工业生产中酸雾的控制技术
摘要： 介绍了现代工业生产中酸雾的主要来源、排放特点和造成的危害，重点介绍了液体吸收法、固体吸附法、过滤法、静电除雾法、机械式除雾法和覆盖法等酸雾控制技术。
1 酸雾的来源
通常所说的酸雾是指雾状的酸类物质。在空气中酸雾的颗粒很小，比水雾的颗粒要小，比烟的湿度要高，粒径为0.1~10 μm，是介于烟气与水雾之间的物质，具有较强的腐蚀性[1]。
酸雾主要产生于化工、电子、冶金、电镀、纺织(化纤)、机械制造等行业的用酸过程中，如制酸、酸洗、电镀、电解、酸蓄电池充电等。另外，在一些科学研究的过程中，也会使用到不同的酸[2]。因为这些用酸工艺过程中使用的往往是多种酸的混合物，所以排放出的废气也大多是多种酸雾的混合。
2 酸雾的形成机理
酸雾的形成机理主要有两种：一种是酸液表面蒸发，酸分子进入空气，与空气中的水分凝并而形成雾滴；另一种是酸溶液内有化学反应，形成气泡上浮到液面后爆破，将液滴带出[3]。另外，伴随酸雾排放过程不可避免地会有呈分子态的酸性气态污染物如SO2和NOX等的排放，所以其排放过程和排放物成分比较复杂。
3 酸雾的危害
导致大气酸化的首要污染物是化石燃料在燃烧过程中排放出来的二氧化硫和氮氧化物，而酸雾的排放也不容忽视，因为和燃烧烟气相比较，酸雾的腐蚀力更强、毒性更大。例如就硫酸雾来讲，它的毒性比二氧化硫高约10倍之多。
酸雾的排放会造成工作场所的空气中酸雾和酸性气体弥漫，排入大气后又会造成大气环境中的酸沉降。它不仅危及工人及厂房周围居民的身体健康[4,5]，腐蚀厂房设备及精密仪器，造成生产和生活的损失，而且还会对农作物及其他动植物的生存带来不良影响[6～9]，造成对建筑物、文物古迹等的损坏等[10]。
因此，人们在加强对燃煤烟气、汽车尾气等进行治理的同时，也迫切需要采取得力措施控制酸雾的排放，以遏制大气环境的酸化和酸雨的发展。
4 去除酸雾的方法
现今控制酸气排放的方法主要有：液体吸收法、固体吸附法、过滤法、静电除雾法、机械式除雾法及覆盖法等。下面对这几类方法进行简要介绍。
4.1 液体吸收法
液体吸收一般包括水洗法和碱液中和法。碱液吸收常用的吸收剂有10％的Na2CO3、4%~6%的NaOH和NH3等的水溶液。所采用净化处理设备主要有洗涤塔、泡沫塔、填料塔、斜孔板塔、湍球塔等[11，12]。其主要净化机理是使气、液充分接触，酸、碱中和，从而提高净化效率。
液体吸收法的优点是设备投资较低，工艺较简单。缺点是[13]：⑴ 耗能耗水量大、运行费用高；⑵ 容易带来二次污染；⑶ 在北方的冬天还容易因结冰而导致设备无法正常运行；⑷ 由于硝酸雾中含有不易溶于水的NO，因此液体吸收法对硝酸雾的净化效率比较低。
4.2 固体吸附法
常用的吸附剂有活性炭、分子筛、硅胶、含氨煤泥等。北京工业大学研制成功一种可以治理多种酸雾的吸附剂——SDG吸附剂，曾被国家环保总局列为1992年最佳实用技术和1995年可行实用技术[14]。目前该吸附剂已在多个行业中得到成功的应用。它可以净化硫酸、硝酸、盐酸、氢氟酸、醋酸、磷酸等各种酸气(雾)。尤其适用于浓度小于1000 mg/m3的间歇排放的酸洗操作场所。
与现有的其他吸附剂相比，SDG酸雾吸附剂具有以下优点：⑴ 吸附剂原料及制作成本低；⑵ 吸附效率高，吸附容量大；⑶ 吸附过程以化学吸附为主，形成的产物性质稳定，所以吸附完成后的吸附剂可以直接抛弃，无需再生，节约了相应的工艺和设备消耗。吸附法净化设备有固定床吸附器、移动床吸附器、回转式吸附器等[15]。
