電成本1.5元/t，綜合以上費用，則總運行費用為：3.04+1.5=4.54元/t，故運行費用為：

4.54元/t×26195 t=11.89萬元/a

(3)節約水費：

方案實施后，每年節約水費約為26195 t，按每噸自來水3元計算，節約水費：

26195 t×3元/t=7.86萬元/a

(4)節約廢水處理費用

由企業領導統計得出，每噸廢水處理費用為8.0元/t，減少廢水處理26195 t，故節約廢水處理費為：

26195 t×8元/t=20.96萬元/a

(5)年總節省費用評估

由此可見，該方案實施后，節約金額為:

20.96+7.86-11.89=16.93萬元/a

2.2.4.3經濟評估數據匯總

以貼現率8%，各項應納稅總和17%，折舊年限10年，行業基準收益率15%計算，經濟評估結果見表4。

表4　經濟評估數據匯總Table 4　Economic evaluation data summary

由表4可知，投資償還期<基準年限，凈現值>0，內部收益率>基準收益率(15%)。此方案從經濟角度是可行的。

2.3增加鉻霧回收系統

2.3.1方案內容

2.3.1.1方案產生原因

鍍鉻過程中鉻霧產生量較大，收集處理后排入大氣中，處理后的廢水排入污水處理站進行處理，廢水含鉻濃度較高，增加了末端處理的負荷，同時浪費了大量的鉻酐。

方案內容：對鉻霧進行回收，提高鉻酐的利用率，同時減少末端處理的壓力。鉻酸具有比重較大且易于凝聚的特點，不同顆粒的鉻霧滴懸浮在流動的空氣中互相碰撞而凝聚成較大的顆粒。不含有鉻酸顆粒的空氣進入凈化器的下箱體和主箱體時，由于空氣過度的降低，已凝聚的較大鉻酸顆粒便在重力的作用下從空氣中分離出來。當鉻酸廢氣經過濾器的網格，由于通過曲折狹窄的通道，從而提高了互相碰撞的機會使之更容易凝聚，由于動力作用和吸附作用，使較小的鉻酸顆粒結成較大的液滴而沿網格降落下來。從空氣中分離出來鉻酸最后沿著排液管道流入集液箱中，凈化了的空氣從上箱體排出，回收下來的鉻酸液可直接用于生產。

2.3.2技術評估

(1)鉻霧回收裝置的工藝說明

廢氣由風機引出后，首先進入鉻霧回收器。鉻霧回收器回收鉻霧的作用是通過填料對鉻霧霧滴的阻留來實現的填料層的阻留作用是十分復雜的綜合效應，它包括慣性碰撞，布朗擴散，靜電效應等等。在凝聚過程中包含著霧滴生長沉降和霧滴的捕集二個步驟：

①霧滴的生長霧滴由于高度分散，表面能高其具有自發結為大滴狀，縮小表面積而使表面能降低的趨勢。這種霧滴逐浙變大稱之為生長過程。由于液滴的長大，極易被填料所阻留。

②霧滴的沉降不斷生長變大的氣膠霧滴。最后聚集成較大的液珠，由于自身的重力及克服上升氣流的浮力而不斷向下降落，霧滴在沉降過程中又不斷吸附捕捉集上升氣流中帶出的小霧滴，這樣沉降的霧滴繼續變大如雨滴的形成，越變越大，最后降落到鍍液中。

(2)鉻霧回收裝置的優點

①凈化效果好；

②占地小，對建筑結構承載力的要求不高，可置于廠房鋼筋砼屋面上；

③能耗低，凈化塔置于風機正前端，經凈化后的煙氣經煙管排空，風管短，阻力小；

④設備壽命長，整個系統僅凈化器處于氣液兩相接觸狀態中，且凈化器內部做防腐處理；

⑤由于系統簡潔，設備少，耐腐蝕，自動化程度高，使整個系統操作、維護都十分方便。

方案實施后，整個過程為自動控制，只需對回收鉻霧進行定期檢測，在國內外應用非常成熟，故這個方案在技術上是可行的。

2.3.3環境評估

方案實施后，根據實測數據，每天減少鉻霧的損失量為56.8 kg/月，每年減少鉻霧損失量為681.6 kg/a。方案實施后由于鉻霧的處理量減少，使得廢水量減少，減少廢水排放量150 t/a，減少企業的廢水排放量，進而減輕了對環境污染，特別是對水體的污染負荷做出了貢獻。由于廢水的減少使得廢水排放量減少，而廢水的處理能達到的濃度基本一致，使得其它指標的排放量也相應的減少。

