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喷漆室的污水控制 |
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作者：ALAN MONKEN 来源：Ringer |
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作为一种不可再生资源，水资源及其保护是金属表面处理行业的重中之重。在生产过程中减少及控制水污染是亟须改进的一个重要领域；工业用水最为关键的领域之一是喷漆间。目前的技术可降低水的消耗量并提高水的利用效率。要正确地看待这种技术，有必要探讨喷漆间中水的使用，可用化学方法来处理污水及机械手段去除污染物。
喷漆室
喷漆室的功能是为衬底（如金属或塑料）涂覆一个具有保护性和装饰性的有机涂层（如涂料）。该涂料可以采用各种形式涂覆，包括干粉、稀释的溶剂配方及水性配方。应用方法多种多样，其中最常见的两种方法是喷雾式或浸渍法。浸渍或浸涂系统产生的涂料废物很少。不过浸渍法的缺点是在相同的操作中涂料的颜色和类型的变化受到严重限制。喷雾式系统在涂料的种类和颜色的变换上有很大的灵活性。
喷雾系统的缺点是并非所有的喷涂涂料都会接触到工件表面。未喷上生产零件的部分被称为超范围喷涂。如果正在使用粉末喷涂，超范围喷涂涂料一般可以重新收集并再利用（用于捕获这些多余粉末的能力通常已设计入粉末喷涂系统或粉房中）。但是如果采用液体涂料，超范围喷涂涂料将会快速转化为废物涂料。虽然可以通过干燥过滤介质来收集这些超范围喷涂的涂料，不过最常见的收集/清除方法是使用水帘式喷漆台。
水帘式喷漆台
无论是潮湿或干燥，喷漆室的主要功能是从工作环境中的空气中消除超范围喷涂涂料；其次，它还可用来清除气流中的涂料固体物，并从工作区中驱走任何挥发性溶剂蒸汽。干燥过滤喷漆室有时会采用类似于传统的电炉除尘过滤器等介质滤出粘性涂料，它实际上是提供涂层的有机部分。这种介质会迅速堵塞，降低了移除工序的有效性。这种介质经涂料饱和后会成为可燃物。水帘式喷漆台拥有同样的功能，不过使用水作为介质来捕捉超范围喷涂涂料及由此产生的废料。
虽然水帘式喷漆台的风格和类型多种多样，不过两个基本的设计是侧吸式喷漆室及下吸式喷漆室。这里的气流是指通过该系统空气的流动捕获超范围喷涂涂料。侧吸式喷漆室通常用于小型的非连续性的金属表面处理和制造中，它通过一个流动的水帘拉出过喷涂料与空气的混合物，并借助水的作用“清理”涂料固体物。这些水通过一个收集器进行再循环，不断下跌形成“瀑布”一样的水帘。
类似的机制可用于下吸式喷漆室，这在较大的连续作业中最为常见，如汽车组装厂。该下吸式系统使用向下的气流，一般通过一个光栅钢板进入移动的冲洗板（很像一个水平的“瀑布”）或水坑。下吸式系统通常比侧吸式系统含水量更大，这使得水处理及其保护更为关键。
与喷涂相关的一般污物
无论是侧吸式还是下吸式系统，循环水将会与超范围喷涂涂料中各种潜在污染物接触。涂料中的许多材料，特别是溶剂型配方，与供水系统并不兼容。二甲苯、甲苯、二氯甲烷等溶剂通常不溶于水，但可以与水混溶。无论如何，这些溶剂大部分都会挥发，并随着时间的推移通过排气蒸发掉。由有机树脂制成的大量的涂料是不溶于水的，而且容易发粘，如果不在水中引入其他额外的材料进行处理。
