采用覆膜砂鑄造工藝的廢氣治理方案

王前進(jìn)，劉楠楠

（中國(guó)汽車(chē)工業(yè)工程有限公司，天津 300113）

眾所周知，環(huán)境污染和環(huán)保問(wèn)題一直是鑄造行業(yè)面臨的難題，在鑄造車(chē)間的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都伴隨著污染物的產(chǎn)生，主要的大氣污染物包括以下幾大類(lèi)：粉塵、VOCs、NH3、三乙胺等。對(duì)于使用覆膜砂的熱芯盒、殼型等含有有機(jī)粘結(jié)劑的鑄造生產(chǎn)工藝，在制芯、制殼及后續(xù)的澆注過(guò)程中，會(huì)揮發(fā)和裂解大量的NH3和VOCs（包括甲醛、酚類(lèi)等）。氨氣對(duì)人類(lèi)的呼吸道黏膜有比較強(qiáng)的刺激作用，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致各種呼吸道疾病。甲醛對(duì)人類(lèi)的呼吸道黏膜也有較強(qiáng)的刺激作用，長(zhǎng)期吸入也會(huì)誘發(fā)呼吸道炎癥[1]。由此可見(jiàn)，采用覆膜砂鑄造工藝的生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣不僅是污染環(huán)境的問(wèn)題，也嚴(yán)重?fù)p害人的身體健康。同時(shí)，不友好的作業(yè)環(huán)境也會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)操作工人的大量流失，降低生產(chǎn)效率，大大提高了企業(yè)的運(yùn)行成本。

1 廢氣來(lái)源

覆膜砂主要由以下成分組成：熱塑性酚醛樹(shù)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(shù)脂膜熔融，覆膜砂表層的熱塑性樹(shù)脂在由線性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型時(shí)，需要補(bǔ)充分子之間的聯(lián)結(jié)基團(tuán)，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(shù)脂的分子結(jié)構(gòu)由線性結(jié)構(gòu)快速轉(zhuǎn)化為不熔融的體型結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使覆膜砂固化成型。

目前鑄造行業(yè)內(nèi)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(yīng)進(jìn)行制備的。反應(yīng)式如下：

6CH2O＋4NH3→（CH2）6N4＋6H2O

烏洛托品在空氣中貯存性質(zhì)安定，加熱到100℃以上時(shí)，有少量的分解，長(zhǎng)時(shí)間的加熱之后（40小時(shí)之內(nèi)）可以揮發(fā)分解約五分之一，當(dāng)溫度達(dá)到230℃以上時(shí)，開(kāi)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(guò)程中，會(huì)向作業(yè)環(huán)境中揮發(fā)出大量的氨和甲醛等有害物質(zhì)。

2 面臨現(xiàn)狀

2017年之前，多數(shù)中小型鑄造企業(yè)因?yàn)槠扔诔杀緣毫蛘呖傮w環(huán)境下的環(huán)保意識(shí)淡薄，對(duì)這部分的廢氣處理不夠重視，往往不經(jīng)過(guò)任何措施，直接排放于室外，對(duì)環(huán)境造成了一定的影響。2017年以來(lái)，國(guó)內(nèi)環(huán)保政策趨嚴(yán)，中央環(huán)保督察持續(xù)發(fā)力，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)全國(guó)31個(gè)省份的全覆蓋，兩年來(lái)已有逾萬(wàn)人被問(wèn)責(zé)，而鑄造企業(yè)作為高污染企業(yè)，是環(huán)保整治的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。

2017年，中國(guó)鑄造協(xié)會(huì)最新發(fā)布了關(guān)于廢氣排放的協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)：《鑄造行業(yè)大氣污染物排放限值(T/CFA030802-2--2017)》，其中也規(guī)定了鑄造車(chē)間各工部的VOCs的排放限值不能超過(guò)50mg/m3。

因此，做好廢氣治理的工作對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)是非常重要的工作，如何做好環(huán)保工作對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)無(wú)疑是巨大的挑戰(zhàn)，同時(shí)也是企業(yè)發(fā)展的巨大機(jī)遇。