2.3.4經濟評估

方案的經濟可行性分析從投資、運行成本、生產效率、經濟數據計算等四個方面進行評價。

2.3.4.1投資

本方案投資18萬元，其中包括設備購買及設備安裝費用。

2.3.4.2節約鉻酐購買費用

方案實施后每個月節約鉻酐的量為96.7 kg，每年節約鉻酐的量為1860.4 kg，鉻酐的單價按23元/kg，節約鉻酐購買費用約為：

23元/kg×1860.4 kg=42789.2元/a

2.3.4.3節約處理藥劑購買費用

方案實施后減少了亞硫酸氫鈉的藥劑量約為150 kg/a，亞硫酸氫鈉按單價為3.3元/kg，節約亞硫酸氫鈉購買費用為：

3.3元/kg×150 kg/a=495元/a

2.3.4.4節約水費

方案實施后每天節約自來水量為0.4噸，故每年節約自來水使用量0.4 t/d×300 d=120 t，自來水的單價為2.85元/t，節約自來水購買費用為：

2.85元/t×120 t=342元/a

2.3.4.5節約廢水處理費用

方案實施后每年減少廢水處理量120 t，廢水處理的單價為18元/t，減少廢水處理費用為：

18元/t×120 t=2160元/a

2.3.4.6年總節省費用評估

由此可見，該方案實施后，節約金額為:

(42789.2+495+342+2160)元/a=4.58萬元/a

2.3.4.7經濟評估數據匯總

以貼現率8%，各項應納稅總和17%，折舊年限10年，行業基準收益率15%計算，經濟評估結果見表5。

表5　經濟評估數據匯總Table 5　Economic evaluation data summary

由表5可知，投資償還期<基準年限，凈現值>0，內部收益率>基準收益率。此方案從經濟角度是可行的。

3　電鍍清潔生產展望

《清潔生產審核辦法》第八條第三款規定，使用有毒有害原料進行生產或者在生產中排放有毒有害物質的，應當實施強制性清潔生產審核。且第八條第(三)款規定實施強制性清潔生產審核的企業，兩次清潔生產審核的間隔時間不得超過五年。因電鍍企業所使用的原輔料中會含有重金屬、氰化物等有毒有害原材料，因而需要進行強制性清潔生產審核。從《清潔生產審核辦法》中可以看出，在國家政策層面，保證了在電鍍行業推行清潔生產審核力度。同時國家和地方政府支持和鼓勵科研機構和企業不斷創新以開發和完善相應的清潔生產技術，更多的先進清潔生產技術將會被開發并應用到企業的實際生產中去。此外，隨著企業節能減排意識的增強，企業也會主動地采用清潔生產技術,因而電鍍清潔生產一定能夠取得很大發展，使我們的生存環境、產品質量、經濟效益取得全面進步，從而體現出電鍍行業的經濟效益、環境效益和社會效益的統一，實現電鍍行業的可持續發展。

[1]邢文長.中國電鍍與清潔生產前沿技術[J].電鍍與精飾,2006(04):32-37.

[2]朱靜靜.清潔生產在電鍍行業中的應用[D].杭州:浙江大學,2008.

[3]企業清潔生產審計手冊[M].北京:中國環境科學出版社,1996.

[4]廣東省電鍍行業清潔生產審核技術指南[Z].廣東省環境保護廳,2013.

[5]魏立安,張秋根.論電鍍清潔生產評價[J].表面技術,2002(06):58-61.

General Situation and Outlooks of Electroplating Cleaner Production Technology

HUANGGui-xin

(Guangzhou Environmental Protection Science Research Institute, Guangdong Guangzhou 510620, China)

Electroplating industry has aroused widespread attention of the society from all walks of life in our country due to its high pollution and high energy consumption. The produced pollutants should be treated to reach the standard before emission, but the end-of-pipe treatment couldn’t solve all the problems thoroughly. From the perspective of the concept and necessity of cleaner production technology, the basic situation and development trend of the cleaner production of electroplating industry in our country were briefly introduced, the technical approach and know-how of cleaner production were studied, and the problems and solutions in present production of electroplating industry were discussed. Meanwhile, it made a prospect to the future development of the technology of cleaner production in electroplating industry.

electroplating; cleaner production; sustainable development; problem analysis

黃貴新(1964-),男，本科，主要從事環境技術管理與節能減排技術服務工作。

X383

A

1001-9677(2016)015-0144-05