電絮凝/臭氧殺菌工藝修復切削液試驗研究

劉威風,費慶志,許芝,費洪劍,張笑維

(大連交通大學 環境與化學工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

切削液是一種高性能的金屬加工液.由乳化劑、礦物油、油性劑、防銹劑等組成.切削液根據其原液的不同可以分為乳化油，合成乳化液和微乳化液.切削液在零件加工、發動機制造、軋輥、鋼板冷卻等機械加工過程中被廣泛應用.起到冷卻、潤滑、清洗和防銹等作用[1- 4].切削液在使用過程中，由于金屬碎屑、油污、粉末、灰塵和溶解礦物質等外界物質雜質的不斷積累、加工過程中高溫、氧化、微生物滋生等諸多因素導致切削液主要成分的分解和功能的失效[5].作為一種高難度處理的工業廢水，如果使用傳統破乳達標排放，會加重處理成本.如果在切削液失效之前給予適當修復凈化，進而達到回用的目的，從而避免資源的嚴重浪費，降低企業的生產成本，保護環境.因此研究“電絮凝-臭氧殺菌工藝修復在線使用切削液”很有必要.該法在對紡織工業廢水、印染廢水的脫色、制藥廢水、微污染水、油田廢水、乳化液廢水等處理研究中取得較好效果[6- 11].本文選用某零件加工使用切削液，采用電絮凝-臭氧殺菌聯合處理工藝對其進行凈化修復研究，分別考察極板間距、電流密度、通電時間、倒極時間對微廢切削液懸浮物(SS)去除率、COD的影響，找出最佳試驗條件，從而為研發電凝聚凈化切削液設備提供基礎性的數據和參考依據.

1 材料與方法

1.1 樣品參數

某零件制造公司加工生產使用切削液呈暗灰色， SS含量為1.463×104mg/L，COD值為8.48×104mg/L，電導率值為4.76 ms/cm，細菌總數為8.3×106cfu/mL，pH值為9.25.

1.2 試劑與儀器

儀器設備： PL203 型精密電子分析天平、PHS-3C型pH儀、DDS-11A數顯電導率儀、DHG-9030A型電熱恒溫鼓風干燥箱、KDB-ⅢCOD微波消解儀、JWY-30G型直流穩壓電源、JET-D型臭氧消毒機、高壓消毒鍋、恒溫培養箱等.

實驗藥劑：硫酸亞鐵銨(分析純)、重鉻酸鉀(分析純)、濃硫酸(分析純)、硫酸銀(分析純)、硫酸汞(分析純)、試亞鐵靈、NaOH(分析純)、鋁板、蛋白胨、牛肉膏、氯化鈉(分析純)、瓊脂等.

1.3 試驗方法與分析方法

1.3.1 試驗方法

試驗前，將鋁板放入丙酮溶液中浸泡5 min左右，并先后用粗、細砂紙打磨后放入NaOH溶液反應，待大量氣泡冒出后用去離子水清洗，再用稀鹽酸溶液清洗，待氣泡冒出,再用去離子水沖洗干凈，浸入酒精中放置，待使用時取出，保持電極表面的潔凈[12].

1.3.2 分析方法

試驗測定的切削液指標包括懸浮物(SS)、化學需氧量(COD)、pH、細菌總數.各項指標的測定方法如表1所示.

表1 主要指標的測定方法

2 結果與討論

2.1 電凝聚反應

實驗裝置為自制長方體反應器，反應器尺寸為：20 cm×10 cm×20 cm，自制反應槽使用材料:聚丙烯，如圖1所示.內裝有鋁板(10 cm×10 cm×0.2 cm)、應用繼電器、時鐘繼電器及直流電源連成電路實現通電的周期換向和脈沖過程，切削液中的浮渣經過反應器右上方出水堰流出，同時底部通入臭氧殺菌，干凈切削液從下部出水口流出，完成修復.

圖1 實驗裝置

(1)極板間距對切削液中SS去除率的影響

反應溫度為室溫20°，切削液的電導率值為4.76 ms/cm，反應初始pH值為9.25，電流值為1 A，換極時間為0 min，改變不同的極板間距d，反應30 min時，d的改變對切削液中SS去除效果如圖2所示.

圖2 不同極板間距對SS去除效果的影響

由圖2可知，隨著通電時間t的延長，SS去除率先上升后趨于穩定.d越小，SS去除率越大，反之則去除率越低.當t為20 min時，極板間距d為10 mm時，SS總量可降低到1.97×103mg/L，去除率達到86.5%，此外當d過小時，也易造成電流短路.由此得出：鋁電極板的最佳間距為10 mm.

(2)極板間距對切削液COD的影響

由圖3可知，COD隨通電時間的延長呈下降趨勢，極板間距越小，COD下降趨勢越明顯，當電解為25 min時，COD值為7.5×104mg/L，與新切削液COD接近.當通電時間為20 min時，COD與新切削液等同，時間過長，會破壞切削液中的有效成分，使性能下降.

圖3 不同極板間距對切削液COD的影響

(3)電流密度對切削液SS去除效果的影響

反應溫度為室溫20°，切削液的電導率值為4.76 ms/cm，反應初始pH值為9.25，換極時間為0 min，極板間距10 mm，反應30 min時，電流密度的改變對SS去除效果如圖4所示.

