采用覆膜砂鑄造工藝的廢氣治理方案

王前進，劉楠楠

（中國汽車工業工程有限公司，天津 300113）

眾所周知，環境污染和環保問題一直是鑄造行業面臨的難題，在鑄造車間的各個生產環節都伴隨著污染物的產生，主要的大氣污染物包括以下幾大類：粉塵、VOCs、NH3、三乙胺等。對于使用覆膜砂的熱芯盒、殼型等含有有機粘結劑的鑄造生產工藝，在制芯、制殼及后續的澆注過程中，會揮發和裂解大量的NH3和VOCs（包括甲醛、酚類等）。氨氣對人類的呼吸道黏膜有比較強的刺激作用，嚴重情況下會導致各種呼吸道疾病。甲醛對人類的呼吸道黏膜也有較強的刺激作用，長期吸入也會誘發呼吸道炎癥[1]。由此可見，采用覆膜砂鑄造工藝的生產過程中產生的廢氣不僅是污染環境的問題，也嚴重損害人的身體健康。同時，不友好的作業環境也會進一步導致車間現場操作工人的大量流失，降低生產效率，大大提高了企業的運行成本。

1 廢氣來源

覆膜砂主要由以下成分組成：熱塑性酚醛樹脂、原砂、固化劑和添加劑等。覆膜砂加熱后固化成型的基本原理為：覆膜砂受熱后，高溫使砂粒表面包覆的樹脂膜熔融，覆膜砂表層的熱塑性樹脂在由線性結構轉變為體型時，需要補充分子之間的聯結基團，通常情況下需加入固化劑烏洛托品，在固化劑分解出的亞甲基作用下，熔融樹脂的分子結構由線性結構快速轉化為不熔融的體型結構，進而使覆膜砂固化成型。

目前鑄造行業內使用較為廣泛的覆膜砂固化劑為烏洛托品（六亞甲基四氨）。烏洛托品是由甲醛和氨在堿性溶液中反應進行制備的。反應式如下：

6CH2O＋4NH3→（CH2）6N4＋6H2O

烏洛托品在空氣中貯存性質安定，加熱到100℃以上時，有少量的分解，長時間的加熱之后（40小時之內）可以揮發分解約五分之一，當溫度達到230℃以上時，開始加速升華，并大量分解。所以，覆膜砂在加熱固化和澆注的過程中，會向作業環境中揮發出大量的氨和甲醛等有害物質。

2 面臨現狀

2017年之前，多數中小型鑄造企業因為迫于成本壓力或者總體環境下的環保意識淡薄，對這部分的廢氣處理不夠重視，往往不經過任何措施，直接排放于室外，對環境造成了一定的影響。2017年以來，國內環保政策趨嚴，中央環保督察持續發力，目前已經實現對全國31個省份的全覆蓋，兩年來已有逾萬人被問責，而鑄造企業作為高污染企業，是環保整治的重點關注對象。

2017年，中國鑄造協會最新發布了關于廢氣排放的協會標準：《鑄造行業大氣污染物排放限值(T/CFA030802-2--2017)》，其中也規定了鑄造車間各工部的VOCs的排放限值不能超過50mg/m3。

因此，做好廢氣治理的工作對企業來說是非常重要的工作，如何做好環保工作對企業來說無疑是巨大的挑戰，同時也是企業發展的巨大機遇。

3 治理方案

采用覆膜砂制芯、制殼模等生產過程中產生的廢氣濃度較低、產氣量大、不連續，這些特點導致煙氣的治理工作比較困難。為了能夠對廢氣進行有效的集中收集、處理以及排放，我們可以根據車間內不同排廢區域的具體情況，有針對性的設置全封閉的室體或者半封閉+軟擋簾的室體，將排廢區域與車間其他區域分離，并配備相應的排風系統，室體上方設置頂吸式抽風罩，發氣量較大的部位可以單獨設置側吸式抽風罩，同時在各操作工位設置送新風系統以改善操作工人的工作環境。廢氣經過集中收集、處理及排放后將大大改善車間內整體環境。

經過集中收集后的廢氣，需要進一步處理后才能完成達標排放。目前行業內采用較多的處理方案主要有以下幾種。

3.1 吸附法

吸附法是目前處理VOCs廢氣的常見方法之一，比較適用于處理低濃度的VOCs廢氣。吸附法是利用具有多孔性的吸附材料對周圍有機廢氣的各種組份進行吸附從而達到使廢氣成分與排放氣體分離的目的，相對于其他方法，吸附法具有以下優點：吸附效率高、無二次污染、能耗小、操作簡單等。吸附介質是吸附法發揮作用的關鍵，通常需要具備以下特點：微孔結構豐富、比表面積大、吸附容量大、易脫附再生、耐酸堿冷熱及高壓等。常用的吸附劑包括以下幾種：活性炭、活性炭纖維、沸石分子篩和氧化鋁等。活性炭是一種炭質的多孔性吸附材料，相對其他吸附劑來說，活性炭基本具備以上所有吸附介質的特點，對VOCs類的吸附非常有效。且活性炭原料來源廣泛，制備工藝簡單、成本較低，易脫附再生，因此，活性炭是在VOCs廢氣治理中應用比較廣泛的吸附介質[2]。活性炭應用的缺點是：活性炭會隨著吸附過程的進行慢慢飽和，同時其吸附能力也會隨著已吸附有機廢氣的增多而下降，且其吸附飽和后需要更換以進行脫附再生；同時，活性炭對于NH3的吸附能力有限，因為普通的活性炭只容易吸附非極性物質，而NH3極性較強，比較難以吸附。活性炭纖維是在活性炭基礎之上研發，與傳統的活性炭相比，具有獨特的化學結構和物理結構，含碳量較高、比表面積更大、微孔分布更多、吸附容量也較普通活性炭更大，平均每一克的活性炭纖維在常溫下可以吸附0.2g～0.25g的有機物[3]，活性炭纖維在實際應用中也日益廣泛。

