我國(guó)是鑄造大國(guó)，目前擁有鑄造企業(yè)工2萬(wàn)余家，隨著我國(guó)資源與環(huán)境壓力的日益增大，政府部門(mén)提出了“實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)”與“要確保實(shí)現(xiàn)十一五規(guī)劃中確定的能耗降低20%、主要污染物排放總量減少10%”的目標(biāo)。在機(jī)械制造業(yè)中, 鑄造是基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，也是對(duì)環(huán)境有污染的行業(yè), 鑄造廠產(chǎn)生的粉塵、廢氣、廢渣、噪音等, 早已引起人們的高度關(guān)注。據(jù)報(bào)道：2013年鑄造行業(yè)排放約廢氣450至900億m3，分析其產(chǎn)生的過(guò)程, 找到產(chǎn)生的影響因素, 進(jìn)而采取治理措施，以保證鑄造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
1．鑄造有機(jī)廢氣的成因
近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，鑄造廠排放的廢氣中除含有人們熟知的CO、CO2等溫室氣體外，還含有大量對(duì)環(huán)境和人體健康有危害的多種揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compound，VOC） 和危險(xiǎn)性空氣污染物（Hazardous Air Pollutant，HAP）。在美國(guó)環(huán)保局列出的總共188種HAP中，砂型鑄造廠廢氣中已經(jīng)檢測(cè)出的多達(dá)40余種。
鑄造車(chē)間造型及制芯過(guò)程中，會(huì)釋放出難聞的氣味，這種刺激性氣味主要來(lái)源于樹(shù)脂中的游離甲醛、游離苯酚和游離糠醇，以游離甲醛和游離苯酚對(duì)人體的危害相對(duì)較大。鑄造合成樹(shù)脂在使用過(guò)程中，從制芯、存放、澆注到冷卻都會(huì)散發(fā)出不同數(shù)量的甲醛、苯酚、三乙胺、a-苯并芘、二惡英等。其中甲醛、苯酚、三乙胺呈刺鼻、惡臭和刺激性氣味，而二惡英和呋喃蒸氣則沒(méi)有氣味，甚至微帶芳香，很容易被大家所忽視，它們主要來(lái)源于三個(gè)方面：
一是甲醛和苯酚是呋喃、酚醛類(lèi)樹(shù)脂的重要生產(chǎn)原材料，由于工藝條件和技術(shù)水平的限制，有時(shí)也為滿足某種功能需要，有部分甲醛和苯酚沒(méi)有參與反應(yīng)，以游離狀態(tài)出現(xiàn)在樹(shù)脂中，例如JB/T7526-2008《鑄造用自硬呋喃樹(shù)脂》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：一級(jí)品甲醛≤0.1%，二級(jí)品甲醛≤0.3%，無(wú)氮樹(shù)脂游離苯酚≤0.5%，有氮樹(shù)脂游離苯酚≤0.3%。又GB/T24413-2009《鑄造用三乙胺法冷芯盒樹(shù)脂（酚脲烷樹(shù)脂）（含酚脲烷自硬樹(shù)脂》國(guó)標(biāo)中限定：一級(jí)品甲醛≤0.3%，二級(jí)品甲醛≤0.5%，目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的鑄造樹(shù)脂中有部分，特別是低價(jià)樹(shù)脂中含有的游離甲醛、苯酚都遠(yuǎn)高于行標(biāo)或國(guó)標(biāo)規(guī)定的限值。
