【印刷VOCs控制】溶劑蒸氣濃度對溶劑殘留影響的探討

北極星大氣網訊:【摘要】印刷行業尤其是凹印屬於高能耗高汙染行業，乾燥熱風的重複利用可以降低能耗以及環保支出，但也帶來了溶劑蒸氣濃度對溶劑殘留的擔心，本文通過溶劑揮發基本原理以及溶劑特性對乾燥熱風中溶劑蒸氣濃度和溶劑殘留影響進行探討，提出自己的觀點。

【關鍵詞】凹版印刷，溶劑殘留，VOCs

引言

凹版印刷具有墨層厚實，印刷質量高，耐印力強等優點，長期以來佔據較高的市場份額，但也存在著環保節能方面隱患。由於凹版印刷墨層較厚，所含有的溶劑量較高，而溶劑的蒸發需要熱量支持，因此，凹版印刷有著高能耗、高汙染的不足。高能耗主要表現在凹印機乾燥溫度上，即為了滿足溶劑蒸發速度上的要求，凹印乾燥裝置的乾燥溫度較高;高汙染則體現在溶劑蒸發量上，由於蒸發的溶劑屬於VOCs(揮發性有機化合物，volatileorganiccompounds,VOCs)，且VOCs是公認的PM2.5前驅體，已被我國嚴格控排。以上不足，一直限制著凹版印刷業的發展。

凹印行業的節能環保途徑

2.1汙染治理

為了減少VOCs的排放，水性油墨的納入勢在必行，但是由於水性油墨的凹印應用尚在發展階段，且全國範圍計，中小型印刷企業偏多，行業內多以溶劑型油墨使用為主，因此還需要時間進行水性油墨的改進和普及;另外，很多末端治理技術也在齊頭並進，如熱力氧化技術以及配合使用的減少廢氣總量技術等，已經實用化且效果顯著，是當今治理VOCs公認的有效途徑。

2.2節能手段

凹版印刷的節能可以從若干角度進行，如生產車間的氣流組織優化，生產設備機械傳動效率的增強，乾燥系統的節能等方面，其中凹印機在正常印刷過程中實際利用的能量僅佔總能量消耗的22%，78%左右的能量以熱量的形式排放到外界，其中75%的熱量由乾燥部分的VOCs尾氣帶走。由於乾燥系統是主要能耗單元，且直接關係到印刷產品質量，因此乾燥系統的節能優化屬於重中之重。為了降低凹印機乾燥系統的能耗，現行主要措施有以下三點[1]：

1、乾燥系統中烘箱設備的結構優化，包括烘箱壁板的焊接方式，保溫設計等;

2、烘箱內部溫度場和速度場的優化，包括風嘴結構、進排風口布置等;

3、安裝迴風管，回收二次循環熱風。

以上措施中第三點往往成為印刷行業較為關注的技術點，所謂迴風，就是將乾燥使用過的熱風進行重複使用，以達到節省熱能的目的。從烘箱的角度出發，迴風管的迴風口設置在烘箱內溶劑濃度較低的位置，以儘量降低二次迴風中溶劑蒸氣的濃度，但是相反也限制了迴風量，即不能高效利用迴風系統的節能作用。

溶劑蒸氣濃度對溶劑殘留影響的分析

重複使用乾燥熱風可以對熱量進行循環利用，節省能耗，增加企業競爭力;另一方面，乾燥熱風對溶劑蒸氣攜帶效率的增加，也可以減少排氣量，大大節省末端治理設備的購置費用和運行費用，減少環保支出，增加企業競爭力。重複使用乾燥熱風雖然能夠提高節能效益和降低環保支出，但也增加了乾燥熱風中溶劑蒸氣濃度，因此行業內對熱風重複的利用持謹慎態度，擔心熱風中溶劑蒸氣濃度升高對印刷產品溶劑殘留產生影響，尤其是食品和醫藥包裝印刷產品，相關企業寧可維持高能耗，也不想冒險。對於乾燥熱風中多大的溶劑蒸氣濃度會導致溶劑殘留，目前還缺少直接的數據支持，因此，本文從基本原理和溶劑特性上對其進行解釋，探討乾燥熱風中溶劑蒸氣濃度對溶劑殘留的影響。

