水基切削液廢液膜處理技術(shù)及回用性能研究

劉騰飛，王聿禹，王宇，江林，李敏，戴媛靜

（1. 季華實(shí)驗(yàn)室，廣東佛山 528200；2. 清華大學(xué)天津高端裝備研究院，天津 300308；3. 中國(guó)化工經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展中心，北京 100723）

切削液是一種加工助劑，在金屬切削過(guò)程中起到潤(rùn)滑、冷卻、清洗、防銹的作用。隨著制造業(yè)的迅猛發(fā)展，切削液的使用量逐年增多，其中以水基切削液為主。水基切削液在使用前需用水將原液稀釋至一定比例，作為工作液循環(huán)用于機(jī)床切削加工。在使用過(guò)程中，隨著切削液中有效組分的損耗，切屑、磨屑、機(jī)械雜油的混入，以及微生物的增殖，切削液使用性能會(huì)不斷下降，最終腐敗變質(zhì)，形成廢液[1]。切削液廢液一般呈乳液狀，包含基礎(chǔ)油和各種添加劑，成分復(fù)雜，有機(jī)物含量高，性質(zhì)穩(wěn)定，難以降解，被稱為工業(yè)廢水中的“癌癥水”，是環(huán)保領(lǐng)域的一大難題[2]。與其他廢水相同，常見(jiàn)的切削液廢液處理方法有物理法、化學(xué)法及生物法等，一般采用多種方法聯(lián)用，以達(dá)到理想的處理效果[3，4]。

目前，國(guó)內(nèi)切削液使用企業(yè)大都不具備廢液處理能力，所產(chǎn)生的廢液只能委托具有處理資質(zhì)的環(huán)保公司處理，存在處理費(fèi)用高、處理量有限等問(wèn)題。所以，很多企業(yè)都在尋求建立內(nèi)部的廢舊切削液處理工藝，對(duì)廢液進(jìn)行回收處理，以降低廢液處理成本，減輕廢液排放壓力[5-7]。切削液廢液回收處理一般是回收其中含量最大的水，繼續(xù)用于工作液的配制，而處理后所得的濃縮液則委外處理，從而最大程度減少?gòu)U液排放量，降低廢液處理費(fèi)用。切削液使用企業(yè)建立廢舊切削液處理工藝須具備設(shè)備工藝概念簡(jiǎn)單、出水穩(wěn)定、能耗低、投資少、易于維護(hù)的特點(diǎn)。針對(duì)于此，采用膜處理技術(shù)，對(duì)切削液廢液進(jìn)行處理，并對(duì)出水指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，判斷出水是否可回用于切削液工作液的配制。旨在降低廢液處理回用的難度，探討在企業(yè)內(nèi)部建立切削液廢液回收處理工藝的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

電子分析天平、pH 計(jì)、手持式折光計(jì)、電導(dǎo)率儀、水質(zhì)分析儀、離心機(jī)、袋式過(guò)濾器、超濾膜系統(tǒng)、納濾膜系統(tǒng)、反滲透膜系統(tǒng)、MicrotapTTT 攻絲扭矩儀、恒溫干燥箱、恒溫?fù)u床、分光光度計(jì)

1.2 實(shí)驗(yàn)廢液

實(shí)驗(yàn)所選用切削液廢液來(lái)自天津某汽車模具加工企業(yè)，廢液成分主要包括半合成切削液、機(jī)械雜油、車間清洗廢水、切屑、微生物和各種切削液調(diào)節(jié)劑等，其性狀及相關(guān)理化指標(biāo)如表1。

表1 切削液廢液性狀及相關(guān)理化指標(biāo)

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 取適量切削液廢液加入離心機(jī)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至10 000 r/min，離心5 min，撇去上層浮油，并以過(guò)濾精度100 目的袋式過(guò)濾器濾去切屑及其他雜質(zhì)，得到預(yù)處理液；

1.3.2 將預(yù)處理液注入超濾膜系統(tǒng)，得到初級(jí)濾液，對(duì)初級(jí)濾液相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)分析；

1.3.3 將一級(jí)濾液注入納濾膜系統(tǒng)，得到二級(jí)濾液，對(duì)二級(jí)濾液相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)分析；

1.3.4 將二級(jí)濾液注入反滲透膜系統(tǒng)，得到三級(jí)濾液，對(duì)三級(jí)濾液相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)分析；

1.3.5 分別以初級(jí)濾液、二級(jí)濾液、三級(jí)濾液為稀釋水配制切削液工作液，對(duì)其相關(guān)性能進(jìn)行檢測(cè)，并與以去離子水作為稀釋液時(shí)對(duì)比。

1.3.6 分析各級(jí)濾液是否滿足回用指標(biāo)，結(jié)合各級(jí)膜處理設(shè)備投資、能耗、維護(hù)難易程度等，選擇最佳性價(jià)比工藝。

