膜分离技术在汽车电泳涂装中的应用

膜分离技术在汽车电泳涂装中的应用
关键词：超滤，反渗透，离子交换，极罩
论文摘要：介绍了超滤、反渗透、离子交换等膜分离技术在汽车电泳涂装中的一些应用情况，并作了必要的经济评价。
正文
1 前言
膜分离技术是高科技领域中的一门新兴学科，其研究始于本世纪30年代，50年代后迅速发展，各种膜分离过程陆续被确立，如微滤、超滤、反渗透、电渗析、液膜等等。因膜分离过程不发生相变，可在
常温下进行，能耗低，适用范围广，分离装置简单，操作容易，易控制，分离效率高，具有常规分离方法无法比拟的许多优点。在许多领域皆有广泛应用，仅在汽车电泳涂装过程中便有多种膜分离技术及装置得以成功的运用，是一种先进的分离方式和工艺手段。
2 超滤及超滤器在电泳涂装中的应用
2.1 超滤
超滤（简称UF）是一种膜分离技术。它是以UF膜两侧压力差为动力，以机械筛分原理为基础的一种溶液分离过程。使用压力通常为0.1～0.6Mpa，分离孔径1nm～0.1µm,截留分子量500～1000000左右。在电泳漆UF过程中，当电泳漆接触到UF膜时，溶液和无机盐可通过UF膜，类似树脂和颜料大小的分子则无法通过，被滞留在漆液中，输送回电泳槽。
2.2 超滤器在电泳涂装中的应用
UF器是电泳涂装线上的关键设备，其用于电泳线上的主要目的在于通过UF器从电泳槽中获得去离子水和漆的溶剂，提供电泳件的冲洗用水，将附着在电泳工件上过剩的电泳漆清洗下来，返回电泳槽。这样可以回收利用工件表面带出的电泳漆，实现闭路循环，为企业节省30%的购买电泳漆的费用；其次可通过放掉部分UF液，排除涂漆工艺过程中带入电泳槽的杂质离子，使电泳槽工作液的杂质含量保持在工艺规定的电导和pH值范围内，循环利用UF液代替去离子水作为电泳后工件的冲洗水，基本上不排放电泳漆，避免了去离子水直接清洗排放的废水处理负荷，减轻了环境污染。
3 反渗透技术在电泳涂装中的应用
3.1 反渗透
反渗透（简称RO）是用足够的压力使溶液中的溶剂通过RO膜分离出来，它与自然渗透方向相反，根据各种物料的不同渗透压，就可使用大于渗透压力的RO法进行分离、提纯、浓缩，其分离对象主要是溶液中的离子范围。在电泳涂装过程中，RO主要用于涂装工艺用纯水的生产，再是和UF装置联用，对UF液进行RO后作后冲洗用水，实行彻底的封闭循环，达到零排放。
3.2 RO生产涂装工艺用纯水
RO器生产的纯水电导一般在10µS/cm以下，接近去离子水系统，而电泳涂装所要求的工艺用水一般在10µS/cm左右，因而RO出水水质能满足电泳涂装工艺用水的要求。附表是产量10t/h的纯水用RO法和离子交换（IEC）法生产所作的技术经济比较。
附表 1998年IEC与RO纯水系统技术经济比较
RO法 IEC法
一次性设备投资/万元 63.5 35
一次性纯水成本/元‧mֿ³ 2.66 6.0
注：设备价格为沙市水处理厂产品出厂价格，其中RO采用美国原装组件。一次性纯水价取自海洋二所RO与IEC技术经济比较。
从附表数据可看出，RO制水成本低，仅为IEC的1/3左右，尽管一次性设备投资大，运行电力费用高一些，但是化学品消耗很低，维修和总体产水成本均较低，与IEC比，一年即可收回超出IEC设备的投资。同时RO系统占地面积小，仅为相同产水量IEC设备的1/3，可降低厂房基建投资，操作简单，清洗周期长，无环境污染，且出水水质好、稳定。RO产水中不含颗粒，99%截留SiO2，100%截留细菌。因此从总体上讲，RO作为生产涂装工艺用水的设备是较为经济、适用的。
3.3 应用RO使电泳工艺形成完全封闭系统