二是鑄造合成樹(shù)脂在反應(yīng)固化過(guò)程中產(chǎn)生甲醛，例如堿性酚醛樹(shù)脂分子末端羥甲基（-CH2OH）與有機(jī)酯固化劑反應(yīng)的時(shí)候，會(huì)析出甲醛蒸氣（CH2O）。
三是在澆注過(guò)程中，由于高溫金屬液的熱作用和處于缺氧狀態(tài)，羥甲基（-CH2OH）基團(tuán)縮聚交聯(lián)成亞甲基（-CH2-），放出的甲醛不能完全燃燒，會(huì)揮發(fā)到大氣中。呋喃還會(huì)產(chǎn)生二惡英和呋喃蒸汽，污染環(huán)境。
三乙胺是冷芯盒兩組份樹(shù)脂快速反應(yīng)的催化劑，它本身并不參與反應(yīng)，加之滲透性強(qiáng)又比空氣重，如芯盒和三乙胺加熱和輸送管路密封稍有不慎，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)胺味就會(huì)很重。對(duì)操作員工身心健康的造成較為嚴(yán)重的影響。
2．鑄造有機(jī)廢氣的治理技術(shù)方案
對(duì)于鑄造車(chē)間產(chǎn)生廢氣的治理，源頭上是采用環(huán)保型造型材料，盡量減少有毒廢氣的排放。揮發(fā)性有機(jī)物(volatile organic compound,簡(jiǎn)稱VOC)是一類(lèi)有機(jī)化合物的統(tǒng)稱，在常溫下它們的蒸發(fā)速率大，易揮發(fā)。有些VOC是無(wú)毒無(wú)害的，有些則是有毒有害的。治理有毒有害廢氣的根本技術(shù)方案是的采用環(huán)保型造型材料：
⑴ 樹(shù)脂砂工藝仍是當(dāng)前主流造型工藝，想要完全不產(chǎn)生廢氣幾乎是不可能的，只能做到盡量減少。可選用環(huán)保型樹(shù)脂、固化劑或高效樹(shù)脂固化劑降低加入量，盡量不用小企業(yè)產(chǎn)品，質(zhì)量可信度低，游離酚、游離甲醛含量高，樹(shù)脂強(qiáng)度低，加入量高。
⑵ 選用無(wú)機(jī)粘結(jié)劑，無(wú)機(jī)粘結(jié)劑具有不揮發(fā)VOC及有毒、有害氣體等優(yōu)點(diǎn)，在高效制芯領(lǐng)域，硅酸鹽粘結(jié)劑具有很大發(fā)展空間。其生產(chǎn)工藝一般采用對(duì)模具加熱，并輔以吹熱空氣的方法加快砂芯固化。
目前，治理有機(jī)廢氣的技術(shù)方案主要有：吸收法、吸附法、冷凝法、燃燒法、生物法、低溫等離子法和光催化氧化法等。
⑴ 吸收法
吸收法是利用廢氣中各混合組分在選定的吸收劑中溶解度不同，或者其中某一種或多種組分與吸收劑中活性組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到將有害物從廢氣中分離出來(lái)，凈化廢氣效查的一種方法。根據(jù)吸收劑是否參與化學(xué)反應(yīng)分為物理、化學(xué)吸收兩類(lèi)。
物理吸收過(guò)程簡(jiǎn)單，是單純的氣體物理溶解過(guò)程。吸收劑吸收限度取決于氣體在液體中的氣液平衡濃度；吸收速率主要取決于污染物從氣相轉(zhuǎn)入液相的擴(kuò)散速度。物理吸收法多數(shù)情況下采用水作為吸收劑。
化學(xué)吸收是氣體中組分與吸收劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。吸收限度同時(shí)取決于氣液平衡和液相反應(yīng)的平衡條件；吸收速率同時(shí)取決于擴(kuò)散速度和反應(yīng)速度。化學(xué)吸收法常用的吸收劑有堿液、稀酸溶液等。
⑵ 活性炭吸附法
吸附法是利用多孔性固體吸附劑將廢氣中一種或多種有害物質(zhì)吸附于表面，達(dá)到將有害物從廢氣中分離出來(lái)，凈化廢氣的目的的一種方法。活性炭吸附法是采用活性炭為吸附劑的吸附法。
