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王克和1，喬萬久1，邱培勛1，杜廣玉2
（1．大連市表面工程協(xié)會，遼寧大連116013；2．大連市環(huán)保局固體廢物管理處，遼寧大連116013）
摘要：根據(jù)多年的清潔生產(chǎn)審核實(shí)踐，總結(jié)了電鍍、熱浸鍍、磷化、電泳、酸洗、陽極氧化等表面處理工藝的物料平衡圖。以電鍍鋅為例，介紹了建立物料平衡的操作方法。以某廠的鍍鉻槽為例，通過實(shí)際計(jì)算，講解了如何根據(jù)物料平衡分析來提出清潔生產(chǎn)方案。
關(guān)建詞；表面處理；清潔生產(chǎn)；審核；物料平衡
中圖分類號：TQ153 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號：1004 - 227X (2012) 08 - 0048 - 05
1前言
我國正處在難得的經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的機(jī)遇期，取得了世界矚目的成就。如一切高速發(fā)展的國家一樣，我國也遇到“資源短缺、環(huán)境污染加重”的壓力。決策者們頭腦清醒，深刻認(rèn)識到這兩個(gè)問題。在不久前，全國人大常委員會作出了修改《中華人民共和國清潔生產(chǎn)促進(jìn)法》的決定，進(jìn)一步加強(qiáng)清潔生產(chǎn)工作。清潔生產(chǎn)倡導(dǎo)的新理念是把過去“出了污染，事后處理”改變?yōu)?ldquo;源削減”的環(huán)境保護(hù)方針。貫徹清潔生產(chǎn)工作的最好方法是實(shí)施清潔生產(chǎn)審核。在清潔生產(chǎn)審核程序中的審核階段要求做“物料平衡”，通過實(shí)測審核重點(diǎn)的輸入、輸出值，經(jīng)過計(jì)算、分析就可以發(fā)現(xiàn)問題，從而找到“節(jié)能、降耗、減污、增效”的清潔生產(chǎn)方案（或稱清潔生產(chǎn)機(jī)會）。因此，設(shè)計(jì)好、做好“物料平衡”是清潔生產(chǎn)審核中很重要的一項(xiàng)工作。
從2006年以來，大連市表面工程協(xié)會先后完成了70余個(gè)企業(yè)的清潔生產(chǎn)審核的咨詢工作。從各種電鍍到熱鍍、磷化、酸洗、陽極氧化、電泳涂漆等工藝，都設(shè)計(jì)了相應(yīng)的“物料平衡”方案，現(xiàn)將具體做法介紹如下，供同行參考和指正。
2一般電鍍的物料平衡
2.1 電鍍鋅的物料平衡
以電鍍鋅為例說明設(shè)計(jì)物料平衡時(shí)應(yīng)采取的步驟：
2.1.1 物料平衡的目的
摸清鍍鋅時(shí)輸入與輸出的物料的數(shù)量關(guān)系，找出清潔生產(chǎn)機(jī)會。
2.1.2 操作說明
(1)首先要安放并固定顯示液面高度的塑料板箭頭，加水至箭頭尖端，以鍍鋅槽中液面高度來確定槽液體積；通電或攪拌溶液達(dá)到均勻后用長玻璃管在槽內(nèi)多點(diǎn)取樣，認(rèn)真取雙樣化驗(yàn)，得到鍍鋅槽液濃度，確定鍍前槽液含鋅量。
(2)準(zhǔn)確稱量、記錄在物料平衡期間含鋅藥品的添加量。
(3)準(zhǔn)確稱量、記錄物料平衡前鋅陽極的總質(zhì)量。
(4)準(zhǔn)確記錄物料平衡期間鍍鋅件數(shù)量、面積、電流、通電時(shí)間，計(jì)算鍍層厚度，對于可直接測量的工件也可直接測量鍍層厚度。
(5)掛具吸收了電流，也應(yīng)估算鍍層面積和厚度。
(6)物料平衡結(jié)束時(shí)要調(diào)整鍍鋅溶液的液面高度，加水至箭頭尖端；通電或攪拌溶液達(dá)到均勻；用長玻璃管多點(diǎn)取樣；認(rèn)真取雙樣化驗(yàn)，確定鍍后槽液的含鋅量。