實(shí)驗(yàn)流程如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

1.4 水質(zhì)分析

分別對(duì)初級(jí)濾液、二級(jí)濾液、三級(jí)濾液進(jìn)行水質(zhì)分析，分析項(xiàng)目及檢測(cè)方法如表2。

表2 水質(zhì)分析項(xiàng)目及檢測(cè)方法

1.5 切削液性能分析

分別以初級(jí)濾液、二級(jí)濾液、三級(jí)濾液為稀釋水，配制切削液工作液，對(duì)其相關(guān)性能進(jìn)行分析，分析項(xiàng)目及檢測(cè)方法如表3。

表3 性能分析項(xiàng)目及檢測(cè)方法

2 結(jié)果與分析

對(duì)初級(jí)濾液、二級(jí)濾液、三級(jí)濾液進(jìn)行水質(zhì)分析，結(jié)果如表4。

表4 各級(jí)濾液水質(zhì)分析

由表4 可知，對(duì)于初級(jí)濾液，外觀為黃色透明，濃度仍為2.5%，這是因?yàn)榘牒铣汕邢饕喝橐毫酵ǔ７植荚?0～100 nm[8]，且其中含有部分水溶性物質(zhì)，超濾膜孔徑一般為2～50 nm，并不能對(duì)其完全去除；同時(shí)，細(xì)菌、真菌尺寸大多大于50 nm，故超濾膜可使初級(jí)濾液中菌落數(shù)大幅下降；此外，廢液中腐臭氣味一般是由于其中厭氧微生物代謝產(chǎn)生的H2S 等小分子物質(zhì)導(dǎo)致的，超濾膜不能阻止其通過(guò)，故初級(jí)濾液仍有腐臭味。

納濾膜孔徑一般在1～2 nm 之間，可以去除水中大部分的有機(jī)物、陰陽(yáng)離子和幾乎全部的細(xì)菌、真菌，故二級(jí)濾液濃度降至0.4%，菌落數(shù)低于檢出限，腐臭味輕微。

反滲透膜孔徑大多在1 nm 以下，能夠去除水中幾乎全部的有機(jī)物和陰陽(yáng)離子，所以得到的三級(jí)濾液濃度為0，且無(wú)異味。

實(shí)驗(yàn)中，初級(jí)濾液COD 為11 340 mg/L，二級(jí)濾液COD 為4 250 mg/L，三級(jí)濾液為1 604 mg/L，均未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)GB 18918 中規(guī)定的工業(yè)廢水三級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 性能分析

分別以初級(jí)濾液、二級(jí)濾液、三級(jí)濾液作為稀釋水配制清潤(rùn)博QC－2501 半合成通用型切削液工作液，濃度為5%，分析其相關(guān)性能，并與以去離子水配制的工作液作為對(duì)比。分析各級(jí)濾液對(duì)切削液相關(guān)性能的影響。

2.2.1 切削液工作液的基本理化性能

以各級(jí)濾液作為稀釋水配制的切削液工作液基本理化性能如表5。

表5 切削液工作液基本理化性能

從表5 可以看到，以各級(jí)濾液配制的工作液pH值均在正常范圍內(nèi)，抗泡性均合格。但以初級(jí)濾液配制的工作液外觀為淡黃色乳液，有輕微臭味，電導(dǎo)率偏高；以二級(jí)濾液配制的工作液外觀為藍(lán)白色微乳液、無(wú)臭味，與去離子水稀釋時(shí)相同，但電導(dǎo)率仍舊偏高；而以三級(jí)濾液配制的工作液外觀、氣味、電導(dǎo)率均與去離子水稀釋時(shí)相近。

2.2.2 切削液工作液的防銹緩蝕性能

檢測(cè)以各級(jí)濾液配制的切削液工作液的防銹性和緩蝕性，結(jié)果如表6。

表6 切削液工作液防銹緩蝕性

由表6 可知，當(dāng)以初級(jí)濾液配制切削液工作液時(shí)，單片防銹性、鑄鐵緩蝕性、紫銅緩蝕性、LY12 鋁緩蝕性均不合格，這可能是因?yàn)槌跫?jí)濾液中殘留的小分子酸等雜質(zhì)所導(dǎo)致的；以二級(jí)濾液配制工作液時(shí)，LY12 鋁合金輕微失光，緩蝕性為B 級(jí)，其他均為A 級(jí)，因?yàn)殇X性質(zhì)較為活潑，二級(jí)濾液中的少量雜質(zhì)會(huì)對(duì)其表面造成輕微腐蝕；以三級(jí)濾液配制工作液時(shí)，所測(cè)各金屬防銹緩蝕性均為A 級(jí)。

2.2.3 切削液工作液的潤(rùn)滑性能

以MicrotapTTT 攻絲扭矩儀測(cè)試各級(jí)濾液配制的切削液工作液對(duì)GCr15 軸承鋼和7075 鋁合金的潤(rùn)滑性，測(cè)試參數(shù)如表7。