3.2 低溫等離子技術

低溫等離子技術是基于物理、電子學和化學等多學科的新興技術，其基本原理是通過等離子反應器中的導電介質在電極周圍形成一個高濃度聚集的等離子體區，其中包含了大量的高度離子化的粒子，這些粒子具有粉碎VOCs組織內的有機分子鏈的能量，裂解有害氣體的化學鍵能，破壞廢氣分子結構，使其在短時間之內進行分解并后續產生各種連鎖反應，以達到去除廢氣的目的[4]。低溫等離子體技術對VOCs等廢氣的治理效果較好，對NH3也可以有效降解[5]，處理效率較高、工藝操作簡單且產生的二次污染少，同時該技術也有部分制約因素：易產生火花放電，存在危險性；對設備的架構設計和制造精度要求比較高等。

3.3 光氧催化技術

光催化氧化技術在環境治理領域，包括污水處理、空氣治理和保潔除菌等多方面都有大量的應用，其基本原理是：催化劑在一定波長的光照條件下，可以激活催化劑的光催化活性，使吸附在其表面的VOCs和氨發生氧化反應，最終將其氧化為二氧化碳和水及其他無機小分子。目前應用的光催化劑大多數為半導體材料，常見的有TiO2、ZnO等十余種，其中的TiO2相較其他幾種光催化劑，具有更好的光穩定性，使用壽命長，價格比較合理，應用較為廣泛。同時，TiO2負載到活性炭、有機纖維、硅藻土等復合光催化材料的催化性能也被廣泛研究[5][7]。光催化氧化技術的降解過程中沒有二次污染且反應過程比較容易控制，相信隨著科學技術的逐漸成熟，光催化氧化技術會在治理廢氣的應用中越來越廣泛。

3.4 植物提取液霧化處理技術

天然植物提取液是從特定的植物根莖葉中萃取的汁液，經過專業的配方制備而成的植物除臭劑，其物理化學性質穩定，無毒無危害，可被自然界中生物完全降解，與廢氣分子反應以后不會產生有毒的副產物，無二次污染。植物提取液與廢氣污染物成分的反應原理主要包括[8]：催化氧化反應、酸堿反應、吸附與溶解、脂化反應等，可有效對各種污染氣體同時進行治理。

在實際應用當中，天然植物提取原液通過專用設備按實際需求稀釋到一定比例后，利用專用的霧化設備將稀釋后的提取液進行霧化，用適當數量的噴嘴將其噴灑于需要處理廢氣的位置，使之與廢氣的進行中和分解反應。使用過程中，可以根據實際廢氣排放量和濃度，適當調節原液的稀釋比例以及噴頭的數量及位置，有針對性的對VOCs和氨氣進行治理。目前利用天然植物提取液的廢氣治理技術在國內外的應用也日益廣泛。

4 展望

在當前嚴峻的環保形勢下，國內的環保法規日漸嚴格，人們的環保意識不斷增強，廢氣的治理工作更是刻不容緩。隨著科學技術的快速發展，廢氣治理技術水平也會隨之不斷的提高，相對于單一的處理方式，多種廢氣治理技術的并聯應用，也可以進一步提高廢氣治理的凈化效果。同時，從源頭上減少廢氣的排放，開發及使用環保型低氨覆膜砂和無機砂也是我們探索的方向。

“綠水青山就是金山銀山”，生態環境的保護需要我們將其擺放在更重要的位置，建設美麗中國，實現綠色鑄造，不僅需要黨和政府的領導，更需要我們行業共同的努力。

[1] 宋東方，張大偉，王文富，等.探討有機廢氣的處理［J］.科技世界，2012，9（25）：305-306.

[2] 許偉，劉軍利，孫康.活性炭吸附法在揮發性有機物治理中的應用研究進展［J］.化工進展，2017，35（4）：1223-1229.

[3] 劉松華，周靜.光氧催化+活性炭吸附工藝應用于含異味有機廢氣的處理［J］.污染防治技術，2015，28（2）：37-38.

[4] 張貴劍，李凱，林強，等.低溫等離子體技術脫除大氣污染物的研究進展［J］.材料導報，2015，29（1）：137-142.

[5] 李國平，胡志軍，李建軍，等.低溫等離子體氧化氨氣影響因素及動力學研究［J］.環境工程學報，2014，8（7）：2963-2968.

[6] 究湯斌，張慶慶.一種新的二氧化鈦負載膜的制備及其光催化特性研[J].安徽工程科技學院學報，2005，2(20)：1-3.

[7] 王娟，魯立強，沈翔，等.硫摻雜二氧化鈦負載硅藻土復合光催化劑光降解苯酚的研究[J].材料導報，2011，5(25)：110-114.

[8] 袁為嶺，黃傳榮.植物提取液處理惡臭氣體的研究進展［J］.化工環保，2005，25（6）：441-445.