(7)物料平衡期間準(zhǔn)備一個(gè)鍍鋅后工件清洗、回收槽，清洗全部物料平衡期間的鍍鋅后工件，物料平衡結(jié)束時(shí)取樣化驗(yàn)其含鋅量，作為回收鋅量。
(8)準(zhǔn)確稱量、記錄物料平衡后鋅陽極的總質(zhì)量。
(9)物料平衡結(jié)束后要搜集陽極袋里的陽極泥，烘干后稱量、記錄。
(10)物料平衡結(jié)束后要收集過濾機(jī)濾芯上的陽極泥，烘干后稱量、記錄。
(11)統(tǒng)計(jì)物料平衡期間的總用水量。
2.1.3 計(jì)算與分析
(1)誤差率(%)=（輸入一輸出）／輸入×100%。
(2)金屬利用率(%)=鍍層總重÷純輸入×100%。
(3)新鮮水用量(t/m2)=物料平衡期間總用水量÷鍍件總面積。
(4)鍍件帶出液污染物產(chǎn)生指標(biāo)(g/m2)=回收槽濃度×回收槽體積÷鍍件總面積。
2.2其他電鍍工藝的物料平衡
圖2～5列出其他鍍種的物料平衡圖，操作和計(jì)算可參照鍍鋅的有關(guān)內(nèi)容。
2.3以大連某廠鍍鉻為例看物料平衡的意義
2.3.1數(shù)據(jù)
實(shí)測物料平衡的各種數(shù)據(jù)見表1。
2.3.2計(jì)算
(1)鍍鉻溶液輸入（開始）：開始金屬鹽濃度Pi×鍍槽體積y÷單位換算系數(shù)。
將鉻酸酐換算成金屬鉻的系數(shù)為0.52。
東槽輸入：
246.46 g/L×5 820L÷1 000=1434.4 kg鉻酸酐；
1 434.4 kg×0.52=745.9 kg金屬鉻。
西槽輸入：
227.30g/Lx6720L÷1000=1527.5kg鉻酸酐；
1 527.5 kg×0.52=794.3 kg金屬鉻。
溶液總輸入：745.9 kg+ 794.3 kg=1 540.2 kg金屬鉻。
(2)補(bǔ)充鉻酸酐：鉻酸酐重×換算系數(shù)。
20 kg×0.52=10.4 kg金屬鉻。
(3)鍍鉻溶液輸出（結(jié)束）：結(jié)束金屬鹽濃度P2×鍍槽體積礦÷單位換算系數(shù)。
東槽輸出：
244.66g/L×5 820L-1000=1423.9kg鉻酸酐；
1 423.9 kg×0.52=740.4 kg金屬鉻。
西槽輸出：
224.06 g/L×6 720 L÷1 000=1505.7 kg鉻酸酐；
1 505.7 kg×0.52= 783.0 kg金屬鉻。
溶液總輸出：740.4 kg+ 783.0 kg=1 523.4 kg金屬鉻。
(4)工件上鍍鉻層：鍍層體積×金屬鉻密度。
1 801 cm3×0.71 g/cm3÷1 000=1.28 kg金屬鉻。
(5)含鉻回收液：回收槽金屬鹽濃度Pi×回收槽體積V÷單位換算系數(shù)。
0.16 g/L×360 L÷1 000×0.52=0.03 kg金屬鉻。
(6)鉻霧回收液：鉻霧回收液金屬鹽濃度ρl×鉻霧回收液體積礦÷單位換算系數(shù)。
553 g/L×72.81 L÷1 000×0.52= 20.9 kg金屬鉻。
(7)掛具上鍍層總重≈1 kg。
(8)鉻霧逸出總重≈2kg。
(9)誤差：（總輸入一總輸出）÷總輸入×100%。
[(1 540.2+10.4) -(1 523.4+1.28+ 0.03+20.9 +1+2)]÷(1 540.2 +10.4)×100%= 1.99÷1 550.6×100%= 0.13%
(10)金屬利用率。
不考慮回收：工件上鍍鉻層重÷純輸入。
1.28÷(1 540.2 -1 523.4 +10.4)×100%= 4.7%.
考慮回收：（工件上鍍鉻層重+含鉻回收液+鉻霧回收液）÷純輸入。
1.28+0.03+20.9)÷(1 540.2 -1 523.4+10.4)×100%=81.7%。
(11)鍍件帶出液污染物：回收液含金屬鹽÷鍍層總面積÷單位換算系數(shù)。
0.03 kg÷(5 603.7 dm2／100)= 0.54 g/m2。
(12)新鮮水用量：全過程總用水量÷鍍層總面積÷單位換算系數(shù)。
2.027÷(5 603.7 dm2／100)=0.036 t/m2. .