表7 攻絲扭矩測(cè)試條件

測(cè)試結(jié)果如圖2 和圖3。

切削液攻絲過(guò)程中絲錐與試件之間存在摩擦阻力，摩擦阻力越大，平均扭矩值越大，則切削液潤(rùn)滑性越差，反之，平均扭矩值越小，切削液潤(rùn)滑性越好。由圖2 和圖3 可以看到，對(duì)于GCr15 軸承鋼和7075 鋁合金，以不同稀釋水配制的切削液工作液潤(rùn)滑性變化不大，均與去離子水相近。原因是各級(jí)濾液中殘留的雜質(zhì)并未對(duì)切削液的滲透性及潤(rùn)滑膜強(qiáng)度造成影響。

圖2 各切削液工作液GCr15 軸承鋼平均攻絲扭矩

圖3 各切削液工作液7075 鋁合金平均攻絲扭矩

2.2.4 切削液工作液的抗菌性能

通過(guò)微生物培養(yǎng)法測(cè)試分別以初級(jí)濾液、二級(jí)濾液、三級(jí)濾液、去離子水配制的清潤(rùn)博QC-2501 切削液5%濃度工作液的抗菌性能，試驗(yàn)方法為：向各工作液中加入20%LB 培養(yǎng)基、1%切削液廢液，進(jìn)行微生物培養(yǎng)；于30℃條件下培養(yǎng)14 d，檢測(cè)微生物OD600 增長(zhǎng)量，增長(zhǎng)量越大，說(shuō)明微生物繁殖越快，工作液抗菌性能越差。

試驗(yàn)結(jié)果如圖4，可以看到，當(dāng)以初級(jí)濾液為稀釋水配制切削液工作液時(shí)，經(jīng)過(guò)14 d 的微生物培養(yǎng)，OD600 增長(zhǎng)量最大，說(shuō)明其微生物增殖最快，抗菌性最差；而以二級(jí)濾液配制的工作液OD600 增長(zhǎng)量遠(yuǎn)低于初級(jí)濾液，但高于三級(jí)濾液和去離子水；以三級(jí)濾液配制的工作液OD600 增長(zhǎng)量與去離子水相近。說(shuō)明初級(jí)濾液中有腐敗微生物殘留，且所殘留的雜質(zhì)（包括有機(jī)物和無(wú)機(jī)鹽）為微生物創(chuàng)造了適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，短時(shí)間內(nèi)即可引起微生物的大量增殖，嚴(yán)重降低切削液抗菌性能；而二級(jí)濾液也會(huì)對(duì)切削液抗菌性有所影響；三級(jí)濾液對(duì)切削液抗菌性能的影響可認(rèn)為屬于測(cè)試誤差范圍以內(nèi)。

圖4 各切削液工作液OD600 增長(zhǎng)量

綜上所述，結(jié)合對(duì)不同稀釋水配制的切削液工作液基本理化性能、防銹緩蝕性能、潤(rùn)滑性能、抗菌性能的分析，說(shuō)明切削液廢液經(jīng)過(guò)超濾之后的初級(jí)濾液仍含有較多的雜質(zhì)，作為稀釋水時(shí)，會(huì)使切削液工作外觀由藍(lán)白色微乳液變?yōu)榈S色乳液，且有腐臭味，同時(shí)會(huì)對(duì)切削液的防銹緩蝕性、抗菌性造成很大影響；切削液廢液經(jīng)過(guò)超濾—納濾處理后，二級(jí)濾液中雜質(zhì)含量較少，作為稀釋水不會(huì)影響工作液的外觀、氣味，且鑄鐵、紫銅的防銹緩蝕性合格，但會(huì)對(duì)7075 鋁合金造成輕微腐蝕，同時(shí)會(huì)對(duì)切削液抗菌性能造成輕微影響；切削液廢液經(jīng)過(guò)超濾—納濾—反滲透后，以三級(jí)濾液配制切削液工作液，其基本理化性能、防銹緩蝕性能、潤(rùn)滑性能、抗菌性能均與去離子水相近。

3 結(jié)論

3.1 分別對(duì)切削液廢液進(jìn)行超濾、納濾、反滲透處理，處理后各級(jí)濾液COD 值分別為11 340 mg/L、4 250 mg/L、1 604 mg/L，均不滿足GB 18918 中規(guī)定的工業(yè)廢水三級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，不可排放。

3.2 以切削液廢液經(jīng)過(guò)超濾后的初級(jí)濾液配制切削液工作液會(huì)對(duì)其使用性能造成很大影響，不宜回用；經(jīng)過(guò)超濾—納濾處理后的二級(jí)濾液回用配制的切削液工作液適用于加工工件材質(zhì)無(wú)鋁合金，且加工環(huán)境不宜腐敗的工況；而經(jīng)過(guò)超濾—納濾—反滲透處理后的三級(jí)濾液回用配制的切削液工作液性能指標(biāo)與去離子水相近，滿足于絕大多數(shù)工況。

3.3 切削液廢液經(jīng)膜處理工藝后出水性質(zhì)可滿足回用配液，且不需額外添加劑調(diào)整，企業(yè)可根據(jù)自身生產(chǎn)條件及工藝需求選擇預(yù)處理—超濾—納濾工藝或預(yù)處理—超濾—納濾—反滲透工藝，設(shè)備投資少，能耗低，使用方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，適用于企業(yè)內(nèi)部對(duì)切削液廢液自行回用處理。