超滤系统在阴极电泳涂装中的应用.docx

超滤系统在阴极电泳涂装中的应用吴永福，刘荣德，李( 中航黑豹股份有限公司，山东文登 264400)军摘 要: 简述了超滤系统在阴极电泳涂装工艺中的作用，介绍了超滤技术的原理及阻碍超滤液生成的因素，着重阐述了超滤系统单元的选择、使用中的注意事项，以及超滤系统在日常使用中的清洗 方法。关键词: 超滤系统; 阴极电泳; 超滤膜组件; 清洗中图分类号: TQ 639. 6文献标识码: A 文章编号: 0253 4312( 2014) 10 0064 05Application of UF System in Cathodic Electrophoresis Coatings涂装 技 术Wu Yongfu，Liu ongde，Li Jun( Zhonghang Heibao Co ，Ltd ，Wendeng，Shandong 264400，China)Abstract: This article introduces ultrafiltration system applying in the cathodic electropho-resis coatings，additionally introduces the principle of UF system and the influential factors hindering the generation of ultrafiltrate，and particularly describes the selection of ultrafiltra- tion system unit，matters needing attention in use，cleaning method in the daily use of ultrafil- tration systemKey Words: ultrafiltration system; cathodic electrophoresis; ultrafiltration membrane module; cleaning超滤膜分离技术是一门复杂的高新技术，也是一门多学科交叉的技术，随着电泳涂装工艺在汽车、家 电等金属行业的迅速发展和环保法规的实施，超滤膜 分离技术在电泳涂装中的应用得到迅猛的发展。在 阴极电泳涂装工艺中，超滤膜分离系统是电泳涂装设 备中的主要设备之一，其性能的好坏直接影响到涂膜 质量及生产成本，因此，对超滤系统正确的使用和维 护就显得尤为重要1。( 1)提供“闭环循环”清洗超滤液，回收工件表面带出的浮漆，提高电泳涂料的利用率，降低涂装成本，提高经济效益。使用超滤液清洗粘附在被涂物上的电泳漆，其电 泳漆回收率可达 98% 以上，如不使用超滤系统，回收 率只有 70% 80% 。( 2)通过排放超滤液，以控制电泳漆槽液电导率的平衡，除去前处理带入及电泳过程中产生的有害杂质离子，净化槽液，提高涂膜质量。( 3) 闭环清洗产生的含电泳漆组分的清洗液返 回电泳槽，减少了后冲洗水的用量，降低了后冲洗水 中的脏物，减少了污水处理量及处理费用，有利于环 境保护2。超滤系统在汽车阴极电泳涂装中的作用超滤系统是电泳涂装设备中的关键设备，其主要 作用包括:1作者简介: 吴永福( 1975) ，男，工程师，主要从事涂装非标设计等技术工作。64吴永福等: 超滤系统在阴极电泳涂装中的应用质向膜面流动速度与浓度梯度使溶质向本体溶液扩散速度达到平衡时，在膜面附近存在一个稳定的浓度 梯度区，这一区域称为浓差极化边界层，这一现象称 为浓差极化。浓差极化对透过液的透过起着阻碍作 用，膜内外的压力差越大，极化程度也就越严重。浓差极化是溶质分子在膜表面堆积或浓缩的趋 势，通过提高流速，使漆液快速通过膜表面，来减弱浓 差极化。2超滤原理及影响因素超滤原理超滤( UF) 是介于微滤与纳滤之间的一种膜分离 技术，是在外加压力的作用下，通过“错流过滤”模式 ( 它以浓缩液的连续流通过系统) ，利用筛分原理( 见图 1) ，强行把所需的并能通过隔膜微孔的物质与不 能通过的溶质分子颗粒分开，实现对溶液的净化、分 离或者浓缩。与一般的过滤相比，超滤膜孔径要小1 000倍，实际上，隔膜的孔径小得连有些细菌都不能 通过。超滤膜可以通过水、酸、某些溶剂、低相对分子 质量树脂及杂质离子。2. 1超滤系统重要单元的选用3超滤膜的选用超滤膜是超滤系统中非常重要的单元，它的使用 性能主要包括超滤液透过量、清洗周期和使用寿命， 超滤膜单元的耐污染性、分离透过性等性能决定了它 的使用性能，甚至对电泳漆涂装成本造成影响。