2.3.3 評價(jià)
與HJ/T 314-2006《清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)電鍍行業(yè)》對照，評價(jià)該鍍鉻工藝的先進(jìn)性，如表2所示。
2.3.4 繪制物料平衡圖
根據(jù)上述計(jì)算繪制的物料平衡圖如圖6所示。
2.3.5 提出清潔生產(chǎn)方案
從實(shí)測結(jié)果及計(jì)算匯總來看，鍍硬鉻時(shí)真正消耗在鍍層上的鉻才1.28 kg，而鉻霧回收液中卻含相當(dāng)于20.9 kg金屬鉻的鉻酸酐。回收的鉻酸酐質(zhì)量濃度達(dá)到553 g/L，黏度很大，像醬油膏一樣。可見必須做好鉻霧回收工作。這就是清潔生產(chǎn)機(jī)會，也是一個(gè)好的清潔生產(chǎn)方案。
對于沒有安裝“鉻霧回收器”的企業(yè)，要求盡快實(shí)現(xiàn)鉻霧回收；對于“鉻霧回收器”管理不善的企業(yè)，要求做好“防漏、及時(shí)回用”工作，因?yàn)榕艿舻?ldquo;鉻霧”不僅僅是污染，失去的還有“利潤”。
3熱鍍鋅的物料平衡
熱鍍鋅的物料平衡圖見圖7。國際鋅協(xié)會CFC項(xiàng)目經(jīng)理Rob White介紹的典型消耗數(shù)據(jù)[1]見表3。
以大連某生產(chǎn)鐵塔件和普通件的熱鍍鋅廠物料平衡圖為例，如圖8所示。
總輸出為11 350.9 +4 984+3 185+ 80= 19 599.9 (kg)。
鋅灰占4 984÷19 599.9×100%= 25.4%;
鋅渣占3 185÷19 599.9×100%=16.3%。
以上兩項(xiàng)都大大超過典型消耗數(shù)據(jù)，生產(chǎn)中產(chǎn)生的鋅灰和鋅渣過多。尋找原因時(shí)發(fā)現(xiàn)，溶劑化槽里亞鐵離子含量都高于國際和國內(nèi)較好企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)（歐洲為0.5～3.0 g/L，臺灣為5 g/L，大陸為5～10 g/L，而推薦值為l g/L)。
因?yàn)?kg鐵離子可以和鋅生成鋅鐵化合物，產(chǎn)生25 kg的鋅渣，該廠原溶劑化槽里的助鍍劑中含亞鐵離子多達(dá)17 g/L，所以產(chǎn)生的鋅渣特別多。筆者建議他們建立化驗(yàn)室，經(jīng)常檢測亞鐵離子濃度，并采用加雙氧水、提高pH沉淀鐵的辦法，使鋅渣量大大降低，廠方非常滿意。
4其他表面處理工藝的物料平衡
隨著清潔生產(chǎn)審核工作的開展，陸續(xù)又遇到各種新的表面處理工藝，由于篇幅所限，不能詳細(xì)介紹，現(xiàn)給出物料平衡圖，懇請批評指正。
常溫磷化物料平衡圖見圖9。
電泳涂漆物料平衡圖見圖10。
鍍鐵的物料平衡圖見圖lla，其中二價(jià)鐵、三價(jià)鐵平衡圖見圖llb。
鋼材酸洗的物料平衡圖見圖12。
新型的代磷化膜產(chǎn)品——皮膜劑處理工藝的物料平衡見圖13。
鋁硫酸陽極氧化的物料平衡圖見圖14，而能量平衡圖見圖15。
陽極氧化著色物料平衡圖見圖16。
5結(jié)語
在清潔生產(chǎn)審核中做“物料平衡”工作非常有意義，它可以定量反映審核重點(diǎn)的輸入、輸出各種物料、廢棄物、能源等所占比例的關(guān)系，有利于直觀地找到清潔生產(chǎn)機(jī)會，產(chǎn)生清潔生產(chǎn)方案。
參考文獻(xiàn)：
[1]WHITE R．國際常規(guī)熱鍍鋅的環(huán)境控制[C]∥中國熱鍍鋅清潔生產(chǎn)技術(shù)推介會論文集，2 011.
