表面涂裝工藝中揮發性有機物污染防治措施分析

崔少杰，于鴿方，閆和剛

（1.青島市生態環境局平度分局，山東 青島 266700；2.青島市生態環境局即墨分局，山東 青島 266700）

0 引言

VOCs屬于有機化合物，在常溫常壓的條件下，其飽和蒸氣壓超過133.32 Pa，沸點在50～260℃，并具備揮發性。國內年均VOCs排放量約為1200萬t，由此產生的經濟損失達10余億元。因此，探究VOCs的防治措施，具有實踐意義。

1 VOCs簡介

VOCs存在于空氣中，是一種成分比較復雜的有機污染物總稱，包含非甲烷烴類、多環芳烴以及鹵代烴等物質。留存于空氣中的VOCs主要是其他類別大氣氧化劑以及臭氧等的前體物，其中諸多化合物都有刺激性及毒性等特點，對人體會有較大的傷害，而且VOCs也是光化學污染和霧霾的重要前體物，因此在表面涂裝領域中，VOCs成為關鍵的污染防治對象。當前大多數企業已經意識到防治VOCs的必要性，但在實踐操作期間卻未能真正付諸行動，導致VOCs管控成效一直無法提高。

2 表面涂裝工藝中的VOCs

表面涂裝行業包含主營涂裝的企業與生產設施涉及涂裝業務的公司，而涂裝工藝的實際涵蓋業務較多，包含通用設備制造、汽車配件、電氣機械等項目，因此，表面涂裝工藝涉及的行業范圍較廣。

2.1 產生環節

實際涂裝采取的作業方法包括噴涂、刷涂及輥涂等，其中噴涂應用較多。在噴涂處理中，操作人員需使用噴槍，可選擇的工具類型有高壓無氣、手提式靜音、空氣、空氣輔助式4類噴槍。由于工具差異，涂裝技術則分成相應的無氣、靜音、空氣及輔氣4種。目前比較傳統的涂裝處理流程是：預處理、噴底漆與面漆、烘干，其中涂料噴涂及固化是產生污染的主要環節。通常情況下，噴涂部分形成有機溶劑的揮發量以及固化環節中形成的揮發量，在整個涂裝工藝產生的污染物含量中各占50%。

2.2 產生特點

（1）表面涂裝揮發出來的VOCs和選用的涂料有較大的關系。涂裝施工中釋放的VOCs，實際上是由涂料自身以及各類有機溶劑產生的，所以涂裝期間形成的VOCs和涂料、有機溶劑內的有機物成分基本一致。根據既有研究成果，木器涂裝施工時，水性、油性以及溶劑類涂料中VOCs含量大約在9.88%、18.02%以及37.28%。因此在涂裝范圍大小一致的情況下，油性涂料釋放的VOCs相較于水性涂料更多。

（2）表面涂裝期間產生的VOCs和采取的工藝有關。在眾多處理方式中，噴涂產生的VOCs污染更加嚴重，其中，空氣噴涂與無氣噴涂產生的VOCs更多，靜音噴涂和輔氣噴涂產生的VOCs偏少。

（3）VOCs污染程度和車間密閉程度、有機廢氣的最終治理舉措有較大聯系。其中，作業車間密閉程度關系到廢氣收集效果，當前部分涂裝車間的結構為完全開放或半密閉，這樣會導致噴涂工藝關聯的設施工具布局比較分散。個別企業甚至僅在污染集中度高、危害性大的噴涂與烘干環節設置廢氣收集與處理設施，在其他污染偏小的環節，則任由廢氣隨意擴散，因此導致廢氣回收數量有限。

2.3 影響危害

若室內的VOCs濃度偏高，會提高人體急性中毒的概率，輕則出現胃腸道反應、頭暈與咳嗽，重則直接引起肝中毒，甚至會使人在短時間內陷入無意識昏迷，威脅生命安全。另外，如果長期生活在有VOCs污染的空間內，還會出現慢性中毒，導致人體臟器及神經系統受損，容易感到無力、皮膚發癢、瞌睡等，有的人還會有性功能減退及內分泌紊亂等癥狀。VOCs中的苯類成分還會影響人體系統功能，提高白血病等的發病率。

3 VOCs污染的防治舉措分析

3.1 常用處理工藝

（1）光催化處理。表面涂裝實踐工作中產生的廢氣與煙霧存在成分復雜、徹底處理難度高、產生量多、擴散速度快等特征，如果不加以處理就直接排到大氣中，勢必會造成空氣污染。在利用光催化進行廢氣處理的過程中，主要是借助紫外線分解分子，使污染物迅速氧化，以此達到凈化廢氣的效果[1]。

