金属静电粉末喷涂清洁生产途径探讨
黄冬梅,李霞,梁伟鹏,张景书
环境科学与管理
摘 要:清洁生产作为防治污染的最佳模式,是实现可持续发展和循环经济的必由之路。根据目前金属静电粉末喷涂典型生产工艺流程,分析其产污环节及污染物排放情况,并从原料、工艺和设备出发,探讨金属静电喷涂的清洁生产途径,以减少静电喷涂过程污染物排放对环境和生态的影响。
关键词:金属;静电粉末喷涂;清洁生产;途径
引言
静电粉末喷涂又称静电喷涂或静电涂装,就是将粉末涂料,通过静电作用涂敷在被涂物体上,并通过一定时间温度的烘烤形成涂层的过程[1]。静电粉末喷涂工艺从二十世纪60年代诞生后,几乎是100%应用于金属表面涂装。代表性的粉末涂料品种有环氧树脂、聚酯树脂、丙烯酸树脂及有机硅树脂粉末涂料、热塑性聚偏氟乙烯树脂以及热固性氟树脂等。喷涂效果在机械强度、附着力、耐腐蚀、耐老化等方面优于喷漆工艺,成本也在同效果的喷漆之下。粉末涂料以其完全不含溶剂,可以全部转化成涂膜,而且涂装效率高、保护和装饰综合性能好的特点,适应涂料工业对节约资源和能源、减轻环境污染及提高工效等方面要求,受到世界各国的广泛重视,从而获得飞速发展。
1 金属静电粉末喷涂的典型生产工艺及产污环节
1. 1 静电粉末喷涂工艺及其常用原材料
金属静电粉末喷涂典型工艺包括前处理(除油、除锈、磷化、钝化)、静电喷涂、固化、出炉冷却等工序。静电粉末喷涂工艺及其常用原材料见表1。
1. 2 典型静电粉末喷涂工艺流程及产污环节
典型静电粉末喷涂工艺流程及产污位置见图1。静电粉末喷涂生产过程中的污染源及其主要污染物种类,影响污染物排放的主要因素见表2。
2 实施清洁生产的意义
1992年在巴西里约热内卢召开的联合国环境与发展大会通过了《21世纪议程》,《21世纪议程》将清洁生产看作是实现持续发展的关键因素,号召工业提高能效,开发更清洁技术,更新、替代对环境有害产品的原材料,实现环境和资源的保护和有效管理。2002年6月29日由九届人大常委会通过的《中华人民共和国清洁生产促进法》颁布以来,清洁生产已成为中国环境工作的重点。根据《中华人民共和国清洁生产促进法》,清洁生产是指不断采取先进的工艺技术与设备、改善管理、综合利用等措施,从源头削减污染,提高资源利用效率,减少或者避免生产、服务和产品使用过程中污染物的产生和排放,以减轻或者消除对人类健康的危害[3]。《国务院关于加快发展循环经济的若干意见(国发[2005]22号)》提出以“减量化、再利用、资源化”的清洁生产原则大力发展循环经济。
目前中国资源消耗高、浪费大、环境污染严重等问题依然存在,随着经济的快速增长和人口的不断增加,淡水、土地、能源、矿产等资源不足的矛盾更加突出,环境压力日益增大。实行清洁生产,建立新的生产方式和消费方式,是工业可持续发展、构建节约型社会、发展循环经济的必然选择。实行清洁生产不但是可持续发展、构建节约型社会、发展循环经济的战略要求,而且是控制环境污染的有效手段,可大大降低末端处理的负担,并可提高企业的市场竞争力。可见,目前在中国实施清洁生产有极其重要的意义。
3 金属静电粉末喷涂清洁生产途径
根据金属喷涂生产工艺流程、原材料使用情况及主要产污环节,结合现有生产设备水平,提出以下金属静电粉末喷涂的清洁生产途径。
3. 1 采用无毒或低毒钝化剂替代铬酐和镍
金属材料静电喷涂的钝化工序所用的钝化剂种类较多,包括浓硝酸、浓硫酸、氯酸、重铬酸钾、高锰酸钾、铬酐、金属铬和镍等。由于铬酸盐、镍的钝化效果好、工艺简单、成本低廉、使用方便而被生产企业普遍使用,但废水中含有国家一类污染物铬和镍离子,用铬酐作钝化剂,则会排放毒性很大的六价铬废水,会对自然环境造成严重的破坏。由于钝化可提高粉末涂料在工件的附着力,增加工件的防腐性能,故对静电喷涂而言,钝化是不可或缺的。采用毒性较低的三价铬盐取代高毒性的六价铬钝化剂,是最简单易行的替代方案。对于环保要求高的地区,还可以用无毒性的原材料替代铬酐、铬酸盐和镍。如目前采用新型纳米薄膜技术和化学方法,已研制出了一种以硅酸盐为主要成分的钝化剂,可取代镍、铬酐、铬酸盐。
3. 2 用低温固化、UV固化替代高温固化
虽然涂料不含有机溶剂,但采用高温固化工艺,涂料在高温下会分解和产生交联反应,排放出含明显恶臭的有机废气。固化温度越低,涂料分解和反应产物越少,废气浓度越小,若采用100℃以下的超低温固化工序,涂料基本不会分解和反应,可有效减少有机废气的排放。
