Емисионен контрол при химична повърхностна обработка на метали и пластмаси

Индустрията за повърхностна обработка играе основна роля за удължаване живота на металите и пластмасите, които се използват например в автомобилостроенето и строителството. Химичното третиране на повърхности се прилага и за оборудване, увеличаващо безопасността или редуциращо консумацията на други суровинни материали (например галванизиране на самолетни и автомобилни спирачни и окачващи системи или на дюзи за автомобилни двигатели с цел намаляване на потреблението на гориво). Основните екологични проблеми, възникващи в резултат на повърхностната обработка на метали и пластмаси, са свързани с консумацията на енергия, вода и суровини, емисии в атмосферата, повърхностните и подземните води, и генерирането на твърди и течни отпадъци.

Повърхностните обработки традиционно се свързват с високо водопотребление и създаването на влажна работна среда. Използваните химикали имат потенциала да окажат негативно въздействие върху околната среда, най-вече върху повърхностните и подземните води и почвите. Отделените от отпадъчните води метали се събират като твърди отпадъци и за обезвреждането или възстановяването им може да е необходимо прилагането на специални методи. Сред проблемите в сектора е и отделянето на изпарения и прах във въздуха.

Мерките за постигане на по-добри екологични характеристики често са комплексни и трябва да бъдат съобразени спрямо потенциалния им ефект върху продуктите и други процеси, възрастта и вида на инсталацията, както и ползите за околната среда като цяло. Прилагането на усъвършенствани процеси и техники на третиране също е важна част от подобряване на екологичните показатели на съоръженията в бранша. Правилната експлоатация и регулярната поддръжка са също толкова съществени, колкото изборът на технология.

Източници на емисии

Причините за управление на емисиите във въздуха от инсталациите за повърхностна обработка са две. На първо място е спазването на изискванията за здраве и безопасност в работните условия и предпазване на служителите от опасни вещества. В допълнение, работната атмосфера с висока влажност, киселинност, алкалност или съдържание на други химикали и/или частици може да е корозивна за материалите, детайлите, субстратите и оборудването. Това може да доведе до проблеми като влошаване на качеството на суровините, корозиране и бракуване на готови продукти, възникване на неизправности в оборудването и бързо увреждане на производствените помещения. В много инсталации, за да се избегнат подобни проблеми, се осъществява аспирация на водни пари, както и на киселини, основи и други газообразни или аерозолни замърсители.

Емисиите във въздуха могат да бъдат под формата на газове, пари, мъгли и частици. Сред основните източници на емисии в сектора са процесите, извършвани във ваните за байцване и сваляне на покрития, ваните за електролитно обезмасляване, отделни процеси на обработка, както и някои операции по изваждане на детайлите от ваните и промиване (особено когато промивките се осъществяват при висока температура и/или чрез струя). Частици могат да се отделят при механични процеси като финишна обработка и полиране, или да се формират вследствие на изпарението на водата от мъгли, съдържащи различни химикали.

От дейностите по повърхностна обработка на метали и пластмаси под формата на газ могат да се отделят и вредни вещества, например азотни оксиди, флуороводород и хлороводород, както и аерозоли, съдържащи основи, киселини или други химикали (например разтвор на натриева основа, сярна киселина, хромни съединения, цианиди и др.).

Мерките, които могат да бъдат предприети за минимизиране на емисиите на замърсители във въздуха, включват замяна на въздушното разбъркване на разтворите с циркулиране чрез изпомпване или механизми, които движат решетките, на които са нареждат обработваните детайли, покриване на ваните, които не се използват непрекъснато, и използване на добавки, потискащи формирането на аерозоли, например при хромиране.

Добавки

Формирането на нитритни и хексавалентни хромни (Cr(VI)) йони от разтворите за байцване може да бъде предотвратено посредством използването на специални добавки. По този начин могат да бъдат редуцирани и емисиите на флуороводород и азотни оксиди, така че да не се налага инсталирането на скрубер за отделящите се газови потоци.

Аерозолните емисии на Cr(VI) йони от вани за полагане на хромни покрития също могат да бъдат сведени до минимум чрез флуорирани добавки, които обаче са базирани на полифлуориран октил сулфонат – токсично и биоакумулиращо се съединение. Формирането на аерозоли от процесите на алкално байцване или анодиране може да бъде предотвратено чрез използването на повърхностно активни вещества.