（2）燃燒處理工藝。在此項處理技術下，可以把VOCs污染物轉化成水與二氧化碳。具體的燃燒方法有熱力燃燒、直接燃燒、催化燃燒，其中，熱力燃燒是利用天然氣等燃料實現的，主要用于處理濃度不高的有機廢氣；直接燃燒是利用高溫環境燃燒VOCs廢氣，其適用于相對高濃度與高熱值的廢氣處理；催化燃燒則需利用催化劑發生反應。在充分燃燒的前提下，無害氣體會將有害氣體分解，并產生較多的熱量。如今，國內燃燒處理方法已經比較成熟，在實際處理過程中，有機廢氣經過預處理，會過濾掉攜帶的部分粉塵及顆粒物，隨后利用風機提供的動力，讓廢氣通過活性炭吸附裝置，完成吸附處理。在活性炭的吸附水平處于飽和狀態時，可調節閥門，改成催化脫附。其中，活性炭吸附與脫附環節的設備支持不間斷處理，備用吸附設備運轉時，飽和吸附箱開始脫附處理，隨后活性炭箱則作為備用裝置。通過活性炭脫附后的氣體流量偏低，但有害成分濃度高，通過風機轉移到換熱裝置處以及預熱裝置處。通過加熱使廢氣溫度持續處于200～300℃，而后催化燃燒床就可以開始工作。廢氣通過上述一系列的處理后，還會釋放較多的熱量。其中高溫廢氣是在通過燃燒裝置以前沒有經過處理的有機氣體，在氣體溫度持續提高的過程中，其由換熱裝置輸出氣體經過新風入口，可加熱脫附空氣。當機組換熱裝置處于正常運行狀態時，適時關閉電加熱器，從而降低能耗。通過上述環節處理后的氣體，能夠直接排放。

（3）吸附處理工藝。吸附處理工藝適合濃度偏小的凈化處理任務，比較常見的處理方法是氣體凈化，這也是如今國內工業生產中VOCs的主要防治方法之一?；钚蕴坑捎谧陨斫Y構的特殊性，被大范圍運用到吸附回收工作中。如今有關活性炭吸附的研究一般是材料改性、有機物對吸附效果的干擾兩個方面。例如，某表面涂裝公司選擇通過活性炭吸附解決VOCs污染問題，其中，蜂窩式活性炭使用量為0.9 m3，并準備了約3個活性炭架，在處理現場設定風量為10 500～20 000 m3/h。而配備的處理機組進口處濃度約為30 mg/m3；出口處濃度不足6 mg/m3，整體處理效率超過80%。在吸附處理中，不會出現二次污染，并且設備機器成本低，運行較為穩定，且支持吸附混合類氣體，但其中的主要材料（如活性炭）更換頻率較高，所以需要在運送、裝載等環節投入較多的成本[2]。

（4）組合式處理。如今，在排放量高、廢氣成分多樣化的工業活動中，如果僅使用一種處理方法，可能無法達到理想化的去除效果以及廢氣排放要求。針對此種情形，相關企業通常會選擇不同方法進行多次處理。在實際噴涂油漆期間，在壓力的作用下，設備發射出高濃度的霧化顆粒，如果沒有采取預處理，尺寸偏大的顆粒會直接堵住吸附孔洞。對此，只有先將廢氣進行噴淋清洗處理，才能達到稀釋的目的，而后通過引風機把廢氣轉移到光催化裝置中，通過紫外線光束照射，VOCs出現不同反應，并得到低分子的化合物。在組合式處理環節會產生臭氧，待其吸收紫外線后，會釋放出氧自由基與氧氣。氧自由基和水蒸氣發生反應，得到羥基自由基。羥基自由基本身氧化性比較明顯，所以能把廢氣完全轉化成無機物，然后將其轉移到活性炭吸附裝置中，氣體輸出后整個處理過程完成。