如果不及时处理，粘性污物可能堵塞循环管道及泵（并粘附到粉房中所有表面），从而降低整体效率。其他涂料配方中的添加剂，如成膜/润湿剂并不一定溶解于水，且在不同程度上存在。有些颜料或其他无机组分，如锌或铬化合物可能会部分或完全溶于水。这些无机物，尤其是许多底漆中所含的锌和铬盐，在处理时可能会造成重大问题。减少或消除这些污染物的关键是要找到一种方法，要么溶解涂料固体或解粘，如果有可能则收集或移除这些溶解的固体物质。
水性涂料不像溶剂型涂料那样易于溶解或分散于水中。水性颜料、树脂及水性涂料中相对较小的颗粒所具有的这种分散性往往使其难以从系统中消除。问题则是固体物的浓度及清除，而不是解粘。
涂料解粘
现已开发了一些方法用于化学处理水帘式喷漆台中产生的粘性有机涂料污物。从提高效率方面来回顾这些解粘系统则包括烧碱/氢氧化处理、金属盐类方案，粘土方案和酸胶体方案。
烧碱/氢氧化处理
以腐蚀性物质为基础的处理方法（通常采用氢氧化钠）是最古老的解粘化学处理。这些产品与由许多低固体含量的涂料构成的漆（由溶剂流失所形成的固化涂料）可相互作用。解粘的基本原理是通过氢氧化物来分裂脂肪酸为主的树脂中的酯。这会形成一个金属皂，可乳化涂料中残余的任何溶剂。其他无溶剂的材料将被固化或硬化为一个整块以便移除。
烧碱方案的缺点是，由于涂料技术在较高固体含量（主要是为符合环保要求）及催化、固化方面有所改进，所以该类型的处理将不再与涂料成分发生完全反应。这导致只有部分涂料可产生作用，并带来与“活性”涂料相同的问题。为解决这一问题，烧碱方案包含了一些新研发的不溶的无机材料（如石灰）。这些不溶性物质有助于捕捉未喷涂的涂料，主要通过嵌入其中的方式进行。即使这些修改方案效率低下，但是，涂料中的固体物下降近25％。
金属盐方案
金属盐类产品主要利用铝和锌与碱性物质的结合形成催化不溶性金属皂（有点类似碱处理）或悬浮的金属配合物，它可通过额外的聚合物得以去除。
这种处理类型的限制是，除了含醇酸的空气固化的涂料外，对正常操作中pH的控制尤为关键。因为pH值的波动很容易打乱整体方案，导致喷涂无法正常进行并产生固体沉淀现象。
粘土方案
含粘土的产品主要是一种物理而非化学的涂料解粘方法。由于膨润土可吸水并膨胀成一个不规则的巨大的物质。含有这种粘土混入水中的粘性涂料颗粒将会吸附到表面上，并反过来被其他粘土颗粒所覆盖。这会产生一个大的解粘块。胺往往可以在其接触前提高涂料的驱散性。
虽然粘土作为一种处理方式相对便宜，不过往往需要大量的粘土或粘土泥浆来保持良好的解粘效果。与其他处理方法相比较，这将产生大量的污泥。此外，水和溶剂常常会积于粘土中，这使得垃圾填埋相对困难，并限制了脱水能力达20％至25％。粘土方案通常也会带来发泡及生物污染问题，由于涂料和水被夹在粘土污泥中。
酸胶体方案
酸胶体处理的工作原理是，某些亲水性和疏水性材料的混合物在酸性条件下可形成稳定的悬浮液，但随着pH的增加会与缔合物一同沉淀。基于这一原理，目前有三种解粘方案：硅酸盐胺方案、硅石胺方案及三聚氰胺甲醛方案。其基本原理是在提高碱度水平下将该产品供料入系统中以形成缔合物。随着亲水性物质粘入水相中，疏水物质则导向疏水颗粒。这有效地使得水性薄膜被涂覆到涂料颗粒上，进而防止其表面附着到其他的表面涂层上。
硅酸盐胺
在这种处理方法中，亲水物质是多胺，疏水物质是硅酸盐（通常为偏硅酸钠）。这些材料以固定的涂料过喷率分别供料入粉房中（通常在5％至15％的过喷率下，硅酸盐与多胺的比例是4∶1至13∶1之间）。此时pH值至关重要，因为过高的pH值会导致缔合物再次溶解。
硅酸盐胺处理的主要缺点是，涂料的分散效果不是很好，也无法提供即时解粘。正因为如此，就不难发现喷漆室后部含有粘性沉积物，而不会出现良好的混合物。当系统运行时间更长时才会出现更好的解粘效果。