活性炭吸附拋棄法:該法在活性炭吸附飽和后，更換新的活性炭，廢棄的活性炭作為危險(xiǎn)固廢處理。主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、投資相對(duì)較省，吸附效率高，操作方便，無(wú)再生投資。缺點(diǎn)是活性炭更換頻繁，不適合用于處理有機(jī)物含量高的場(chǎng)合。
活性炭吸附回收法：活性炭吸附有機(jī)廢氣飽和后，采用低壓蒸汽對(duì)活性炭再生，使得活性炭恢復(fù)吸附能力，重復(fù)利用。再生時(shí)經(jīng)冷凝、分離等操作回收有機(jī)溶劑。采用雙吸附器切換輪流吸附或脫附，使吸附系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行。本法適用于組分單一且難溶于水的有機(jī)廢氣處理，對(duì)于多組分或水溶性有機(jī)廢氣，回收得到的混合溶液需要采用精餾、鹽析等其它分離手段處理，回收高品質(zhì)的溶劑。特別對(duì)中低濃度有機(jī)廢氣中的溶劑回收有很好的效果。
活性炭吸附-熱脫附法：有機(jī)廢氣吸附-催化燃燒凈化裝置是有機(jī)廢氣濃縮吸附凈化和催化燃燒凈化有機(jī)組合的衍生裝置。吸取了兩者的優(yōu)點(diǎn)把大風(fēng)量低濃度的有機(jī)廢氣通過(guò)吸附濃縮后，進(jìn)行徹底的氧化分解,生成無(wú)毒,無(wú)害的氣體排空,達(dá)到綜合治理凈化。首先，采用活性炭吸附裝置對(duì)大風(fēng)量低濃度的有機(jī)廢氣進(jìn)行吸附處理，凈化后的氣體達(dá)標(biāo)排放；其次，利用熱空氣回流技術(shù)，用小風(fēng)量熱空氣把吸附在活性炭上的有機(jī)廢氣采用脫附下來(lái)，脫附后廢氣被濃縮(濃縮5～10倍)；然后，濃縮后的廢氣，采用催化燃燒裝置處理，徹底氧化分解為水和二氧化碳等無(wú)毒、無(wú)害的氣體，達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，高空排放。適用于大風(fēng)量低濃度的有機(jī)廢氣的處理；
⑶ 燃燒法
燃燒法一般分為直接燃燒、催化燃燒和蓄熱燃燒三種。
直接燃燒法：利用燃?xì)饣蛉加偷容o助燃料燃燒放出的熱量將混合氣體加熱到一定溫度（700～1000℃），駐留一定的時(shí)間，使可燃的有害氣體燃燒。該法工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備投資少，但能耗大、運(yùn)行成本高。
催化燃燒法：將廢氣預(yù)熱到200～300℃，經(jīng)催化床燃燒，達(dá)到凈化目的。該法能耗低、凈化率高、無(wú)二次污染、工藝簡(jiǎn)單操作方便。適用于高溫高濃度的有機(jī)廢氣治理，不適用于低濃度、大風(fēng)量的有機(jī)廢氣治理。
蓄熱燃燒法：通過(guò)將尾氣的溫度加熱到700～850℃，實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物的完全燃燒，生成二氧化碳和水，廢氣燃燒后，通過(guò)熱交換將熱量?jī)?chǔ)存在蓄熱體內(nèi)，蓄熱體在通過(guò)熱交換將熱量轉(zhuǎn)移到低溫廢氣，達(dá)到預(yù)熱的目的。蓄熱燃燒法運(yùn)行低能耗，凈化效率高的，但是焚燒爐和蓄熱體成本較高，投資成本較高。
⑷ 生物法
學(xué)術(shù)界對(duì)生物法凈化廢氣的機(jī)理研究至今尚無(wú)統(tǒng)一的結(jié)論，荷蘭學(xué)者Ottengraf S P P依據(jù)吸附操作的雙膜理論提出的生物膜學(xué)說(shuō)在全球范圍內(nèi)有較大的影響力，為多數(shù)人所接受和認(rèn)可。該法實(shí)質(zhì)上是通過(guò)微生物的代謝活動(dòng)將復(fù)雜的有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單、無(wú)毒的無(wú)機(jī)物和其它細(xì)胞質(zhì)。目前生物處理方法主要有生物過(guò)濾法、生物吸收法和生物滴濾法等。