吸附法净化酸雾的优点是：⑴ 能比较好地去除伴随硝酸雾产生的氮氧化物的污染；⑵ 设备简单，操作方便；⑶ 干式工艺，不产生二次污染。其缺点是：由于吸附剂的吸附容量有限，造成设备庞大，且过程为间歇操作。因此，吸附法仅适用于净化处理酸雾浓度较低的废气[3]。
4.3 过滤法
酸雾过滤器的滤层主要包括板网、丝网和纤维三种型式。板网除雾器的滤层通常由聚氯乙烯材料制作，交错叠置于设备内。丝网除雾器中的丝网一般由聚乙烯或耐腐蚀不锈钢材料制作而成。纤维除雾器的纤维材料则以聚丙烯和玻璃纤维居多。图1和图2分别为塑料板网和除雾丝网[1]。图3[3]为文丘里丝网除雾器。图4[16]为筒式纤维除雾器的一只筒式元件。
 图1 塑料板网 |
 图2 除雾丝网 |
 图3 文丘里丝网除雾器 |
 图4 筒式纤维除雾器之筒式元件 |
过滤法的除雾机理是：不同粒径的酸雾滴悬浮在气流中，由于互相碰撞而凝聚成较大的颗粒，在经过丝网、板网或纤维层时，通道弯曲狭窄，在惯性效应和钩住效应(咬合效应)作用下，附着在丝网、板网或纤维上。不断附着的结果使细小的酸液滴增大并降落下来，最后流入集液箱回用[2]。
过滤法对密度较大、易凝聚的酸雾如硫酸雾、铬酸雾的净化效果较好，但对雾滴较小的酸雾去除效果不够理想，对气态污染物则几乎没有去除能力。
4.4 静电除雾法
酸雾静电捕集器是静电收尘器系列产品中的一个种类，静电收尘成为专利技术后，第一次成功的实际应用便是1907年用于硫酸雾的捕集 [17]。
静电除雾技术的工作原理[18]如图5所示。
 图5 静电除雾的工作原理 |
与静电除尘相仿，通过静电控制装置和直流高压发生装置，将交流电变成直流电送至除雾装置中，在电晕线(阴极)和酸雾捕集极板(阳极)之间形成强大的电场，使空气分子被电离，瞬间产生大量的电子和正、负离子，这些电子及离子在电场力的作用下作定向运动，构成了捕集酸雾的媒介。同时使酸雾微粒荷电，这些荷电的酸雾粒子在电场力的作用下，作定向运动，抵达到捕集酸雾的阳极板上。之后，荷电粒子在极板上释放电子，于是酸雾被集聚，在重力作用下流到除酸雾器的储酸槽中，这样就达到了净化酸雾的目的。
同电除尘器类似，静电除雾器也有立式、卧式、多管式和线板式等多种型式。
由于静电除雾器一般处在酸性气氛中，所以必须使用防腐性能较好的材料制造。常用的材质有铅质、硬PVC和玻璃钢三种类型。其中铅制静电除雾器应用的历史最久。除雾器阴极电晕线的材质也有很多种，如镍铬钢丝外包铅、钛钯合金线[19]、钛丝等。
静电除雾器工作时要在阴阳两极之间产生不均匀电场，所以需要两极都可以导电。一般玻璃钢或聚氯乙烯等非金属材料的静电除雾器采用借助液膜导电的方法[20]；也有用玻璃钢和石墨混合压制而成的导电玻璃钢[11]，或采用在玻璃钢阳极内层加一层碳纤维垫[20]的方法来解决导电问题。
静电除雾器有以下优点：⑴ 除雾效率高，如宝钢冷轧厂酸洗工艺段采用的静电除雾器除雾效率高达99.55% [19]；⑵ 性能稳定。缺点有：⑴ 易产生电晕闭塞、电晕极肥大等问题[21]；⑵ 设备体积大、价格高；⑶ 适应面窄，只适用于硫酸雾和铬酸雾[22]，并且对呈分子状态的酸性气体基本无净化作用。
4.5 机械式除雾法
这类方法的原理是借用重力、惯性力或离心力的作用使雾滴与气体分离，从而达到净化目的。常用的设备有折流式除雾器、离心式除雾器等。
