第52卷第4期                              辽    宁    化    工                                Vol.52,No. 4 2023年4月                              Liaoning Chemical Industry                              April,2023
基金项目: 辽宁工业大学2021年大学生创新创业计划(项目编号:S202110154006);辽宁省教育厅服务地方项目(项目编号:JFL201915401)。 收稿日期: 2021-05-17
涂装废水漆雾絮凝剂的研究进展
王彦博,陈国伟*,于常武,张焱,侯人玮,姚依卓,曾柏柏,程瑶,田丽美
(辽宁工业大学 化学与环境工程学院,辽宁 锦州 121001)
摘      要: 近年来,随着科技和经济的发展,人民生活水平日益提高,我国汽车保有量大幅提升,汽车产业飞速发展。高速发展的汽车产业带来了大量的涂装废水,严重危害了人类身体健康和生态环境。总结了近年来国内外涂装废水漆雾絮凝剂研究进展。相关研究通过对传统破黏剂(A 剂)和絮凝剂(B 剂)进行改性,调节使用条件,提高漆雾絮凝剂的絮凝效果。常用的A 剂一般以三聚氰胺和甲醛为原料进行制备,B 剂一般为改性的聚丙烯酰胺,当两者投放比控制在1∶1~1∶2之间时,漆雾去除效果最佳。现阶段漆雾絮凝剂的漆雾去除效果基本可以达到96%左右。  关  键  词:漆雾絮凝剂;涂装废水;水性漆;AB 剂
中图分类号:TQ085+.412    文献标识码: A    文章编号: 1004-0935(2023)04-0517-05
随着科技和经济的快速发展,人民生活水平飞速提高。截至2022年,我国机动车保有量就高达4.02亿辆[1],稳居世界第一。各类机动车都需要大量的表面涂装,汽车涂装工艺经过百年历程已由最初的作坊式涂刷方法发展到了自动流水线喷涂工 艺[2]。自动流水线涂装工艺增加了涂装效率,但也大幅度提高了各类涂装漆料的使用[3]。如今,汽车涂装年消耗各类漆料约为2 500万t [4],而大量漆料的使用必然带来更多的涂装废水。随着环保要求的日益提高,涂装废水处理的重要性逐渐凸显,因此,如何高效地处理涂装废水已成为所有汽车制造企业必须重点考虑的问题[5]。
1  汽车涂装废水的来源及特征
汽车涂装工艺主要由漆前处理、涂布以及干燥等工序组成。涂装过程中,各项工序环节都会产生脱脂废水、磷化废水、电泳废水、喷漆循环废水等多种来源不同的涂装废水[6]。
涂装废水所产生的重金属会影响作物对氮、磷、钾等营养元素的吸收,抑制作物生长,同时,由于土壤重金属污染会增加农产品中重金属含量,从而威胁农产品质量安全。因该重金属对蛋白质有不可逆的凝固变性作用,其还会损坏人体免疫防护能力。此外,涂装废水中的氮磷物质会引起水体的富营养化;而环氧树脂属高分子化合物虽呈现低毒性,但因其是致敏物,可引起接触性皮炎[7]。综上,汽车
涂装废水对环境、人类均有较大危害。
大量涂装废水的产生不仅污染环境,还会对企业生产设备造成危害[8],尤其是喷漆室内循环水水帘捕收喷涂过程中产生的飞散漆雾[9]而形成的涂装废水。捕收的漆雾粒子由于黏性大会随着循环水系统的流动而黏附在水槽和管道壁上,其污染物成分复杂、浓度高、生化性差[10],若不能得到及时的处理,会形成较大的漆团堵塞管道,导致水质恶化,甚至使循环水处理系统的崩溃。故喷漆循环水系统中必须加入絮凝剂对漆料进行絮凝分离,保护循环水的质量,减少涂装设备的维护成本,延长设备使用寿命。
2  絮凝剂
絮凝剂是通过其带有的正(负)电性基团和水中相反电性且难以分离的一些粒子或颗粒相互靠近,降低其电势,使其处于不稳定状态并利用其聚合性质使这些颗粒集中,再通过物理或者化学方法分离出来[11]。处理水中的胶体粒子处于平衡状态的因素主要有两个:一是同种类型胶体颗粒带有相同电性的电荷,因相同电荷的静电斥力阻碍相互间的聚集沉降;二是溶液中的反离子和胶体粒子与周围水分子形成水化壳,阻碍胶体的聚集沉降。胶体颗粒所携带的电荷越多,ζ电位越大,稳定性越好。胶体脱稳必须降低其ζ电位,脱稳后的胶体粒子互相凝聚并沉降,胶体粒子未经脱稳直接聚集则可以
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形成絮凝体[12]。
絮凝因处理成本低、处理效果好等优点成为了污废水处理和给水处理过程中常见的方法之一[13]。根据絮凝剂的化学属性可以将絮凝剂分为无机絮凝剂、有机高分子絮凝剂、微生物絮凝剂和复合絮凝剂4种[14]。无机絮凝剂原料来源广、使用方法简单,但单一无机絮凝剂的絮凝效率低,使用量大,所以使用成本高且具有较强腐蚀性,对生态环境和人类健康有诸多不良影响。有机高分子絮凝剂虽然使用少,絮凝能力强,还可以较好地去除油污和悬浮物,但这类凝聚剂的高聚物残余单体具有“三致”效应(致畸、致癌、致突变),因而其应用范围限制较大。微生物絮凝剂不存在二次污染,使用方便,应用前景较好,但目前使用成本较高,且其使用稳定性仍需进一步的研究。
