油墨溶剂的后续处理,指为消除油墨溶剂有害影响采取的措施,通常采用如下措施:
①对溶剂作后续处理;
②油墨溶剂减少芳香物质用量,降低活性C═C双键的比例;
③降低油墨溶剂的比例;
④选择干燥方式时,考虑降低溶剂的长期不良影响
以上各个选项都是研发的课题[33]。凹印油墨以脂肪族溶剂、水性溶剂,替代芳香族溶剂,是一个重要的发展方向。柔印油墨已普遍采用水性溶剂。而对于热固化油墨,目前的所有选项,一定程度上都受到关注。
印刷中的油墨溶剂,一部分是在印刷车间内直接挥发,一部分在印刷干燥时挥发,与循环热风一起被抽走,其余则是残留在印刷品内。热固化油墨的印刷,循环热风一般在后期被全部焚烧。凹版、柔版印刷的循环热风,部分被返回到干燥系统,其余被送入溶剂回收系统。溶剂循环和返回路径如图3-31所示。
纸张实地印刷的版面,溶剂残留量约为20~100mg/m2,若经过多色叠印,溶剂残留量要多些。在热固化油墨印刷时,假设印刷的油墨量为1g/m2,油墨的溶剂比例为40%,这个20~100mg/m2的溶剂残留量,即表示纸张内有100(0.02~0.1)g/m2/(1g/m2× 0.4)=(5~25)%溶剂残留,凹版印刷溶剂残留要少些,为100(0.02~0.1)g/m2/(5g/m2× 0.7)=(0.5~3)%。
印刷排放的油墨溶剂,其危害与气味和毒性有关。
凹印油墨的溶剂气味和毒性,比热固化胶印油墨大。凹版印刷中,油墨的溶剂回收效率为95%,若考虑可能有3%溶剂残留,溶剂的排放比例约为2%,其中一部分是在印刷车间内挥发,一部分被排放到大气中。依据芬兰法律,生产车间使用溶剂,需向大气保护主管部门报告。
图3-31 印刷中溶剂循环、返回的路径
排放废气的杂质含量,如超过1g/m3空气,需考虑杂质去除。印刷机干燥箱的溶剂浓度,通常为0.5~10g/m3,通过废气后续处理设计,可把干燥箱废气的溶剂浓度,降低至1g/m3空气,最多能降至废气浓度的0.1%。
降低溶剂浓度的方法,有以下几种:
①稀释;
②循环;
③冷凝(浓缩);
④基于物理、化学、生化原理的液体吸收;
⑤用固体物质吸收;
⑥焚烧;
⑦生物降解
这些方法主要(可能)的应用如下:
—胶印:⑥(①、②、③、④、⑤);
—凹印:⑤;
—柔印:⑤。
这些方法的相对有效性,如图3-32所示。
图3-32 溶剂后续处理的相对有效性——减少废气中碳氢化合物的浓度和气味(胶印)(www.xing528.com)
降低干燥箱废气的溶剂浓度,把溶剂浓度降低到目标水平,如采用稀释方法,要用印刷机排放废气量约100倍空气稀释,需要消耗大量的空气因而不实用。印刷机排出的废气,如有一部分被当做干燥热风返回,得到循环利用,稀释所需的空气用量减少;循环热风的溶剂浓度及相应的纸面溶剂分压,印刷开始时并不稳定,但随后循环热风的溶剂浓度会趋于稳定并达到平衡浓度。而从印刷干燥角度,这一平衡浓度仍然过高。
循环热风溶剂浓度的变化,如图3-33所示。假设干燥热风流量为(v),其中f比例是被循环利用的热风,印刷挥发的溶剂蒸气流量为h,循环热风的溶剂蒸气流量为m,则干燥箱热风进风的溶剂浓度ci为:
图3-33 干燥热风的溶剂浓度
其中:mi-1= h +fmi-2,f为干燥热风中循环热风比例,i是离散的时间变量。
即新鲜空气的进气量为(1-f)v。假设溶剂的挥发量为30g/s(= h),且有一半或10%的热风被循环,按式(3-68)计算,干燥箱进风的溶剂气流会按表3-8所示发展。
表3-8 热风循环对干燥热风溶剂气流的影响
由表3-8可以得出结论:热风循环比例f=0.5时,单位时间内干燥箱进风的溶剂气流会逐渐增大,增大至接近溶剂的挥发量;热风循环比例f=0.1时,单位时间内干燥箱进风的溶剂气流增加很少。
用冷凝法回收溶剂,排出废气被冷却后溶剂转变为液体,再经过如过滤、吸收、吸附方式将溶剂分离。优点是方法简单,缺点是回收效率不是特别好。
冷凝回收有一现成的应用实例,包含以下三个阶段:
①冷却水在超声波场内被雾化;
②给废气喷射雾化的冷却水,使之冷却并冷凝;
③溶剂液滴被水滴吸收,然后进入油水分离器。
用液体吸收法回收溶剂,第一步是将废气冷却、冷凝,冷凝后含溶剂的废气,被导入液体进行溶剂回收。适合于回收水溶性的臭气成分,对非水溶性的溶剂则回收效率有限。
凹版、柔版印刷中,溶剂回收的主要方法,是用活性炭吸附溶剂,再借助蒸汽进行脱附。印刷时干燥热风有一部分被循环利用,循环热风可能含有甲苯,热传导系数比新鲜空气更好,有利于印刷干燥。
干燥箱排出的废气,被导入0.5~1m厚的炭吸附床。干燥箱的大部分废气通过炭吸附床时,废气中的溶剂被炭吸附床吸附。炭吸附床的吸附能力,与炭(又称活性炭)的微孔结构有关,用于气体吸附的炭颗粒,通常是直径为0.5~4mm,长度为1.5~15mm的柱粒。
炭吸附床安装有自动测量系统,用于监控吸附床尾气的溶剂浓度,尾气浓度大于设定值时,废气被切换到另一个炭吸附床。炭吸附床用约115℃的蒸汽再生(=溶剂分离),蒸汽与干燥箱废气一样,被通入炭吸附床(3kg蒸汽/kg溶剂);脱附阶段由于蒸汽的热能作用,溶剂的吸附能降低,湿汽与溶剂争夺炭的吸附位置,两者叠加将溶剂从炭颗粒释放;然后,炭吸附床被通入干燥热空气干燥,释放的溶剂则被冷凝并被倾析分离。冷凝阶段产生的热能,可用于给换热器热水加热,如图3-34所示。
图3-34 溶剂的吸附回收
左:吸附阶段 右:脱附阶段
吸附方法回收溶剂,溶剂回收的效率高,回收的溶剂可继续用于油墨调配。
热固化油墨印刷时,油墨挥发的矿物油必须作后续处理。焚烧干燥箱排出的废气,是一种成熟的处理方法。小规模生产的生物净化方法,亦在开发之中。
废气焚烧的目的,是让碳氢化合物按以下化学反应式分解,生成二氧化碳和水:
反应的速度常数K,与反应温度、活化能有关。废气焚烧的产物如表3-9所示,其中特别重要的是,焚烧时反应必须完全,不完全反应的中间产物,可能有毒或有异味。
表3-9 碳氢化合物不完全氧化,产生有强烈异味的中间产物
续表
废气的高温焚烧温度为500~800℃,催化焚烧温度为250~350℃。用于催化焚烧的催化剂,有金属铂(Pt)和铝(Al)、铜(Cu)、锰(Mn)的氧化物。焚烧炉内废气的滞留时间约为0.5s。
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