公司 的 A、B 2 条电泳涂装线分别使用 2 个不同品牌的阴 极电泳漆，每条电泳线超滤系统都使用过不同品牌的8 英寸卷式超滤膜单元。根据超滤系统多年的运行 情况，发现不同品牌的电泳漆对超滤系统的运行有一 定的影响，但超滤膜单元的影响是非常大的。使用过 的超滤膜单元都是进口产品，使用初期超滤液透过量 相差无几，但后续使用过程中的清洗周期和使用寿命 却差异巨大，最短的超滤膜单元仅使用了 3 个月就已 失效，期间经历了频繁的清洗，最长的使用了 20 个 月，期间的清洗周期相对较长。3. 1涂装 技 术图 1 超滤的筛分原理Fig 1 Screening principle of ultrafiltration在超滤中，大分子溶质等之所以不能像小分子及 溶剂那样容易通过膜，主要因为下面几种原因: 被吸附在过滤膜的表面上和孔中 ( 基 本 吸 附) ; 被保留在孔内或从孔内被排出( 堵塞) ; 机械地被截留在过滤膜表面上( 筛分) 。被超滤膜截留的组分的直径为 0. 002 0. 1 m， 膜的孔径为 0. 001 0. 1 m，膜表面有效截留层厚度 为 0. 1 10 m。超滤膜的运行压力一般为 0. 03 0. 05 MPa，膜的透过速率为 0. 5 5 m3 / ( m2d) 。供漆泵的选用电泳漆供漆泵也是超滤系统中比较重要的单元， 它的性能对超滤系统的使用性能有一定的影响。公 司 A 电泳线超滤系统是后期改造成的，由于经验不 足以及设备供应商没有特别要求，使用了比较普通的2 900 r / min的耐蚀泵作为电泳漆的供漆泵。B 线是 新建线，使用的是超滤系统专用的1 450 r / min的耐蚀 泵作为电泳漆的供漆泵。经过长期的运行发现，高转 速的供漆泵使超滤膜单元的使用寿命缩短。分析及 查阅大量资料表明，高转速供漆泵的叶轮会产生更大 的剪切力，结果是对电泳漆的微粒产生“粉碎”作用， 这些被“粉碎”的微粒比电泳漆微粒更易造成超滤膜 孔的堵塞，从而缩短超滤膜单元的使用寿命，而且高 转速的供漆泵也会影响电泳漆液的稳定性。因此在 选择供漆泵时，尽管价格较高，也一定要选择电泳漆 超滤系统专用的低转速供漆泵。3. 2阻碍超滤液生成的因素阻碍超滤液的生成有 2 种因素，即渗透力和浓差 极化。渗透力是一种溶剂在其容积内浓度不断平衡的 趋势，这个力靠施加压 力使涂料通过超滤系统来 克服。浓差极化( 见图 1) 是指在分离过程中，料液中的 溶剂在压力驱动下透过膜，溶质被截留，于是在膜与 本体溶液界面或临近膜界面区域中溶质浓度越来越 高。在浓度梯度作用下，溶质由膜面向本体溶液扩 散，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，当溶2. 265吴永福等: 超滤系统在阴极电泳涂装中的应用件，最好选用性能优良的产品。公司 A 线超滤系统的阀门组件在使用初期未出现问题，但在需要清洗超 滤膜单元的时候，出现阀门关不死、阀处漏漆的情况， 后来更换性能优良的阀门组件后问题才得以解决。其他单元的选用超滤前的过滤尽可能采用两道过滤系统。标准 高的可以是 25 m 配合 10 m 两道过滤，低一些的 可以是 50 m 配合 25 m 两道过滤。经验表明，无 论使用何种品牌的过滤袋，都有破袋或漏漆的可能， 对于一道过滤系统，这将导致电泳漆未经过滤直接进 入超滤系统，会影响超滤膜单元的使用寿命。而对于 两道的过滤系统，则极大地提高了安全概率。在过滤 袋的选用上要选择经过烧结处理的过滤袋，这样的过 滤袋不易产生掉毛、破损现象，可以间接延长超滤膜 单元的使用寿命。对于超滤系统的清洗水箱，最好设有加热装置并 且能实时显示温度，这对于超滤系统的清洗会方便很 多，可以提高清洗效果，缩短清洗时间。对于阀门组3. 3超滤系统的使用与维护4超滤系统的运行条件超滤系统的运行条件对超滤的性能影响很大，超 滤系统最主要的性能指标之一是单位面积内的渗透 液量，如果不按照操作要求进行操作，透过量很快就 会衰减，甚至无法恢复正常。一般超滤系统要求严格 控制的参数及对性能的影响如表 1 所示。4. 1涂装 技 术表 1超滤技术参数Table 1Technical data of ultrafiltration在一定范围内，渗透量高。但超过一定限度渗透量不再升高，且会损坏膜组件。在一定范围内，渗透量会有所降低。高压力过高，浓差极化严重，形成不可逆阻塞。运行压力低后渗透量不再升高，且会损坏膜组件。温度高透过量高。停车会使透过量明显衰减，且难以恢复。