在传统的电泳后水洗工序中，采用UF装置在回收电泳漆的同时，利用UF液反工艺流程方向导入各清洗槽中清洗工件，最后再用纯水冲洗一次即可，通常清洗液排放掉。而现在国外通常在UF器之后采用RO对电泳UF液进行分离，用所得渗透液代替纯水进行最后一级电泳后冲洗，使电泳及其后冲洗形成一个完全封闭回路，提高电泳漆利用率，节约纯水，减轻废水处理负荷。
根据AMT公司的报告，对一套去离子用量20GPM（约4.8m3/h）的后冲洗系统，采用UF系统后RO处理与UF后直接纯水冲洗经济比较如下：
RO成本 34.2万元/a
去离子水成本 132.4万元/a
一年节约98.2万元，而一套5m3/h的RO装置一次性投资45.9万元（沙市水处理价，采用进口美国膜组件），不到一年可收回投资，效益明显。
4 离子交换膜及装置在电泳涂装中的应用
4.1 离子交换膜
离子交换（简称IEC）膜是一种高聚物电解质膜，它是在直流电场作用下，以电位差为推动力，工作时溶液中带正电荷的阳离子在电场作用下作定向运动穿过带负电荷的阳膜，但被带正电荷的阴膜排斥，同样溶液中带负电荷的阴离子能穿过带正电荷的阴膜，而被带负电荷的阳膜所排斥。
IEC膜产生的作用并非离子交换作用，而是起离子选择性透过作用，是离子选择性透过膜，离子交换膜的特性适于在涂装工艺中组装成电渗析器用于水的预脱盐以及电泳槽中极罩的制作。
4.2 电渗析器用于水的预脱盐
IEC膜是电渗析器的核心，电渗析不同于离子交换过程在于其是在外电场作用下，水中电解质透过IEC膜进行选择性迁移，从而达到除去离子的目的，而离子交换过程靠IEC树脂对水中电解质离子的交换作用达到去除水中离子的目的。在某些汽车厂涂装工艺用水生产中遇到原水浓度较高时（例如深井水等），直接利用离子交换法，再生频繁，不但要消耗大量酸碱，还会形成大量酸碱废液，污染环境。一般采用电渗析进行离子交换的前处理，可脱除原水中大部份盐分，大大减轻离子交换的负荷，延长使用周期，降低操作成本。
4.3 阴、阳极罩在电泳涂装中的应用
极罩（又称隔膜电极）是电泳槽中的必配设备，IEC膜是极罩的重要组成部分。极罩在电泳涂装中有两个主要作用：一是在电泳槽中与工件形成对应电极，作相反电极使用；二是利用IEC膜选择性移去电泳槽中过多的有机酸或有机胺等，阳极电泳使用的是阴极罩，所用的隔膜为阳离子交换膜（简称阳膜）；阴极电泳使用的是阳极罩，所用的隔膜为阴离子交换膜（简称阴膜）。极罩工作原理以沙市水处理设备厂产TAS管式阳极罩为例说明，极液通过极液泵从极液箱输送至各TAS阳极罩顶部软管，向下流至底部，而后向上流入电极管和膜管之间的环形空间，上升过程中，电泳槽中过剩的酸根离子（如CH3COO-）在电场作用下透过IEC阳膜同阳极电解产生的阳离子（如H+）中和，然后通过溢流管返回极液槽，如此不断循环，补充，排放，以维持槽液正常pH值，保持槽液稳定。
电泳槽的极罩现有三种型式，即传统的板式和新型的管式、弧形极罩。现在我国大部分电泳槽使用沙市生产的管式极罩。用户使用结果表明，管式极罩比板式极罩效益明显要高，主要体现在以下几个方面：一是无泄漏，克服了板式极罩密封不好的弊病，保证了极液循环正常进行，稳定了槽液；二是自重轻，易于手工安装，维修更换极为方便；三是安装方式灵活多样，可根据需要调整少数垂直向极罩或安装埋藏式水平极罩。使用管式极罩，在同等涂膜厚度的情况下比板式消耗更少的电流，同等电压下有更高的泳透力，且被涂工件，尤其象复杂的车身等工件涂膜厚度更均匀，涂层质量更好。
5 结束语
近年来，膜分离技术作为一种先进的水处理技术越来越受到人们的关注，而电泳涂装作为一种新型的涂装技术也已普及到汽车、机电、仪表、五金等行业。随着涂装界对膜技术认识的提高和推广应用，膜技术本身的不断深入研究和发展，以及膜产品制造水平的提高，膜分离技术在电泳涂装中的应用会更加普遍，从而进一步提高涂层质量，降低涂装成本，减轻环境污染，产生更显著的经济和社会效益。