采用低温固化替代高温固化的关键在于涂料的选择,即与涂料的固化温度有关。目前常用的环氧树脂粉末涂料、聚酯树脂粉末涂料以及丙烯酸树脂粉末涂料等,固化温度一般在160℃~220℃之间(粉末涂料的固化温度和时间见表3)。现在已制备出可利用一般粉末涂装生产线进行涂装的热固性氟树脂粉末涂料,可在100℃下熔融,这种热固性氟树脂粉末涂料的耐候性、保光性、耐久性较目前广泛使用的环氧、丙烯酸粉末涂料要好,是替代它们的理想涂料。
UV粉末涂料是一类可在紫外线作用下发生固化的新型粉末涂料,所需热量小,成膜温度低。UV粉末涂料所需热量主要用于涂料熔融流平,这一过程可在90℃~120℃较低温度下完成,在这一过程中,粉末涂料分子不会发生交联反应[1]。涂料熔融流平完成后,在紫外线照射下,UV粉末涂料在极短时间内交联聚合反应,固化成膜。UV粉末涂料固化过程排出的有机废气量极微,可大大减轻有机废气的污染。
3. 3 用机械除锈替代化学除锈
利用酸与金属氧化物或基体金属产生化学反应,把金属表面的锈(实质是金属氧化物)去除的工艺就是化学除锈。除锈是静电喷涂前处理不可缺少的一步。除锈采用的材料有硫酸、盐酸、磷酸、柠檬酸、酒石酸等。采用化学除锈,不但要消耗大量的酸、缓蚀剂(多用硫脲),且会排放废酸液、酸槽渣这些危废物质,除锈后还要消耗大量的清洗水并排出废水。采用机械除锈替代化学除锈,不仅可减少酸、清水的消耗和废水的排放量,且可避免产生化学除锈所生产的危废物质,大大节省末端处理费用。目前,越来越多的企业采用抛丸机、喷砂机进行机械除锈。事实证明,机械除锈替代化学除锈简单易行,除增加除锈设备外,不用对其它生产设备进行改造,是低费清洁生产替代方案。
3. 4 用酸性除油剂替代碱性除油剂减少废水排放量
典型的静电喷涂工艺常用碱性除油剂去除工件上的油污,为避免工件携带的碱性液体影响后续的除锈槽的酸液浓度,要设水清洗工序。若换成酸性除油剂,则除油后工件可直接进入除锈处理,减少了因清洗而产生的废水污染,废水排放量可减少13%~25%。
3. 5 用溢流漂洗替代传统的清洗工艺
典型的喷涂前处理工艺一般包括4~6次清洗,工件对喷涂质量要求愈高,清洗的次数则愈多,废水的产生量就愈大。工件烘干前一般要进行2~3次的清洗,愈到后面,清洗池水的污染物浓度愈低,采用逆流漂洗工序,清洗池内的水循环重复利用,可有效减少清洗废水的排放量。另外,采用浸洗工艺较冲洗用水量少,废水的排放量也较少。
3. 6 采用先进的喷涂设备减少粉尘的排放量
粉末涂料在喷涂过程中由于受喷枪输粉管中压缩空气的推力、荷电后受到的电场阻力、自身重力和回收气流的抽吸力的综合作用,部分粉末吸附到工件上,部分沉降于喷粉室底面和附着在室壁上,其余的粉末则飘浮在空气中。工件的上粉率约在50%~70%,换言之即有30% ~70%的粉末涂料形成粉尘。粉尘如果不及时收集起来,不仅造成浪费,污染环境,危害操作人员健康,且存在火灾和爆炸的危险(粉末涂料粉尘爆炸的浓度下限约为30克/立方米)[1]。由于粉末涂料的价格昂贵(1吨涂料价格为2万元以上),故一般的喷涂一体化设备均设有粉末回收装置,采用布袋、旋风等干法收尘,回收的粉尘可重新再用。喷涂一体化设备内设的粉末回收装置的除尘效率为90% ~99. 9%,大小相差近10%,即每用1吨涂料,最多可节省2000多元的成本、粉尘的排放量最多可减少95公斤。企业在购买喷涂设备时,建议选择除尘效率高的设备,不但可节约生产成本,还可有效减少粉尘的排放量。
4 结语
虽然静电粉末喷涂是较传统的电镀和喷漆更清洁的生产技术,但喷涂过程中仍会产生废水、废气、粉尘和危险废物等等污染源,对环境的危害显而易见,采取末端治理要耗费大量的资金和能源。因此,对静电喷涂行业实施清洁生产,采用清洁的生产工艺和设备,采用低毒、无毒的原材料,从源头控制环境污染,降低末端处理的负担,做到节能降耗、减污降毒,减少对环境和生态的影响,是企业实现可持续发展和循环经济的必由之路,企业可通过实施清洁生产,增加自身的市场竞争力。
参考文献略
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