复合絮凝剂是指将两种或两种以上的单组分絮凝剂在一定条件下经过机械混合或化学反应形成的大相对分子质量共聚复合物,其具有优异的絮凝性能[15]。复合絮凝剂充分发挥了多种絮凝剂的协同作用,其中,无机高分子组分通过吸附悬浮颗粒与杂质使颗粒凝聚并不断增大;而有机高分子组分利用吸附的活性基团所产生的网捕作用,网捕其他杂质颗粒共同沉降;无机盐则中和了污染物表面的电荷,进一步促进了有机高分子的絮凝作用,从而大幅度提高絮凝效果。综上,复合絮凝剂既克服了单一絮凝剂吸附效果差、不易降解的缺点,又实现了不同组分在性能上的互补,产生了显著的增效作用,因此,其在废水、污水处理领域所发挥的作用日益增强。涂装废水成分复杂、浓度高且生化特性差,单一种类的絮凝剂无法较好地对其进行处理,因此一般选用组合型的复合絮凝剂作为漆雾絮凝剂。
3 漆雾絮凝剂
3.1 漆雾絮凝剂简介
漆雾絮凝剂也叫漆雾凝聚剂,又叫除漆剂,在湿法漆雾治理,尤其是喷涂行业的循环废水处理中得到了广泛的应用[16]。将漆雾絮凝剂添加到汽车涂装工艺的循环水中,可以使喷漆雾进行消黏并絮集成团,从而达到有效捕捉喷漆雾的作用,避免其对设备安全使用和人体健康造成危害。对絮凝物定期打捞并清除,实现固液分离,还可以对涂装废水中的有害物质做进一步的无害化处理[17]。
常见的漆雾治理方式有干法和湿法两大类[18]。在干式漆雾治理办法中,过滤净化法是最为重要的净化方法,主要是通过引风机的抽吸作用,将漆雾吸入到漆雾过滤机中,再通过净化装置对其中的液态漆质进行过滤,从而达到净化漆雾的目的[19]。干法漆雾治理利用滤材的物理拦截方式捕捉漆雾,但漆雾的弹性及黏性会使干式滤材的网孔间形成嵌挤结构,极大缩减了滤材的寿命,同时漆雾过滤的不彻底,会导致设备污染严重,存在火灾等重大安全隐患,这在某种程度上限制了干法漆雾治理技术的应用。
湿式漆雾治理法利用了漆雾溶于液态物质的原理,在处理漆雾时,向循环水中加入絮凝剂,使漆雾与之充分混合。絮凝剂起到了改良油漆废渣性质,避免废渣粘附到管道或水池上的作用,以达到提高循环水净化效果和漆雾净化效率的目的[20]。湿式治理法中最常用的是水幕式处理法,即在喷漆房的板壁上设置一道水幕,通过风机将漆雾吹入板壁上的水幕,使漆雾在流动的水幕带动下进入循环过滤系统
中进行过滤处理[21]。湿法漆雾治理利用水或有机溶剂等对漆雾的“相似相溶”原理进行捕获,相较于干法漆雾治理方式,湿法漆雾治理方式具有捕捉效率高、性能稳定、运行费用低、安全性高等优点,更加适合作为处理汽车涂装废水。
目前市面上常见的漆雾絮凝剂以聚丙烯酰胺类为主,聚丙烯酰胺(PAM)有强大的网捕、架桥功能。工业上聚丙烯酰胺(PAM)与聚合氯化铝(PAC)的联合使用具有较好的絮凝除浊效果,目前已广泛应用于饮用水处理环节[22]。
漆雾凝聚剂主要用于处理喷涂行业的循环废水。其能捕捉进入循环水的过喷漆,包裹并穿透漆滴,从而起到破坏油漆功能基团,使其完全消除黏性的作用[23]。漆渣的完全上浮还能使喷漆房的循环水长期保持清澈、透明、无臭味,增加了使用时间,降低了运营维护成本。除此之外,漆雾絮凝剂的使用还可以有效降低水中COD含量,大幅度降低了后续废水处理的成本[24-25]。漆雾絮凝剂腐蚀性低,管路及系统不易堵塞,可较好地延长设备使用寿命,有效降低了设备维护成本。特别是以天然矿物纳米材料为主要成分的漆雾凝聚剂,具有处理效果好、绿环保、适用范围广的特点,是目前工业上应用广泛的新型环保处理药剂。
3.2 漆雾絮凝剂的组成
漆雾絮凝剂一般由破黏剂和絮凝剂两部分 组成[26]。
3.2.1 破黏剂
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破黏剂,工业上常被称为A剂,常见的破黏剂是中相对分子质量的阳离子聚合物(如聚合氯化铝),外观为白半透明液体。A剂电荷较高,具有明显的正电性,对漆滴具有很强的吸引力。当漆滴被吸附后,利用二极不同的亲和性,A剂的亲油基团将漆滴完全包裹,亲水基团伸向水中,通过化学作用穿透和破坏漆滴中的功能基团,使过喷漆雾发生电荷转移,降低界面自由能,改变颗粒的表面性质,进而消除黏性,待形成不稳定的细小颗粒后,带动被包裹的漆滴上浮至循环水表面[27]。
3.2.2 絮凝剂
