UV漆廢氣中漆霧VOCs處理技術(shù)

＊劉云相 宋子菡 楊傳璽* 劉永林 王煒亮

（1.鄆城縣環(huán)境保護局環(huán)境監(jiān)測站 山東 274700 2.青島理工大學環(huán)境與市政工程學院 山東 266520）

目前，我國噴涂行業(yè)使用的漆料眾多，UV油漆是其中一種，其中UV油漆以丙烯酸聚氨酯為主，丙烯酸聚氨酯因具有附著力大、漆膜光澤高、豐滿度好、硬度大，光澤和耐化學性好，做面漆可以拋光等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于酒類瓶蓋、化妝品瓶、家具裝飾等行業(yè)[1-2]。丙烯酸聚氨酯在生產(chǎn)和使用過程中會釋放漆霧VOCs到大氣環(huán)境中，漆霧對人體健康的危害不容忽視，生產(chǎn)企業(yè)必須采取切實可行的漆霧VOCs廢氣治理措施，減小污染物排放，降低有毒有害物質(zhì)的健康風險。如表1所示，我國針對涂裝行業(yè)有害氣體排放有明確的標準。由于噴涂UV油現(xiàn)在常用的漆霧處理技術(shù)很難穩(wěn)定運行，已成為業(yè)內(nèi)的技術(shù)難題。

表1 涂裝行業(yè)相關(guān)標準或指南

近年，UV油漆使用企業(yè)先后采用了低溫等離子、UV光催化氧化、活性炭吸附、催化燃燒（RCO）、蓄熱式燃燒（RTO）等處理工藝用于漆霧VOCs處理[3-5]。由于UV漆霧含有大量粘稠性樹脂，加上含有的光敏劑、交聯(lián)單體、溶劑具有難以凝固的特點，對漆霧收集和后續(xù)的環(huán)保設(shè)備穩(wěn)定運行都產(chǎn)生巨大影響[6]。漆霧處理設(shè)施不能正常運行主要表現(xiàn)為：低溫等離子和光催化氧化等漆霧處理設(shè)備的光管常因為堵塞而引發(fā)火災甚至爆炸；催化燃燒器會堵塞蜂窩陶瓷催化劑；活性炭吸附箱會堵塞活性炭孔隙造成活性炭迅速失活，產(chǎn)生大量的危險廢物，增加大量危廢處置費用[7]。本文結(jié)合鄆城縣UV油漆使用企業(yè)近幾年來對UV漆霧VOCs治理實踐和技術(shù)研究，全面探究UV漆霧回收及VOCs治理工藝和技術(shù)發(fā)展方向。

1.UV漆組分和特點

(1)UV漆組分

UV漆主要組分包括光敏樹脂、光敏劑、交聯(lián)單體、溶劑、助劑等[8-9]。

光敏樹脂。光敏樹脂通常是光敏漆的主要成膜物質(zhì)，它是由聚合物單體和預聚體組成的，其特性決定了其表面特性。聚合樹脂是一種預聚物或低聚物，包含兩鍵。常用的品種有不飽和聚酯，亞克力環(huán)氧酯，亞克力聚酯，亞克力聚氨酯等。

光敏劑是一種因交聯(lián)單體之間的游離基和光敏樹脂而產(chǎn)生的聚合反應(yīng)，在近紫外線光區(qū)（300～400nm）的光激發(fā)下，其物質(zhì)是游離基。引發(fā)劑的種類很多，自由基在UV光照射下產(chǎn)生的速率和在暗處產(chǎn)生的自由基等因素都需要在選擇時加以考慮，目前使用較多的光敏劑有安息香和乙醚等安息香醚類。

交聯(lián)單體。交聯(lián)單體可以與光敏樹脂發(fā)生聚合反應(yīng)固化成膜。以前使用的交聯(lián)單體多為苯乙烯，現(xiàn)在則用多官能基的丙烯酸脂類，如二/三/六官能基丙烯酸單體。

溶劑?，F(xiàn)在有很多交聯(lián)單體不能克服的問題，如涂層的硬化速度及濕潤效果，可以通過在UV漆中加入適量溶劑來解決。較為常用的溶劑有甲苯、二甲苯、醋酸乙酯、醋酸丁酯、二氯甲烷等。目前普遍使用乙酯類較多。

助劑。UV漆常用助劑有流平劑、防流掛劑、穩(wěn)定劑、消泡劑、促進劑等。

(2)UV漆霧主要特點

鄆城縣使用UV漆噴涂主要集中在20余家塑料瓶蓋（ABS、PP等材質(zhì)）和少量化妝品包裝瓶等生產(chǎn)企業(yè)[10]，因此本文探討的UV漆霧特征和處理技術(shù)研究僅適用于此類行業(yè)。由于UV漆特性，加之塑料瓶蓋、化妝品包裝瓶體積較小，因此這些行業(yè)產(chǎn)生UV漆霧具有以下幾個特征：①由于噴涂目標體積小，UV漆有效利用率較低，平均50%，造成漆霧中含大量無效油漆；②由于UV漆霧含有大量黏稠性樹脂，加上含有的光敏劑、交聯(lián)單體、溶劑具有難以凝固特點，漆霧粘黏性大，易造成漆霧廢氣收集系統(tǒng)和處理系統(tǒng)堵塞；③漆霧廢氣中有機物含量高，去除難度大；④漆霧成分中含有大量的酯類、醚類有機物，遇火花或溫度升高易著火。