二氧化硅胺
二氧化硅胺方案与硅酸盐胺处理十分相似。他们的主要区别是二氧化硅胺方案利用水合型硅溶胶作为疏水物质。硅溶胶有点像非膨胀性的粘土。硅溶胶以1∶3的比例供料入聚胺的每个部分。由于这些材料的pH值基本上是中性的，所加入的碱性物质（通常是氢氧化钾）会使系统的pH值升至8.0至9.0。该方案的主要缺点是，在较高的切力条件下，比如可能采取离心分离器，那么小尺寸的硅可能无法完全嵌入涂料中，部分会形成污物。
三聚氰胺甲醛
该共聚物是杜邦在40年代初研发的。它利用其独特的有机结构达到涂料解粘作用。聚合物链中交替的三聚氰胺和甲醛形成一个二维网状结构，三聚氰胺部分将起到疏水作用，而甲醛则起到亲水性作用。在碱性条件下，该化合物会形成一个络合物。三聚氰胺将导向涂料表面，而甲醛则吸引水层以防止粘漆。由于这些组群分子相同，解粘效果几乎瞬间完成。同时，与硅酸盐或硅胺相比，这些组群的尺寸相对较小，所以三聚氰胺甲醛涂覆涂料颗粒时更为有效。
三聚氰胺甲醛处理的缺点之一是涂层相对脆弱。正因为如此，涂料的分散性要好。在高切力下，涂层会破裂，释放出粘性涂料。需考虑的另一个事实是，由于这种处理对水性微粒具有敏感性，所以系统越清洁，那么三聚氰胺甲醛在喷涂时效率会更高。随着固相含量的增加，接粘性将下降，从而形成良好的絮状物将会受到影响。
污泥清除方法及设备
一旦涂料污泥被解粘或已集中，就有必要使用一些机械方法将其从水中去除。用于去除粉房中被捕捉的过喷涂料的方法在类型、有效性和成本方面有很大差异性。选择何种方法需视粉房类型、喷涂的涂料含量，期望的清除污泥的最终结果，以及可得的设备资金而定。侧吸式及下吸式系统因手动和自动方法不同需分别审查。
侧吸式系统
在规模较小的粉房中，最常用的清除污泥的方法是除渣法。大多数溶剂型涂料中未经处理的某些部分会浮动；烧碱处理方法通常会导致部分涂料持续浮动/下沉。因此，许多使用小粉房的用户习惯采用连续除渣法从他们的系统中除去漂浮物。
随着涂料分散聚合物处理方法的出现，连续式人工除渣法则不再成为必要。取消这个过程可减少日常劳力及相关费用。在侧吸式系统中，使用聚合物涂料解粘剂通常可以使涂料保持悬浮及分散状态，在批量的基础上会沉积。此时，也可采用网和耙具来除渣。人工除渣法可将成本将至最低（最低的被动解决法，下吸式系统中将详细讨论），但它属于劳动密集工序。精密清除侧吸式中污泥的一个新的阶段是采用半自动或自动设备去除浮泥。在清理批量沉积物时，减少劳力及消人工除渣的一个方法是采用湿式真空过滤系统。它基本上由带有粗麻布（或其他粗的滤布）的钢桶及上面的一个工业用的湿式真空头组成。浮动污泥（和一些水）将从粉房罐顶部开始被真空清除。该涂料污泥应收集到袋子里，而水应从桶后的底部排出（或泵出）至粉房内。不过这种方法也可用于在粉房罐底部上清除污泥，尽管沉积的污泥必须被完全解粘。去除定期产生的浮泥的另一个方法是使用槽边导流堰（见图1）。从根本上而言，在粉房罐旁边焊接一个小的导流堰，让浮物从粉房中溢出，并抽泵到一个过滤罐（或其他系统）中脱水。
图1. 槽边导流堰去除浮泥