絮凝剂,工业上又被称为B剂,主要是由高分子阳离子聚合物、表面活性剂等组成的高分子聚合物水溶液(如PAM水溶液),外观为无至淡黄黏稠液体,主要作用是聚集被破坏的油漆颗粒和杂质成分较大的基团,使其坚固和黏合,增强机械脱水的效率。B剂因其长链网状的分子结构,具有良好的吸附架桥作用,能够有效地捕捉水中已消除黏性的细小漆雾颗粒,中和系统电荷,保持系统中的离子平衡,并利用长链网状的分子结构使漆雾颗粒形成海绵状的大块絮状物,从而浮在水面上[28]。该絮状物坚固、黏合且具有较强的机械脱水效率,更易与水分离,便于打捞去除,保持循环水的清澈。B剂相对分子质量较大,一般可根据实际工业需求,增大质量、表面积疏松密度,加快凝集基团在系统中的上
浮或沉降速度。
3.3 漆雾絮凝剂的研究现状
随着喷涂行业的发展,油漆的大量使用,汽车涂装废水的科学化处理亟待解决,漆雾凝聚剂成为了近年来的研究热点[29],形成了众多的产品种类。
涂仁杰等以三聚氰胺与甲醛制备破黏剂(即A 剂),并以硫酸铝对聚丙烯酰胺进行改性制得絮凝剂(即B剂)。研究表明,两者的投加量在体积比为 1∶1时,能达到最佳的凝聚效果[30-31]。此时水中的漆雾去除率可以达到98%,凝聚剂的成本约为 1.8 元·kg-1。与传统漆雾絮凝剂相比,油漆废水中的漆雾去除率提高了15%,药剂成本下降了10%,具有明显的经济效益与环境效益。
李远兵等对常见的A剂、B剂进行改性。研究发现,当三聚氛胺与甲醛的摩尔比为1∶2、羟甲基化反应时pH控制在8~9之间时,制备的A剂对油漆具有较好的去除效果[32]。该制备条件下制得的A 剂漆雾去除率高达97.43%。该研究还通过向B剂中添加改性剂的方式,加强了改性剂与阳离子聚丙烯酰胺的相互协同作用,提高了漆渣的凝聚效果。
陈沁等通过加入醇类和胺类等物质对传统破黏剂进行改性,可以达到清除残余甲醛的效果,减少了该试剂对人体和环境的危害[33]。研究发现,当三聚氰胺、甲醛、助剂的摩尔比例为1∶2∶1,油漆废水
完全脱黏,漆渣上浮效果好,漆泥呈现细泥状,此时水质清澈,漆雾去除率可达97.1%。若联合使用阴离子型聚丙烯酰胺作为絮凝剂,并将两者体积比控制在1∶1时,漆雾的总去除率可进一步提升 至97.8%。
曾德芳等以三聚氰胺和甲醛为原料制备新型高效的漆雾凝聚剂,并使用过氧化氢去除反应过程中的少量游离甲醛[34]。絮凝剂B主要由阴离子和阳离子型聚丙烯酰胺混合制得。当两者体积比为1∶1时,凝聚效果最好,此时漆雾去除率高达98%。漆雾凝聚剂成本仅为1.6元·kg-1,有效降低了漆雾絮凝剂的成本。曾德芳等还在传统破黏剂的基础上加入阻聚剂[35],提高了其稳定性。实验研究显示,改良后的破黏剂在使用180天后仍具有较好的漆雾去除效果,而传统破黏剂在放置60天后就会变成凝胶。可见,此种改良方法可以有效提升破黏剂的存储时间,更加适应实际生产以及运输要求。
陈燕等通过接枝丙烯酰胺、乙二醇分别对传统漆雾凝聚剂的破黏剂和絮凝剂进行改性[36],所得药剂与传统水性漆的漆雾凝聚剂相比,处理后的水质浊度下降了2.6%,制备成本下降了12%,且破黏剂的消黏性和稳定性都得到了明显的改善,具有较好的经济效益。
郭蔚敏[37]等研究破黏剂三聚氰胺甲醛树脂的改性。通过增加树脂的链长,使其带有—NH、 —CH2OH等正负双电荷基团,以此来提高破黏剂的水溶性和电中和作用,有效地增加了传统破黏剂的稳定性、分散能力和脱黏效果。改性后的聚丙烯酰胺(PAM)作为絮凝剂剂,相对分子质量增大,且带
有丰富的阴阳离子。研究发现,改性后破黏剂的脱黏效果与絮凝剂的内聚、漂浮效果相辅相成,协同互补,提升了漆雾絮凝剂的内聚性能,从而有效提高了漆雾絮凝效果。该新型漆雾凝聚剂的浊度去除率能达到99%,且药剂成本下降了14.8%。
曾卉等通过含烷烃类及树脂类高分子化合物、聚合氯化铝(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM)自制漆雾絮凝剂ZL[38]。研究表明当三者成分比例为 2∶1∶1时,该漆雾絮凝剂对水中COD及悬浮物的去除率可分别达到96.5%和81.4%,远高于传统漆
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雾捕捉法条件下74.9%和79.9%的去除率。
综上可见,漆雾絮凝剂的相关研究主要集中在对传统破黏剂(A剂)和絮凝剂(B剂)进行改性,调节反应温度、时间、pH值和两者间的投放比例等方面,研究的主要目的是提高漆雾絮凝剂的絮凝效果。常用的A剂一般以三聚氰胺和甲醛为原料进行制备,B剂一般为改性的聚丙烯酰胺,当两者投放比控制在1∶1~1∶2之间时,漆雾去除效果最佳。经过大量的科学研究,漆雾絮凝剂的絮凝效果得到了有效提升,现阶段漆雾絮凝剂的漆雾去除效果基本可以达到96%左右。
4 结 论
经过大量漆雾絮凝剂的研究,对传统的破黏剂和絮凝剂做了较好的改性,漆雾去除效果得到了大幅度的提升。目前,一般的漆雾絮凝剂的漆雾去除率可达到96%以上。但相较对漆雾絮凝剂的改性、投放比、反应温度、pH等条件的研究而言,有关漆雾絮凝剂大规模生产和降低成本、长期保持稳定性等方面的研究稍显不足。另外,该行业缺少统一的评价机制或标准,还需要相关管理部门和研究人员做进一步的探究及归纳总结。