折流式除雾器示意如图6[3]所示，图中为折流板的一段，包括两块折流板，是构成一个通道的壁。在通道的每个拐弯处装有一个贮器，收集并排出液体，液滴与气体在拐弯处分离。当气流经过拐弯处，惯性力阻止液滴随气体流动，一部分液滴碰撞到对面的壁上，聚集形成液膜，并被气流带走聚集在第二拐弯处的贮器里。这部分在第一个拐弯处分离出来的液滴，包括大的液滴和部分靠近第一个拐弯处外壁运动的细滴。剩余的细滴经过通道截面重新分配后能够靠近第二个拐弯处。同样，部分靠近第二拐弯处外壁的液滴，经过碰撞外壁，聚积成液膜并聚集在第三个拐弯处的贮器里。最后，经过除雾的气流离开折流分离器。
 图6 折流式分离器示意图 |
离心式除雾器[3]主要适用于分离直径在0.05～0.4 μm范围内的极微细的液滴。它的结构比较简单，设备的防堵性能较好，适用于酸雾中带固体或带盐分的废气除雾。其主要原理是：含雾的气体以约20 m/s的速度进入螺旋管道，且流向分离器的中心。当气体流向中心时，气体的旋转速度逐渐加大，离心力也逐渐加强。由于这个向心力场的作用，液滴从气流中分离并被带出，从而实现了气液分离。在设备的中心，向含雾气体中喷射水，有利于液滴分离。喷出的较大水滴会黏着在旋转气流中的非常微细的液滴上。聚集后的液滴积聚在壳体壁上，由气流把这些液滴带至排出口。
为了分离吸收塔顶部的雾沫夹带，进一步导致旋流板除雾器的出现。它的作用是使气体通过塔板产生旋转运动，利用离心力的作用将雾沫除去，除下的雾滴从塔板的周边流下。该塔板除雾器的除雾效率可达98％～99％，且结构比较简单，阻力介于折流板与丝网除雾器之间。如图7[3]所示。
 图7 旋流除雾板原理图 |
机械式除雾法的优点是除雾效率高； 酸液可回收再用； 结构简单，易于操作。其缺点主要在于对呈分子状态的酸性气体基本无净化作用。
4.6 覆盖法
有些工艺如金属酸洗工艺使用较大的开放式工艺槽，酸雾不易有效收集，所以采用悬浮塑球覆盖或用抑雾剂产生泡沫来封闭液面等方法防止酸雾外溢，这类方法称作覆盖法。
悬浮塑球可在酸液液面上形成一层不流通空气的绝缘层，延缓了酸液的蒸发和挥发，该方法可以减少70％以上酸雾的排放[23]。
抑雾剂成分一般为表面活性剂，加入酸液之后可使气液界面的张力有所降低。这样使酸液中化学反应产生的气泡在较小直径时周围就吸附了活性分子膜，向液体表面浮起。这些较小泡沫所含的能量比未加抑雾剂时产生的气泡所含能量大大降低，所以冲破液面时带出的液体也比不加抑雾剂时大大减少。上升的气泡也不会马上破裂，而是停留在液面上，当很多气泡停留在液面而不破裂时，就形成了泡沫。泡沫可以吸收和抑制酸雾的挥发和排放。
另外，在金属酸洗工艺中，为了减少酸液对基体金属的侵蚀，常常加入缓蚀剂。缓蚀剂一般为有机成分，可以吸附于待处理金属表面而形成一层保护膜，从而将金属基体屏蔽起来，大大减少了金属基体与酸介质的作用，这样既减少了金属因过度酸洗造成的损耗，又避免了酸液与金属基体反应产生的气体带出更多酸雾[24]。
缓蚀剂抑雾剂同时加入则起到减少基材的浪费、节约酸洗用酸、治理酸雾等多种作用。
覆盖法的优点是成本低，工艺简单；缺点是有可能对生产过程造成不便或对产品质量有程度的影响。如采用悬浮塑球覆盖时可能引起工件取放不便，使用缓蚀剂则可能造成产品表面出现色斑[25]等。
5 结 语
随着社会的发展，各国环境标准的制定日趋严格，对酸雾控制技术的要求会越来越高，这必将进一步促进酸雾控制技术的更快发展。
但酸雾控制毕竟是末端治理，随着科学技术的发展，清洁生产已经日益收到人们的重视，所以，从生产工艺本身的角度考虑，改进生产工艺或采取替代工艺，来杜绝酸雾的发生，如用无氰电镀代替传统的氰化电镀工艺[26]，这也正是环境保护的发展方向。
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