生物過(guò)濾法：該法是最早被研究和使用的一項(xiàng)生物處理技術(shù)，最早是用來(lái)處理硫化氫等惡臭氣體，現(xiàn)在應(yīng)用范圍擴(kuò)展到易于被生物降解的揮發(fā)性有機(jī)氣體。凈化過(guò)程中，有機(jī)廢氣經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)入生物過(guò)濾裝置。裝置中的填料是具有吸附性的濾料，多為木屑、堆肥、土壤和比表面積、孔隙率大的活性炭混合而成。填料上生長(zhǎng)著豐富的微生物，通過(guò)它們的新陳代謝活動(dòng)，各類(lèi)有機(jī)廢氣會(huì)被分解為CO2，H2O，NO3-和SO4-，從而達(dá)到有效凈化的目的。生物過(guò)濾法只有一個(gè)反應(yīng)器，液相、生物相都是不流動(dòng)的，氣液接觸面積大，使用的濾池投資少而且運(yùn)用費(fèi)用也低，對(duì)于苯系物和醛酮等揮發(fā)性物質(zhì)有很好的去除效果。
生物吸收法：反應(yīng)工藝分成廢氣吸收和微生物氧化反應(yīng)兩個(gè)部分。有機(jī)廢氣先從反應(yīng)器的下部進(jìn)入，向上流動(dòng)的過(guò)程中與填料層中的水相進(jìn)行接觸，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量傳遞過(guò)程；水夾帶著被溶解的廢氣進(jìn)入生物反應(yīng)器，其中的懸浮液生長(zhǎng)著大量微生物，利用它的代謝活動(dòng)將污染物去除。該法的優(yōu)點(diǎn)在于反應(yīng)條件容易控制，但是需要額外添加養(yǎng)料，而且設(shè)備多，投資高。此外，生物反應(yīng)器需要增設(shè)曝氣裝置，并且控制溫度、PH等條件，確保微生物工作時(shí)候的最佳狀態(tài)。
生物滴濾法：該法集生物吸收和生物過(guò)濾于一體。污染物的吸收和降解同時(shí)發(fā)生在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)。容器中的填料一般是碎石、陶瓷、聚丙烯小球、顆粒活性炭等比表面積大的物質(zhì)，起到微生物生長(zhǎng)載體的作用。事先將營(yíng)養(yǎng)液噴灑到填料表面，流出塔底并回收利用。廢氣從反應(yīng)器底部進(jìn)入，流經(jīng)填料。填料上微生物的生物膜可以充當(dāng)生物濾池，對(duì)氣相和液相中的物質(zhì)進(jìn)行氧化作用。采用生物滴濾法可以通過(guò)更換回流液體去除微生物的代謝產(chǎn)物，具有很大的緩沖能力。特別適合降解之后產(chǎn)生酸性代謝產(chǎn)物的物質(zhì)，例如鹵代烴、含S、N的機(jī)物等。生物滴濾法適合處理低濃度小風(fēng)量的有機(jī)廢氣。
⑸ 低溫等離子法
利用高頻高壓電暈放電時(shí)候產(chǎn)生的高能電子和離子，在放電過(guò)程中，電子從電場(chǎng)中獲得能量，通過(guò)非彈性碰撞將能量轉(zhuǎn)化為污染物分子的內(nèi)能或動(dòng)能，獲得能量的分子被激發(fā)或發(fā)生電離形成活性基團(tuán)，當(dāng)污染物分子獲得的能量大于其分子鍵能的結(jié)合能時(shí)，污染物分子的分子鍵斷裂，直接分解成單質(zhì)原子或由單一原子構(gòu)成得無(wú)害氣體分子如H2O。
⑹ 光催化氧化法
光解催化氧化法處理惡臭氣體機(jī)理主要分三部分進(jìn)行。