由圖4可知，電流密度越大，SS去除率就越高.反之，電流密度越小，SS去除率就越低.但電流密度很大時，一部分電流消耗在電解水上.電流密度過小時，去除率較低.綜上應選用電流密度為15 mA/cm2，SS去除率達到88.5%.

圖4 不同電流密度對SS去除效果的影響

(4)電流密度對切削液COD的影響

由圖5可知，COD隨通電時間的延長呈下降趨勢，前5 min下降趨勢明顯，5 min后趨于平緩.這是由于切削液中懸浮有機物逐漸聚集減少所致.電流密度越大，COD下降趨勢越明顯.當通電時間為20 min左右時，COD與新切削液相當，因此通電時間應在20 min左右，不宜過高，否則導致切削液破乳失效.

圖5 不同電流密度對COD的影響

(5)通電時間對切削液SS去除率、COD的影響

反應溫度為室溫20°，切削液的電導率值為4.76 ms/cm，電流密度15 mA/cm2，電解時間30 min，電極間距10 mm,初始pH為9.25時，倒極時間為0 min，如圖6所示.

圖6 通電時間對懸浮物(SS)去除效果及COD的影響

由圖6可知， SS去除率隨通電時間的增加逐漸增加.通電時間超過25 min后SS去除率的變化逐漸趨于平緩.繼續增加通電時間，能耗增加，效率降低，在30 min后SS去除率不再明顯提高.因此通電時間應為20～25 min之間，SS處理效果較好.COD隨通電時間的延長呈下降趨勢，前5 min下降趨勢明顯，5 min后趨于平緩，這是由于隨著電解時間的增加，極板不斷極化所致.

(6)倒極時間對切削液懸浮物(SS)去除率的影響

電流密度15 mA/cm2，電解時間20 min，電極間距10 mm,pH為9時，倒極時間的改變對切削液中懸浮物(SS)的處理效果如圖7所示.

圖7 倒極時間對SS去除效果的影響

由圖7所示，前15s，SS去除率隨倒極時間的延長逐漸增加；15 s后，SS去除率隨倒極時間的延長逐漸趨于平緩，這是由于電極鈍化所用時間更短，極板還沒溶解已有部分鈍化.因此，倒極時間應控制在10～15 s之間，懸浮物(SS)去除率較好，可達92.12%.

2.2 臭氧殺菌實驗

臭氧屬強氧化劑，具有殺微生物作用，其殺菌速度較氯快300～600倍[13]，具有良好的殺滅作用，且使用方便，作用速度較快，具有良好的使用前景[14].本試驗所用的產臭氧裝置為JET-D型臭氧消毒機.產生的臭氧從實驗裝置右底部通入.

經電絮凝處理后的切削液，作曝氣處理，每隔5 min取一次樣，經稀釋100倍后，接種到已配置好的培養基中，培養36 h，測定菌落總數.經測定，把細菌變化規律繪制曲線如圖8所示，從圖中可知，在通入臭氧過程中隨著曝氣時間的增加，切削液中細菌總數迅速減少.經曝氣處理10 min，經測定，殺菌率高達99.9 6%；此后再繼續曝氣處理，細菌去除率增加不明顯.因此，臭氧殺菌反應合理的曝氣時間是10 min.

圖8 不同曝氣時間對殺菌率的影響

3 修復后性能評價

3.1 試驗方法

微廢切削液經過“電絮凝-臭氧殺菌工藝”修復后，依據GB/T 6144-2010[15],依次做如下實驗來對其進行性能評價：

(1)pH值測定

用PHS-3C型pH儀測定切削液pH值，測定三次取平均值，記下度數.

(2)消泡性測定

取70 mL修復后的切削液倒入100 mL具塞量筒中，蓋好塞，上下搖動1 min，上下搖動距離約為1/3 m，搖動頻率約為100～120 次/min，然后室溫靜置10 min，觀察液面殘留泡沫體積，記下度數[15].

(3)防腐性測定

將制備的試片，全浸入被測試液中(不同材料的試片不應浸于同一杯中)，加蓋玻璃罩，放入恒溫箱中，溫度設置為(55±2)℃，到規定時間，取出試片進行觀察[15].

(4)防銹性測定

用滴液管吸取切削液，按梅花格式滴入五滴，于試片磨光面上，每滴直徑約為4～5 mm，后將試片放入干燥箱隔板上，合上干燥器蓋，置于(35±2)℃恒溫箱內，連續試驗到規定時間，取出試片，進行觀察[15].

3.2 結果與討論

經修復后的切削液，對其進行性能評價，與標準切削液性能進行對比，結果如表2所示.

表2 修復前后切削液性能指標比較

4 結論

(1)微廢切削液經電絮凝/臭氧殺菌凈化處理工藝修復后，其消泡性、防腐性、防銹性等指標都能達到《合成切削液(GB/T 6144-2010)》要求，可以繼續循環使用；

(2)電絮凝/臭氧殺菌凈化處理工藝作為微廢切削液的修復再生處理方法，有較好的處理效果，總懸浮物(SS)去除率可達92.12%，殺菌率達到99.9 6%；

(3)確定了處理工藝的最佳反應參數：電流密度為15 mA/cm2、電極間距為10 mm、通電時間為20 min、倒極周期為15 s,臭氧曝氣時間10 min.切削液凈化修復前后效果如表2所示，其消泡性、防腐性、防銹性主要性能都有大幅提升，滿足《合成切削液(GB/T 6144-2010)》要求，可以繼續循環使用.

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