3 治理方案

采用覆膜砂制芯、制殼模等生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣濃度較低、產(chǎn)氣量大、不連續(xù)，這些特點(diǎn)導(dǎo)致煙氣的治理工作比較困難。為了能夠?qū)U氣進(jìn)行有效的集中收集、處理以及排放，我們可以根據(jù)車(chē)間內(nèi)不同排廢區(qū)域的具體情況，有針對(duì)性的設(shè)置全封閉的室體或者半封閉+軟擋簾的室體，將排廢區(qū)域與車(chē)間其他區(qū)域分離，并配備相應(yīng)的排風(fēng)系統(tǒng)，室體上方設(shè)置頂吸式抽風(fēng)罩，發(fā)氣量較大的部位可以單獨(dú)設(shè)置側(cè)吸式抽風(fēng)罩，同時(shí)在各操作工位設(shè)置送新風(fēng)系統(tǒng)以改善操作工人的工作環(huán)境。廢氣經(jīng)過(guò)集中收集、處理及排放后將大大改善車(chē)間內(nèi)整體環(huán)境。

經(jīng)過(guò)集中收集后的廢氣，需要進(jìn)一步處理后才能完成達(dá)標(biāo)排放。目前行業(yè)內(nèi)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(jiàn)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(duì)周?chē)袡C(jī)廢氣的各種組份進(jìn)行吸附從而達(dá)到使廢氣成分與排放氣體分離的目的，相對(duì)于其他方法，吸附法具有以下優(yōu)點(diǎn)：吸附效率高、無(wú)二次污染、能耗小、操作簡(jiǎn)單等。吸附介質(zhì)是吸附法發(fā)揮作用的關(guān)鍵，通常需要具備以下特點(diǎn)：微孔結(jié)構(gòu)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?；钚蕴渴且环N炭質(zhì)的多孔性吸附材料，相對(duì)其他吸附劑來(lái)說(shuō)，活性炭基本具備以上所有吸附介質(zhì)的特點(diǎn)，對(duì)VOCs類(lèi)的吸附非常有效。且活性炭原料來(lái)源廣泛，制備工藝簡(jiǎn)單、成本較低，易脫附再生，因此，活性炭是在VOCs廢氣治理中應(yīng)用比較廣泛的吸附介質(zhì)[2]?；钚蕴繎?yīng)用的缺點(diǎn)是：活性炭會(huì)隨著吸附過(guò)程的進(jìn)行慢慢飽和，同時(shí)其吸附能力也會(huì)隨著已吸附有機(jī)廢氣的增多而下降，且其吸附飽和后需要更換以進(jìn)行脫附再生；同時(shí)，活性炭對(duì)于NH3的吸附能力有限，因?yàn)槠胀ǖ幕钚蕴恐蝗菀孜椒菢O性物質(zhì)，而NH3極性較強(qiáng)，比較難以吸附?；钚蕴坷w維是在活性炭基礎(chǔ)之上研發(fā)，與傳統(tǒng)的活性炭相比，具有獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)，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(jī)物[3]，活性炭纖維在實(shí)際應(yīng)用中也日益廣泛。

3.2 低溫等離子技術(shù)

低溫等離子技術(shù)是基于物理、電子學(xué)和化學(xué)等多學(xué)科的新興技術(shù)，其基本原理是通過(guò)等離子反應(yīng)器中的導(dǎo)電介質(zhì)在電極周?chē)纬梢粋€(gè)高濃度聚集的等離子體區(qū)，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(nèi)的有機(jī)分子鏈的能量，裂解有害氣體的化學(xué)鍵能，破壞廢氣分子結(jié)構(gòu)，使其在短時(shí)間之內(nèi)進(jìn)行分解并后續(xù)產(chǎn)生各種連鎖反應(yīng)，以達(dá)到去除廢氣的目的[4]。低溫等離子體技術(shù)對(duì)VOCs等廢氣的治理效果較好，對(duì)NH3也可以有效降解[5]，處理效率較高、工藝操作簡(jiǎn)單且產(chǎn)生的二次污染少，同時(shí)該技術(shù)也有部分制約因素：易產(chǎn)生火花放電，存在危險(xiǎn)性；對(duì)設(shè)備的架構(gòu)設(shè)計(jì)和制造精度要求比較高等。