Аспирационни системи

Покриването на ваните от технологичните линии за повърхностна обработка или за времето на престой на детайлите, или когато не са в експлоатация, свежда до минимум емисиите в работната среда и съответно в атмосферата. Контролирането на пространството над ваните чрез поставяне на капаци намалява количеството въздух за аспирация и третиране.

Количеството въздух, изтегляно от аспирационната система, и количеството на съдържащите се в него замърсители се определят от няколко параметъра. Това са големината на ваната, режимът й на експлоатация, температурата й, физикохимичните характеристики на използваните химикали, допустимите концентрации на работното място, употребата на добавки, процедурите по емисионен контрол, видът, размерът и плътността на частиците. Сред факторите са и големината на пространството между вентилационните отвори и повърхността на ваната, силата на електрическия ток при електролитните процеси, както и видът на разбъркване на работния разтвор (въздушно, рециркулация на потока или с ежектор).

Емитираните замърсители с отделящия се от ваните въздух се сепарират, когато това е необходимо за постигане на определените норми. Това се осъществява с помощта на пречиствателни съоръжения като скрубери с пълнеж, филтри за мъгла за аерозоли и капки, комбинации от капкоуловители и филтри, циклони, електрофилтри или други видове филтри.

От дейностите по химична повърхностна обработка на пластмаси и метали обикновено се отделят малки количества азотни оксиди. Това е характерно за процесите на байцване и полиране, като емисиите са ниски и не налагат използването на система за каталитична редукция.

Системите за аспирация могат да окажат значимо въздействие върху енергопотреблението, свързано с допълнителната електроенергия за захранване на вентилатори и помпи, загубите на загрято работно пространство при температура на околната среда под 12°C и нежелано охлаждане на процесния разтвор, дължащо се на увеличено изпарение.

Редуциране на аспирирания въздух

Най-широко прилаганите аспирационни системи включват чадъри, разположени странично на зоната, в която постъпват решетките с наредените върху тях детайли, и над ваните с разтвори. Ефективността на системата зависи от минималната скорост на въздушния поток, необходима за улавяне на издигащите се пари или аерозоли от най-отдалечената точка спрямо аспирационния чадър. Стойностите за тази скорост варират между 0,2 m³/s за улавяне на водни пари и 0,5 m³/s за аерозоли от разтвори за твърдо хромиране. Обемът на аспирирания въздух зависи от площта на свободната повърхност на разтвора.

Количеството изтеглян от аспирационната система въздух може да бъде намалено по три начина. Първият включва редуциране на свободната повърхност над ваните, като тук вариантите също са няколко. Тъй като опасните пари или аерозоли се формират основно при обработка, фиксираните към транспортна система капаци са подходящо решение за намаляване на обема на аспирирания въздух с 60-75% от нормалния дебит без редуциране на свободната повърхност.

Друг вид капаци покриват всички вани, от които се отделят пари или аерозоли във всеки един момент освен при зареждане и изваждане на детайлите. В този случай степента на изтегляне на въздуха може да достигне над 90%. Основно предимство на тази система е, че за капаците не е необходимо отделно задвижване, тъй като те се придвижват едновременно със събирателната вана на транспортьора.

Алтернатива, макар и по-скъпа, е и използването на закрепени към ваните капаци, задвижвани поотделно или отварящи се, или затварящи се автоматично при зареждане на детайлите. Обикновено тази система се комбинира с устройство за автоматично увеличаване на обема изтеглян въздух, когато капаците са отворени. С тази технология количеството аспириран въздух може да се намали с до 90%.

При втория метод за намаляване на обема на изтегляния въздух се използва смукателен чадър и разположен противоположно на него въздухопровод, създаващи въздушен поток над повърхността на ваната. Повърхността на разтвора трябва да е такава, че да не се възпрепятства въздушният поток. Поради тази причина приложението на метода е ограничено.

През последните години разпространено решение е и пълното затваряне на работната зона. Линиите за химична повърхностна обработка се инсталират в ограждение, а системите за управление на процеса и станциите за зареждане/отнемане се разполагат извън него. Тъй като за предотвратяване на корозията на оборудването все пак е необходимо изтеглянето на значително количество въздух, техниката не позволява реализирането на по-големи енергийни спестявания в сравнение с останалите алтернативи.