2.UV漆霧VOCs處理技術(shù)應(yīng)用

經(jīng)對鄆城縣UV漆使用企業(yè)漆霧處理技術(shù)回顧性調(diào)查，他們先后采用過低溫等離子、UV光催化氧化、二級活性炭吸附、催化燃燒（RCO）、蓄熱式燃燒（RTO）等處理工藝，用于UV漆霧VOCs的處理技術(shù)[11-13]。實踐表明，盡管企業(yè)做了大量的技術(shù)探討和實踐，從實際運行效果看，這些UV漆霧VOCs處理技術(shù)應(yīng)用都存在程度不同的技術(shù)缺陷，給企業(yè)帶來巨大的安全隱患，同時還存在VOCs穩(wěn)定達標排放的壓力。下面對企業(yè)采用過的UV漆霧VOCs的處理技術(shù)做簡要回顧。

(1)低溫等離子體技術(shù)

技術(shù)工藝流程為噴漆室水簾除霧+干濕分離器+低溫等離子體處理器[14]。低溫等離子除去VOCs機制是通過電極空間的電子獲得能量逐漸加速，使其在電場的作用下產(chǎn)生碰撞氣體分子。其結(jié)果是將電子電離、激發(fā)或吸附于氣體分子中成為負離子。氣體分子經(jīng)電子碰撞后形成對VOCs分子進行氧化反應(yīng)的高活性粒子，使有機污染物轉(zhuǎn)化為CO2和H2O。低溫等離子體技術(shù)在使用過程中存在最大的缺點就是漆霧廢氣收集系統(tǒng)和處理系統(tǒng)堵塞，遇火花或溫度升高易著火，廢氣VOCs排放難以穩(wěn)定達標。

(2)UV催化氧化技術(shù)

技術(shù)工藝流程為噴漆室水簾除霧+干濕分離器+UV催化氧化反應(yīng)器[15]。UV催化氧化去除VOCs機理為利用光觸媒（常用的為二氧化鈦）作為光化學反應(yīng)的催化劑，空氣在紫外線的照射下，產(chǎn)生出氧化能力極強的自由氫氧基和活性氧，對廢氣中的有機物進行氧化分解，使廢氣中的VOCs變成水和二氧化碳，進而達到去除VOCs的目的。UV催化氧化技術(shù)缺點同低溫等離子體技術(shù)一致。

(3)催化燃燒(RCO)處理技術(shù)

技術(shù)工藝流程為噴漆室水簾除霧+干濕分離器+活性炭吸附脫附+催化燃燒爐[16]。其中活性炭吸附脫附技術(shù)工藝流程為噴漆室水簾除霧+干濕分離器+二級活性炭吸附箱，二級活性炭吸附是利用蜂窩狀活性炭強大的吸附能力，將前期處理過的廢氣進行吸附過濾，達到去除廢氣中VOCs目的。催化燃燒處理技術(shù)是一種氣-固相催化反應(yīng)，催化劑可以降低反應(yīng)溫度，一般在250～450℃也可以降低反應(yīng)的活化能，而且，反應(yīng)物可以被富集到催化劑表面，反應(yīng)速度就可以被提高。相對于直接燃燒，它的特點是點火溫度低，能量消耗少。催化熱氧化法要求選用適當?shù)拇呋瘎?，根?jù)活性物質(zhì)的差異，可以將其劃分為貴金屬催化劑、過渡金屬氧化物催化劑、復氧化物催化劑。鄆城縣采用的催化劑為蜂窩狀陶瓷催化劑，該處理工藝的缺點：一是堵塞活性炭孔隙造成活性炭迅速失活，會產(chǎn)生大量的危險廢物（廢活性炭和過濾棉），增加大量危廢處置費用，企業(yè)經(jīng)濟壓力較大；二是蜂窩陶瓷催化劑堵塞嚴重，影響VOCs去除效率。

(4)蓄熱式燃燒(RTO)技術(shù)

技術(shù)工藝流程為噴漆室水簾除霧+干濕分離器+蓄熱式燃燒爐[17]。RTO的主要工作是：在富氧條件下，將有機廢氣注入到燃燒室中，通過預熱室加熱（升溫到800℃）后，通過高溫焚燒，氧化分解完全一致，在經(jīng)過另外一種蓄熱室的蓄熱器中，有機物會被氧化為水和二氧化碳，從而儲存熱量，當空氣流動的方向發(fā)生周期性變化時，下一輪對新進入的有機廢氣進行預熱，維持爐膛溫度的穩(wěn)定。由于蓄熱式燃燒的高效利用率很高，所以VOCs技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，成為一種完全氧化分解技術(shù)。但由于UV漆霧VOCs廢氣濃度高，且波動性大，可燃物、助燃物和點火源都存在，超過爆炸限，發(fā)生燃爆的可能性較大。