3.3 光氧催化技術(shù)

光催化氧化技術(shù)在環(huán)境治理領(lǐng)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(yīng)用，其基本原理是：催化劑在一定波長(zhǎng)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(fā)生氧化反應(yīng)，最終將其氧化為二氧化碳和水及其他無(wú)機(jī)小分子。目前應(yīng)用的光催化劑大多數(shù)為半導(dǎo)體材料，常見(jiàn)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(wěn)定性，使用壽命長(zhǎng)，價(jià)格比較合理，應(yīng)用較為廣泛。同時(shí)，TiO2負(fù)載到活性炭、有機(jī)纖維、硅藻土等復(fù)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(shù)的降解過(guò)程中沒(méi)有二次污染且反應(yīng)過(guò)程比較容易控制，相信隨著科學(xué)技術(shù)的逐漸成熟，光催化氧化技術(shù)會(huì)在治理廢氣的應(yīng)用中越來(lái)越廣泛。

3.4 植物提取液霧化處理技術(shù)

天然植物提取液是從特定的植物根莖葉中萃取的汁液，經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)的配方制備而成的植物除臭劑，其物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無(wú)毒無(wú)危害，可被自然界中生物完全降解，與廢氣分子反應(yīng)以后不會(huì)產(chǎn)生有毒的副產(chǎn)物，無(wú)二次污染。植物提取液與廢氣污染物成分的反應(yīng)原理主要包括[8]：催化氧化反應(yīng)、酸堿反應(yīng)、吸附與溶解、脂化反應(yīng)等，可有效對(duì)各種污染氣體同時(shí)進(jìn)行治理。

在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，天然植物提取原液通過(guò)專(zhuān)用設(shè)備按實(shí)際需求稀釋到一定比例后，利用專(zhuān)用的霧化設(shè)備將稀釋后的提取液進(jìn)行霧化，用適當(dāng)數(shù)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(jìn)行中和分解反應(yīng)。使用過(guò)程中，可以根據(jù)實(shí)際廢氣排放量和濃度，適當(dāng)調(diào)節(jié)原液的稀釋比例以及噴頭的數(shù)量及位置，有針對(duì)性的對(duì)VOCs和氨氣進(jìn)行治理。目前利用天然植物提取液的廢氣治理技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用也日益廣泛。

4 展望

在當(dāng)前嚴(yán)峻的環(huán)保形勢(shì)下，國(guó)內(nèi)的環(huán)保法規(guī)日漸嚴(yán)格，人們的環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)，廢氣的治理工作更是刻不容緩。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，廢氣治理技術(shù)水平也會(huì)隨之不斷的提高，相對(duì)于單一的處理方式，多種廢氣治理技術(shù)的并聯(lián)應(yīng)用，也可以進(jìn)一步提高廢氣治理的凈化效果。同時(shí)，從源頭上減少?gòu)U氣的排放，開(kāi)發(fā)及使用環(huán)保型低氨覆膜砂和無(wú)機(jī)砂也是我們探索的方向。

“綠水青山就是金山銀山”，生態(tài)環(huán)境的保護(hù)需要我們將其擺放在更重要的位置，建設(shè)美麗中國(guó)，實(shí)現(xiàn)綠色鑄造，不僅需要黨和政府的領(lǐng)導(dǎo)，更需要我們行業(yè)共同的努力。

[1] 宋東方，張大偉，王文富，等.探討有機(jī)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(fā)性有機(jī)物治理中的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.化工進(jìn)展，2017，35（4）：1223-1229.

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

[4] 張貴劍，李凱，林強(qiáng)，等.低溫等離子體技術(shù)脫除大氣污染物的研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2015，29（1）：137-142.

[5] 李國(guó)平，胡志軍，李建軍，等.低溫等離子體氧化氨氣影響因素及動(dòng)力學(xué)研究［J］.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2014，8（7）：2963-2968.

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

[7] 王娟，魯立強(qiáng)，沈翔，等.硫摻雜二氧化鈦負(fù)載硅藻土復(fù)合光催化劑光降解苯酚的研究[J].材料導(dǎo)報(bào)，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(jìn)展［J］.化工環(huán)保，2005，25（6）：441-445.