流速透过量低，且衰减很快。低涂料颗粒高低高于漆液出口压力会损坏膜组件。对超滤有利。背压( 超滤液出口压力)电泳槽液杂离子浓度( 3) 新投产的电泳漆槽液要在完全熟化的基础上才能启动超滤系统。超滤系统并线前，应根据供应 商提供的方法循环清洗超滤膜保护液，待检测循环清 洗液达到规定水质后，系统才可并入使用。超滤系统 的运行温度一般在 27 35 之间，超滤系统要有温 度传感器，可以在规定的高温极限时使系统停车，过4. 2超滤系统使用时的注意事项( 1) 目前电泳涂装线大量采用的卷式超滤膜，对于固体含量为 17% 21% 的阴极电泳漆槽液的运行效果最佳，对于阳极电泳漆或固含量在上述范围之外 的需向供应商寻求帮助。( 2) 前处理过程中产生的磷化渣若被带入电泳槽 后会污染电泳槽液，造成超滤膜的阻塞，降低超滤膜的 使用寿命，因此电泳前的产品一定要清洗干净3。4。热会损坏超滤膜( 4) 超滤系统一旦并线后，中途不能随意停机，否则会导致超滤膜堵塞而超滤液透过量锐减。按正66高 加速渗透量衰减，且不易恢复。低 越低越好。大 易造成阻塞，会导致超滤器无法使用。小 利于超滤器的运行。高 在一定范围内，渗透量高。但超过一定温度低 在一定范围内，渗透量会有所降低。参数 变化 引起后果 备注吴永福等: 超滤系统在阴极电泳涂装中的应用常操作程序的短时间停机不能超过 15 min，长时间的停电或停机必须将超滤膜清洗干净后才可停机。( 5) 超滤前端必须设置预过滤器，如果预过滤不 良或不予过滤，即使超滤系统再佳，应用效果也不会 理想。超滤前端预过滤器中漆液过滤一般采用 10 25 m 的聚丙烯双倍长度滤袋，滤袋的缝合部位一定 要牢靠，否则易胀破; 滤袋的安装一定要严密，不可出 现漆液不经滤袋直接通过的情况。如果出现上述情 况，一定要清洗超滤膜，最好拆下膜管，清除端面杂 物，因为光靠清洗，已经无法洗掉端面嵌入的杂物。 若不清洗而直接换袋后即投入使用，将大大缩短超滤 膜的使用寿命，该情况对老的电泳槽液尤为严重。图2 为公司 A 电泳线超滤系统过滤袋胀破后，仅进行循 环清洗后超滤膜端面的阻塞情况5。超滤系统的清洗超滤系统经过一段时间的运行后，超滤液的流量 将会下降，当超滤液流量下降到正常值的 70% 时，意 味着超滤膜表面浓差极化较严重，表面及通道截留物 较多，使超滤液的分离效率降低，此时要对膜管进行 清洗。如果继续使用，将可能导致不可逆转的膜阻塞 坏死，使超滤液流量无法恢复，降低膜管的使用寿命。 各超滤膜管制造商对其装置都有专门的清洗规程，但 所有超滤膜管的清洗规程都应遵循下列步骤: ( a) 用 新鲜去离子水将电泳漆液由超滤器冲回电泳槽中;( b) 用清洗溶液在规定时间和温度条件下对超滤系 统进行循环清洗; ( c) 用去离子水冲洗超滤器中的清 洗溶液后，使电泳漆液再返回超滤系统中。日常使用中常规的清洗程序如下:( 1) 将超滤器中的电泳漆液用去离子水或超滤 液打回到电泳槽中;( 2) 将清洗水箱注入约 3 /4 体积的去离子水或 超滤液，启动清洗泵，压力稍大于 0. 3 MPa，循环冲洗 膜组件，检查循环清洗溶液浑浊情况，通过增加清洗 次数，直到洗至循环清洗溶液澄清为止。常规清洗一 般循环清洗 1 2 h。若常规清洗不能恢复超滤膜管流量，则要进行化 学清洗。化学清洗程序如下:4. 3涂装 技 术图 2 过滤袋破裂导致的阻塞Fig 2 The block of the filter bag broken( 6) 多年的操作经验表明，超滤膜投入使用后单 只膜管的超滤液流量不可调整为最大，应通过调节超 滤液出口阀门调整为某一数值，该数值比新膜管的稳 定流量( 见膜管的使用说明书) 大 25% 左右即可。如 果超滤液流量调整为最大，将极大地缩短超滤膜的使 用寿命，即使清洗效果也不会理想。( 7) 超滤系统的进口压力在 0. 34 MPa 左右，压 力过高，浓差极化严重，缩短超滤膜管使用寿命; 压力 过低，超滤液流量降 低。 超滤系统的出 口 压 力 在0. 14 MPa 左 右，一般保证单只膜管出入口压差在 0. 2 MPa左右，超滤液最大背压不应超过 0. 035 MPa， 这样既可保证超滤膜中漆液流速的稳定，又可保证超 滤液出口压力低于漆 液 的 出 口 压 力，有 利 于 保 护 膜管6。( 8) 超滤系统膜管漏漆时，要采取隔离更换措 施，以防止渗透液被污染。渗透液应保持透明才能取 得最佳效果。( 9) 超滤系统需要停机情况下要严格按照供应 商提供的程序要求进行处理。