侧吸式系统还可以使用一个类似捣固机的设备自动连续地清除浮泥（见图2）。这种系统将水从粉房中泵到一个单独槽中。当水被泵入该槽中后，将絮凝聚合物注入水中，它会使解粘的涂料污泥漂浮到顶部并通过一个连续滑片撇除。干净的水将被循环至粉房中。通过过滤方法，涂料污泥也会被不断被移除且不含沉淀或浮泥。最简单的过滤设备包括使用滤纸或滤布的滤床。这些系统可使固体物质通过过滤介质得以清除，同时水会被引流至收集单元并返回至粉房中。虽然这种系统带来较低的劳动力和成本，但往往比较麻烦，因为喷房旁边的空间常常奇缺。重力过滤系统也较为缓慢，在加量时也会受到限制，这使得它们仅适用于处理低层次的水或污物。真空过滤，如通过使用硅藻土过滤器，可有效地完全解粘材料，但会增加整体的废物含量因其自身需要使用一次性的介质。 
图2. 通过浮泥从侧吸式粉房中连续清除污物的捣固机
与除渣法及过滤设备相比，离心式污物清除/脱水方法在购买及安装时较为昂贵，但可以通过其性能来弥补这种成本差异。两种最常见的离心分离器类型包括水力旋流器和离心机。旋流器（见图3）基本上都是固物装置。液体在锥体内表面的压力及旋转作用下（在这种情况下，喷房里的水）被旋入水力旋流器。该旋压不断对液体增加重力，从而使较重的固体颗粒被拉向（在离心力的作用下）锥壁。底部的开口将释放出压力，使更轻的液体拉回至上旋涡流排出，这很像一个龙卷风（因此名称中带有“旋流”二字）。而固体（和一些水）从底部排除。因为事实上一些水会随着涂料固体污泥排出，该旋流本身是没有效率脱水设备。通常情况下，从锥器排出的污泥和水将被引流至一个桶或容器中，并在重力下进一步被分离。人们还为这些系统设计了辅助过滤系统（如过滤带），以进一步为污泥脱水。这些系统是有效的，如果涂料一直完全解粘。任何粘性涂料进入系统都可能会产生问题并堵塞锥器和滤带。
图3. 水力旋流分离器的原理
离心机的工作原理和水力旋流器相同，它不是将水通过锥器旋入，而是将水泵入一个旋转的筒中（很像一个立式的衣服干燥机），这使其具有离心力并将水“甩出”固体。接着块状固体材料将在筒壁上聚集。这一系统的最简单之处是，离心机（见图4）可在筒满状的情况下运作，之后筒将被移走并手动清空。更为复杂的是系统将定期经过“清洗”，固体会自动从筒中刮除并落入一个容器中。与水力旋流器所产生的平均40％至60％的固体物相比，这些系统能够处理85％或以上的固体物（某些涂料）。这一系统的主要缺点就是如前所述的高费用。一个全自动系统将耗资35,000美元以上，而一个水力旋流器仅需15,000元。
图4. 污泥脱水的离心系统
由于这些离心式系统可以从粉房的水中直接拉出固体物，所以通过搅拌和循环来保持水的均匀性是至关重要的。为保证完全搅拌，许多离心系统都含有搅拌设备，其中可能包括一些诸如罐底喷雾器的设备。由于聚合物解粘剂在静水中易于沉淀，因此底部循环可以增强化学品在过滤系统及整个操作中的运作。
根据所选择的方法和效率的不同，系统里的水在处理后几乎可以免受污染。采用有效的固体物去除方法，粉房中的水可被重复使用一段时间，从而节约用水并降低处理成本。化学处理方案及污泥清除系统的选择需根据涂料类型、喷房类型及可用资金而定。事实上，只要资金可观，任何水平的水的质量都可以实现；例如，蒸馏设备就可以将溶剂完全从水中去除，而红外干燥系统可使涂料污物成为干漆粉，以尽量减少处置成本。但是大多数公司并非有用之不竭的资金花费在喷房或相关产品及水清理设备上。了解这里提供的信息及正在讨论的特定系统，可方便终端用户选择正确的化学和机械方法，尽量减少喷漆间中水污染物。这样做可降低整体运营成本，减少水的消耗，以保护最重要的自然资源之一。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(12/24/2010) |
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