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same time, the pressure loss was also slightly increased. The comprehensive heat transfer factor was calculated from the two aspects of heat transfer and resistance, and the maximum value was obtained when the particle size was 20 nm and the volume fraction was 2.5%.
Key words: Nanofluid; Heat transfer enhancement; Numerical simulation; Pressure loss
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Research Progress of Paint Mist Flocculant for Coating Wastewater
WANG Yan-bo, CHEN Guo-wei*, YU Chang-wu, ZHANG Yan, HOU Ren-wei,
YAO Yi-zhuo, ZENG Bai-bai, CHENG Yao, TIAN Li-mei
(School of Chemical and Environmental Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou Liaoning 121001, China)Abstract: In recent years, with the development of science-technology and economy, people's living standards are improving day by day, China's automobile ownership is increasing significantly, and the automobile industry is developing rapidly. The rapid development of automobile industry has brought a large amount of coating wastewater, which seriously endangers human health and ecological environment. In this paper, the research progress of paint mist floccula
nt for coating wastewater at home and abroad in recent years was summarized. Relevant researches have improved the flocculation effect of paint mist flocculant by modifying the traditional viscosity breaker (agent A) and flocculant (agent B), adjusting the service conditions. The commonly used agent A is generally prepared with melamine and formaldehyde as raw materials, and agent B is generally modified polyacrylamide. When the dosage ratio of the two is controlled between 1∶1 and 1∶2, the paint mist removal effect is the best. At present, the paint mist removal effect of paint mist flocculant can basically reach about 96%.
Key words: Paint mist flocculant; Coating wastewater; Water-based paint; A agent and    B agent