(5)其他技術(shù)

活性炭吸附法主要是利用具備較強吸附效果的活性炭對漆霧VOCs進行吸收，實現(xiàn)除去有害物質(zhì)的效果。活性炭吸附法具備操作簡便、設(shè)備簡單的優(yōu)勢，并且能夠適應(yīng)對多種工業(yè)廢氣的凈化處理，是我國工業(yè)廢氣處理過程中，應(yīng)用最為廣泛的處理技術(shù)。然而這種方法的缺陷是成本較高、單獨運用活性炭吸附需要不斷地更換填料，造成二次污染[18]。

膜分離技術(shù)主要依靠聚合物膜自身的特性，在一定壓力下滲透到廢氣當中分離有機物以及VOCs,石油化工和食品加工等行業(yè)對膜分離技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛。膜分離技術(shù)的優(yōu)勢是能夠?qū)崿F(xiàn)高濃度和小流量廢氣中有機污染物有效分離，其缺點是成本較高[19]。

生物處理技術(shù)主要處理中濃度以及低濃度廢氣VOCs，其優(yōu)勢為儀器設(shè)備簡單，操作較為簡單并且不需要投入過多的成本，不容易造成嚴重的二次污染等[20]。在當前階段，開展漆霧VOCs生物處理技術(shù)的研究相對有限，下一步需要不斷深入的探索與研究。

3.鄆城縣UV漆霧VOCs處理技術(shù)探究

鄆城縣UV漆塑料瓶蓋生產(chǎn)企業(yè)目前采用的UV漆霧VOCs處理工藝存在諸多技術(shù)問題亟需解決[21-22]。問題的根源是UV漆霧中大量有機物沒有得到有效回收，因此，探究切實可行的漆霧回收技術(shù)是解決此問題的關(guān)鍵。

針對UV漆霧的特性，關(guān)于UV漆霧有效回收及提高回收率，相關(guān)科技人員進行了深入探究，目前用于工程實踐的技術(shù)有以下幾類[23-25]。

UV漆霧回收盒技術(shù)。該項技術(shù)由欣興華龍公司研制，主要原理是設(shè)計一種專用過濾網(wǎng)和回收箱用來回收UV漆霧，該項技術(shù)獲得2020年第八屆中國木門技術(shù)大會金智獎。

水旋塔UV漆霧回收技術(shù)。該項技術(shù)主要原理是利用文丘里原理，在水旋塔中將漆霧廢氣中部分污染物分離出來，降低廢氣中VOCs濃度。

動態(tài)攔截UV漆霧回收技術(shù)。該項技術(shù)主要原理是根據(jù)離心力和文丘里相結(jié)合，浴筒內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的攔截裝置對氣態(tài)霧粒進行碰撞、攔截、吸附等作用使其聚集成液滴。將聚集的液滴甩出匯集于殼體下通過離心力部進行回收。該項技術(shù)由中科（廈門）環(huán)保股份有限公司研制并申請實用專利。

核裂解回收UV漆霧技術(shù)。工作原理是把高壓直流電源引入到電暈極（陰極），從而使其與電場強度超出了某一極限后，即陰極與陰極之間形成電暈放電的沉淀極（陽極）之間產(chǎn)生電場（Statement）。此時，通過場區(qū)氣體被電離，使許多電子與離子發(fā)生碰撞。在電場力的作用下，UV漆、水霧、粉塵等顆粒產(chǎn)生了一種帶電向兩極兩種不同的荷電運動。由于電子質(zhì)量小、運動速度快、空間分布大。依賴于殘余的靜電引力和分子間凝聚力，在進入沉淀極中和后，首先將其吸附，再沿極板本身的重力降低，再由UV漆出口來排放。本工藝由高壓直流電源和裂解機械塔體兩大部分組成。電源采用CS-Ⅲ恒流型高壓直流電源。裂解機械塔體可選用TD套筒式（同心園式）、GD管式、FD蜂窩式三種結(jié)構(gòu)，塔體均有筒體、放電極（電暈極）和吸捕極（沉淀極）組成。

4.結(jié)語

鄆城縣噴涂UV漆企業(yè)目前常用的漆霧VOCs處理技術(shù)存在的突出問題是由于漆霧的特性，催化燃燒會堵塞蜂窩陶瓷；光催化和等離子會堵塞光管從而引發(fā)火災甚至爆炸；活性炭吸附會堵塞活性炭孔隙產(chǎn)生大量的危險廢物，增加大量危廢處置費用。造成這些問題的最重要的因素是漆霧回收效率低。因此UV漆霧有效回收是UV漆霧VOCs處理技術(shù)提升的命門。建議根據(jù)企業(yè)實際狀況，分別采用UV漆霧回收盒技術(shù)、水旋塔UV漆霧回收技術(shù)、動態(tài)攔截UV漆霧回收技術(shù)、核裂解回收UV漆霧技術(shù)等，努力提高UV漆霧回收率。