在波長(zhǎng)為185nm的高能紫外線作用下，發(fā)生光解反應(yīng)，提供647KJmol的能量，遠(yuǎn)大于C=C、C-H、C-O等分子鍵能，基本能夠完全使分子鍵斷鏈；
高能紫外線光束與空氣反應(yīng)產(chǎn)生臭氧，臭氧對(duì)惡臭氣體進(jìn)行分解氧化反應(yīng)。利用高能紫外線光束，使空氣中產(chǎn)生大量的自由電子，這些電子大部分能被氧氣所獲得，形成負(fù)氧離子（O3-），負(fù)氧離子不穩(wěn)定，很容易失去一個(gè)電子而變成活性氧（臭氧），可以氧化分解有機(jī)物和無(wú)機(jī)物，在臭氧的作用下，這些惡臭氣體由大分子物質(zhì)被分解為小分子物質(zhì)，直至礦化，UV+空氣→O-+其它負(fù)離子O2負(fù)氧離子O3-→臭氧O3；
高能紫外線光束與空氣中水分在TiO2催化劑的作用下產(chǎn)生的?OH(羥基自由基)對(duì)惡臭氣體進(jìn)行分解氧化反應(yīng)。在納米級(jí)TiO2催化劑的作用下高能紫外線光束與空氣中水分反應(yīng)產(chǎn)生?OH，同時(shí)空氣中的水蒸氣與臭氧發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)也可產(chǎn)生?OH，UV+H2OTiO2?OH，O3+H2O鏈?zhǔn)椒磻?yīng)?OH，?OH是比臭氧氧化性還強(qiáng)的氧化劑。
3．如何選用鑄造有機(jī)廢氣治理技術(shù)方案
揮發(fā)性有機(jī)廢氣一般有活性炭吸附法、水/堿/酸/氧化劑等吸收劑吸收法、生物凈化法、低溫等離子法、光催化氧化法等工藝處理。鑄造廠主要的污染物為苯酚、甲醛及醇類(lèi)等。苯酚常溫下為一種無(wú)色晶體，是一種弱酸，可混溶于醚、氯仿、甘油、二硫化碳、凡士林、揮發(fā)油、強(qiáng)堿水溶液，室溫時(shí)稍溶于水，與大約8%水混合可液化，65℃以上能與水混溶。根據(jù)苯酚混溶于強(qiáng)堿水溶性的性質(zhì)，苯酚廢氣采用堿吸收法處理；甲醛常溫下是一種無(wú)色，有強(qiáng)烈刺激性和窒息性氣味的氣體。易溶于水和乙醚。水溶液濃度最高可達(dá)55%。能與水、乙醇、丙酮任意混溶。甲醛也是強(qiáng)還原劑，在空氣中能逐漸被氧化為甲酸。根據(jù)甲醛水溶性和還原性，甲醛廢氣采用次氯酸鈉水溶液吸收法處理；糠醇與水混溶，根據(jù)糠醇水混溶性，廢氣采用水吸收法處理；
通過(guò)以上苯酚、甲醛和糠醇等污染物的理化性質(zhì)分析，采用“一級(jí)水吸收+一級(jí)堿/次鈉溶液吸收+活性炭吸附”工藝處理。次氯酸鈉和堿液共存的混合溶液用于吸收苯酚和甲醛，糠醇可通過(guò)水吸收去除，增加活性炭吸附。處理結(jié)果符合《鑄造工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB39726-2020）相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值要求；
4.結(jié)語(yǔ)
我國(guó)對(duì)鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)廢氣的管控研究還較為滯后，目前我們應(yīng)充分利用現(xiàn)有科研成果，集成已有的防控理論和治理經(jīng)驗(yàn)，形成有效的治理技術(shù)方案，促進(jìn)鑄造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展與進(jìn)步。
（于玲、朱文英，蘇州興業(yè)材料科技股份有限公司）
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