3.1爆炸下限的限制

乾燥熱風的重複使用勢必增加熱風中的溶劑蒸氣濃度，但也並非不予控制。由於油墨溶劑的可燃特性，必須引入爆炸下限的標準進行約束。爆炸下限英文縮寫LEL(LowerExplosionLimited)，是相對於爆炸上限而言(UEL:UpperExplosionLimited)，當可燃性氣體濃度在LEL和UEL範圍內，遇到明火時就會爆炸，因此必須將氣體濃度控制在LEL以下或者UEL以上。由於迴風系統中溶劑蒸氣的濃度是逐漸增加的，因此一般將其濃度控制在LEL以下，同時為了確保安全性，一般將安全報警點控制在LEL的25%以下也就是安全控制上限，總之，即便迴風量最大化引入到熱風系統，溶劑蒸氣濃度也是有限制的，即不能超過安全控制上限。

3.2溶劑的傳熱與傳質

溶劑的揮發過程與水的蒸發過程相同，都遵循著道爾頓蒸發定律。1802年，英國著名物理學、化學家道爾頓(JohnDalton)根據水面蒸發形成原理和維持機制，提出了道爾頓蒸發定律：

W=CΔe/p

其中，W是水面上水的蒸發速率，Δe，(Δe=e-es)，是表面水溫對應的飽和水汽壓e與水面上空氣中實際的水汽壓es的差，C是風速係數，與風速大小相關，p是水面上的氣壓。水的蒸發速率與風速係數和水汽氣壓差成正比，而與水面大氣壓成反比。

如圖1所示，在對承印品上油墨層的乾燥過程中，傳熱與傳質同時進行，熱量由熱氣流以對流方式傳遞給油墨層表面，進而傳遞到油墨層內部，而溶劑由油墨層內部擴散到油墨層表面，氣化後被熱氣流帶走。圖1中Q是換熱速率，N是傳質速率，也就是溶劑揮發速率，T和Ts分別是熱氣流和油墨層的溫度，而e和es分別是熱氣流中和油墨層表面溶劑蒸氣的分壓。熱氣流和油墨層表面的溫度差ΔT，(ΔT=T-Ts)，決定了換熱速率Q的大小，而熱氣流和油墨層表面溶劑蒸氣的分壓差Δe，(Δe=e-es)，決定了溶劑揮發速率N的大小，而氣膜是形成溫度差和濃度差的區域。

如圖1所示，油墨層相當於水層，油墨在其中呈液態形式，在溫度升高的過程中，溶劑分子不斷擴散到油墨層表面，進而從液態相變成氣態，即溶劑蒸氣，之後被熱氣流帶走。由於油墨層中溶劑是液態，因此油墨層表面溶劑氣體呈飽和狀態，即油墨層表面的溶劑蒸氣壓為飽和蒸氣壓，在熱氣流中溶劑蒸氣非飽和條件下，形成蒸氣壓差，並在此壓差的推動力下不斷相變，從液態相變為氣態，直至將油墨層中的溶劑揮發乾淨，達到乾燥效果，簡單的說，只要熱氣流中溶劑蒸氣壓沒有飽和，溶劑會一直從液態相變為氣態，直至油墨層中的溶劑揮發殆盡。由於風速與濃度差對溶劑揮發速率都產生正向影響，如道爾頓蒸發定律所示，因此凹印乾燥裝置主要採用熱風對流型而很少使用乾燥輥筒型作為乾燥方式，因為前者加入了熱風吹掃方式，不但增加了乾燥速率，而且可以降低乾燥溫度，防止承印品在乾燥過程中會伸縮變形過大。

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