3.2 管控污染源頭

管控污染源頭就是在涂裝技術的開端，最大限度降低VOCs添加量，給后續工序中控制VOCs排放量奠定基礎。在表面涂裝處理中，管控污染源頭主要有兩個方法：①采用達到環境標準，低VOCs甚至是無VOCs的原輔料，比如水性涂料、高固含量涂料以及紫外光固化等涂料，由此控制VOCs的形成量。②優化噴涂方法，改善涂料傳遞。結合有關調研結果，近些年大部分企業選擇使用手動空氣噴槍實施噴涂作業，但該工具傳遞效率為25%～40%。如果改用相對完善的旋杯式霧化靜電工具，傳遞效率能達到90%以上。對于家具表面涂裝，如果是平面板材，可應用輥涂方法，搭配紫外線固化涂料，污染源處理效率趨近于100%。車輛表面涂裝運用整車電泳，可達到90%～95%的處理效率。由此可見，企業需結合工件形式，挑選更為適合的涂裝工藝，優化傳遞效率，并控制VOCs的產生量。

3.3 落實過程管理

在涂裝處理過程中，要想加強對VOCs廢氣的管控及防治，則要控制氣體擴散。我國該領域中的大多數企業，以往對噴涂過程中產生的污染較為關注，但卻忽視了其他產生污染的環節，例如，調漆環節的廢氣收集不徹底、涂料運輸期間容器密封度不足、流平中廢氣收集不夠及時、廢涂料桶以及廢渣沒有密封放置等[3]。為解決上述問題，相關企業應當改進并完善廢氣收集設施，加強對表面涂裝所有工序的管控，避免VOCs泄出。

3.4 強化末端控制

在表面涂裝領域中，相關人員應當根據涂裝的各道工序，分類收集和治理VOCs廢氣。在噴涂處理中，廢氣風量普遍較大，但VOCs實際濃度并不高，廢氣中會攜帶漆霧顆粒；在烘干工序中，雖然風量不大，但VOCs的濃度比較高，所以此處建議增加熱風；在調漆與流平環節中，風量及VOCs濃度均偏低，而且氣體中未攜帶顆粒物。根據上述對主要涂裝工序中污染要素特征的比較分析可以看出，烘干環節的廢氣污染應當采取單獨處理的模式，例如，選擇直接或輔助性的燃燒方式，使燃燒產生的熱能得到有效利用。在噴涂處理期間形成的廢氣需采取處理前置的思路，避免漆霧與機械設備接觸后，其內部攜帶的樹脂固化，影響廢氣處理效果以及設備可用年限。噴涂廢氣通過前處理后，和其他工序產出的廢氣一起轉移到專門的治理機組中進行最終處理。其中，治理機組合并處理其他廢氣的流程如圖1所示。

圖1 治理機組合并處理其他廢氣的流程

噴涂工藝的前后處理的方式[4]：①噴涂工藝的前處理。該項末端治理方法主要針對漆霧，具體分為靜電法、濕法及干法，其中后面兩種方法的實踐使用較多。在使用干法處理的過程中，濾料阻力關系到對漆霧攔截效率，實際治理時需要對濾料進行定期換新。目前，比較常見的濕法包括水旋型、水簾噴淋型等，此類方法是借助慣性與離心力，整合漆霧和水，向其中添加合適藥劑后發生化學反應，弱化顆粒黏性，使其變成團狀結構，等到顆粒沉淀后再取出。濕法應當格外強調的是，清理掉廢氣中的漆霧后，濕氣含量隨之大幅度提高，利用活性炭吸附時，污染廢氣的各種分子間會出現激烈的競爭，降低活性炭既有的作用，導致成功吸附的分子出現脫附的情況。為避免該類風險，要求在相應車間內配備可以攔截水汽的機器設施，并定期換新重要零部件。另外，操作人員可以通過肉眼觀察排氣管道，以排氣管道有無被上色作為衡量依據，得出漆霧的去除程度[5]。②污染廢氣的后處理。針對VOCs的治理手段形式較多，實踐中要結合廢氣風量及濃度特點，綜合治理裝置及處理效果等狀況，選擇最合適的治理工藝。目前，應用較多的方式為吸附法，一套設施的氣體流量區間是1000～60 000 mg/m3，而氣體溫度需在45℃以內，濃度則要在200 mg/m3，在上述條件下，能收獲的治理效率是50%～80%。但在實踐中，要把握好活性炭的更換時間，否則會影響污染治理效果。

4 結語

VOCs的排放，不僅會降低大氣的清潔程度，還會對人體造成明顯的負面影響。針對VOCs的防治，應當采取全過程管控，實現源頭、過程、末端并舉，根據廢氣的實際狀況，選擇合適的處理工藝，以此保障治理效果，使表面涂裝工藝得以持續發展。