( 1)清洗水箱中的液体改为清洗溶液，清洗溶液一般为: 去离子水 + 1% 丁基溶纤剂 + 1% 5% 的工业乙酸，视膜管的污染程度，调整乙酸的用量。用配 好的清洗溶液循环清洗膜组件，在清洗期间，将超滤 液出 口 流 量 调 小 ( 有的供应商推荐出口流量为 0. 113 m3 / h) ，但以背压不高于漆液出口压力为准，否 则会损坏膜组件。出口流量调低可以降低膜管内外 压降，使清洗效果更好，膜管使用寿命更长。( 2) 在循环清洗过程中，被洗掉的物质会很快将 清洗溶液污染。若清洗溶液污染严重，应将其排掉， 重新配制清洗溶液继续循环清洗。( 3)循环清洗中，通过加热装置或不断循环使循环清洗溶液维持在 38 42 之间( 超滤膜耐温一般要求不高于 50 ) ，循环清洗 3 4 h。若阻塞严重， 最好在清洗一段时间后，将清洗液封存于超滤器内浸 泡 4 8 h 甚至更长时间，期间通过循环来保证温度 条件，然后再进行循环清洗，效果会更好。( 4)当清洗溶液基本澄清，开大阀门，观察透过67吴永福等: 超滤系统在阴极电泳涂装中的应用液流量。当多次循环冲洗，透过液流量不再改变时，可以结束化学清洗。如果清洗效果仍不理想，请使用 超滤膜供应商提供的专用清洗液进行清洗。( 5) 化学清洗后，排掉清洗溶液，用去离子水将 清洗溶液冲洗干净，将超滤器并线运行。2王锡春 涂装车间设计手册M 2 版 北京: 化学工业出版社，2013陈慕祖 汽车涂装技术文集C 上海: 中国表面工程协 会涂装分会中国汽车工程学会涂装专业委员会，2003:74 77金荣刚 阴极电泳涂装线建线方案J 涂料工业，2003，33( 1) : 23 25JIN G Proposal of establishment of painting production line of cathoclic electrodeposition paintJ Paint Coat- ings Industry，2003，33( 1) : 23 25劳邦明 电泳超滤膜管透过量过低问题的解决J 汽车工艺与材料，2011( 10) : 65 68金星梅 2009 年中国汽车工程学会涂装技术分会学术 年会论文集C 武汉: 中国汽车工程学会涂装技术分 会，2009: 171 17634结语5目前，超滤技术在阴极电泳涂装中的应用非常普遍，但高性能超滤膜组件基本为进口产品，价格较高， 用户在使用前一定要了解超滤膜的性能，掌握超滤膜 的维护与保养方法，使用过程中及时适度清洗，避免 超滤膜不可逆阻塞，以延长超滤膜的使用寿命，降低 阴极电泳涂装成本。参考文献56涂装 技 术收稿日期 2014 08 28( 修改稿)1张瑶 2009 年中国汽车工程学会涂装技术分会学术年会论文集C 武汉: 中国汽车工程学会涂装技术分会，2009: 614 619檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿( 上接第 63 页)钢板和加强钢板的批量质量控制是汽车厂商和冲压 件厂生产过程中需要注意的问题。本研究中的化学 分析方法快速便捷，不需要昂贵的设备和专业的检测 人员，控制成本较低，因此建议将其作为厂商批量涂 装钢板常规的质量控制方法之一。参考文献J Shanghai Coatings，2010，48( 3) : 32 33MANABU T Development of high strength steels for auto- mobileJ Nipponsteel technical report，2003 88 ( 7 ) : 2 7VICKES A L Steel for automotive industryJ Ironmak- ing and steel making，1992，19( 4) : 277 284 张全成，谢珺，黄祎 理化检验技术在汽车外用热镀锌 钢板生产中的应用J 理化检验: 物理分册，2012，48( 7) : 432 434，471ZHANG Q C，XIE J，HUANG W Application of physical testing and chemical analysis technology in the production of hot galvanized steel sheet used for carJ Physical tes- ting and chemical analysis part A: Physical Testing，2012，48( 7) : 432 434，471魏恒远 汽车零部件电泳涂装工艺