電絮凝/臭氧殺菌工藝修復(fù)切削液試驗(yàn)研究

劉威風(fēng),費(fèi)慶志,許芝,費(fèi)洪劍,張笑維

(大連交通大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)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(jù)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(fā)動(dòng)機(jī)制造、軋輥、鋼板冷卻等機(jī)械加工過(guò)程中被廣泛應(yīng)用.起到冷卻、潤(rùn)滑、清洗和防銹等作用[1- 4].切削液在使用過(guò)程中，由于金屬碎屑、油污、粉末、灰塵和溶解礦物質(zhì)等外界物質(zhì)雜質(zhì)的不斷積累、加工過(guò)程中高溫、氧化、微生物滋生等諸多因素導(dǎo)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(yè)廢水，如果使用傳統(tǒng)破乳達(dá)標(biāo)排放，會(huì)加重處理成本.如果在切削液失效之前給予適當(dāng)修復(fù)凈化，進(jìn)而達(dá)到回用的目的，從而避免資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，保護(hù)環(huán)境.因此研究“電絮凝-臭氧殺菌工藝修復(fù)在線使用切削液”很有必要.該法在對(duì)紡織工業(yè)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(lián)合處理工藝對(duì)其進(jìn)行凈化修復(fù)研究，分別考察極板間距、電流密度、通電時(shí)間、倒極時(shí)間對(duì)微廢切削液懸浮物(SS)去除率、COD的影響，找出最佳試驗(yàn)條件，從而為研發(fā)電凝聚凈化切削液設(shè)備提供基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)和參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 樣品參數(shù)

某零件制造公司加工生產(chǎn)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(dǎo)率值為4.76 ms/cm，細(xì)菌總數(shù)為8.3×106cfu/mL，pH值為9.25.

1.2 試劑與儀器

儀器設(shè)備： PL203 型精密電子分析天平、PHS-3C型pH儀、DDS-11A數(shù)顯電導(dǎo)率儀、DHG-9030A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、KDB-ⅢCOD微波消解儀、JWY-30G型直流穩(wěn)壓電源、JET-D型臭氧消毒機(jī)、高壓消毒鍋、恒溫培養(yǎng)箱等.

實(shí)驗(yàn)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(yàn)方法與分析方法

1.3.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前，將鋁板放入丙酮溶液中浸泡5 min左右，并先后用粗、細(xì)砂紙打磨后放入NaOH溶液反應(yīng)，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(shí)取出，保持電極表面的潔凈[12].

1.3.2 分析方法

試驗(yàn)測(cè)定的切削液指標(biāo)包括懸浮物(SS)、化學(xué)需氧量(COD)、pH、細(xì)菌總數(shù).各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定方法如表1所示.

表1 主要指標(biāo)的測(cè)定方法

2 結(jié)果與討論

2.1 電凝聚反應(yīng)

實(shí)驗(yàn)裝置為自制長(zhǎng)方體反應(yīng)器，反應(yīng)器尺寸為：20 cm×10 cm×20 cm，自制反應(yīng)槽使用材料:聚丙烯，如圖1所示.內(nèi)裝有鋁板(10 cm×10 cm×0.2 cm)、應(yīng)用繼電器、時(shí)鐘繼電器及直流電源連成電路實(shí)現(xiàn)通電的周期換向和脈沖過(guò)程，切削液中的浮渣經(jīng)過(guò)反應(yīng)器右上方出水堰流出，同時(shí)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(fù).

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

(1)極板間距對(duì)切削液中SS去除率的影響

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

圖2 不同極板間距對(duì)SS去除效果的影響

由圖2可知，隨著通電時(shí)間t的延長(zhǎng)，SS去除率先上升后趨于穩(wěn)定.d越小，SS去除率越大，反之則去除率越低.當(dāng)t為20 min時(shí)，極板間距d為10 mm時(shí)，SS總量可降低到1.97×103mg/L，去除率達(dá)到86.5%，此外當(dāng)d過(guò)小時(shí)，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(duì)切削液COD的影響

由圖3可知，COD隨通電時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，極板間距越小，COD下降趨勢(shì)越明顯，當(dāng)電解為25 min時(shí)，COD值為7.5×104mg/L，與新切削液COD接近.當(dāng)通電時(shí)間為20 min時(shí)，COD與新切削液等同，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)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(duì)切削液COD的影響

(3)電流密度對(duì)切削液SS去除效果的影響

反應(yīng)溫度為室溫20°，切削液的電導(dǎo)率值為4.76 ms/cm，反應(yīng)初始pH值為9.25，換極時(shí)間為0 min，極板間距10 mm，反應(yīng)30 min時(shí)，電流密度的改變對(duì)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(shí)，一部分電流消耗在電解水上.電流密度過(guò)小時(shí)，去除率較低.綜上應(yīng)選用電流密度為15 mA/cm2，SS去除率達(dá)到88.5%.

圖4 不同電流密度對(duì)SS去除效果的影響

(4)電流密度對(duì)切削液COD的影響

由圖5可知，COD隨通電時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，前5 min下降趨勢(shì)明顯，5 min后趨于平緩.這是由于切削液中懸浮有機(jī)物逐漸聚集減少所致.電流密度越大，COD下降趨勢(shì)越明顯.當(dāng)通電時(shí)間為20 min左右時(shí)，COD與新切削液相當(dāng)，因此通電時(shí)間應(yīng)在20 min左右，不宜過(guò)高，否則導(dǎo)致切削液破乳失效.

圖5 不同電流密度對(duì)COD的影響

(5)通電時(shí)間對(duì)切削液SS去除率、COD的影響

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

圖6 通電時(shí)間對(duì)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(shí)間的增加逐漸增加.通電時(shí)間超過(guò)25 min后SS去除率的變化逐漸趨于平緩.繼續(xù)增加通電時(shí)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(shí)間應(yīng)為20～25 min之間，SS處理效果較好.COD隨通電時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，前5 min下降趨勢(shì)明顯，5 min后趨于平緩，這是由于隨著電解時(shí)間的增加，極板不斷極化所致.

(6)倒極時(shí)間對(duì)切削液懸浮物(SS)去除率的影響

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

圖7 倒極時(shí)間對(duì)SS去除效果的影響

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

2.2 臭氧殺菌實(shí)驗(yàn)

臭氧屬?gòu)?qiáng)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(yàn)所用的產(chǎn)臭氧裝置為JET-D型臭氧消毒機(jī).產(chǎn)生的臭氧從實(shí)驗(yàn)裝置右底部通入.

經(jīng)電絮凝處理后的切削液，作曝氣處理，每隔5 min取一次樣，經(jīng)稀釋100倍后，接種到已配置好的培養(yǎng)基中，培養(yǎng)36 h，測(cè)定菌落總數(shù).經(jīng)測(cè)定，把細(xì)菌變化規(guī)律繪制曲線如圖8所示，從圖中可知，在通入臭氧過(guò)程中隨著曝氣時(shí)間的增加，切削液中細(xì)菌總數(shù)迅速減少.經(jīng)曝氣處理10 min，經(jīng)測(cè)定，殺菌率高達(dá)99.9 6%；此后再繼續(xù)曝氣處理，細(xì)菌去除率增加不明顯.因此，臭氧殺菌反應(yīng)合理的曝氣時(shí)間是10 min.

圖8 不同曝氣時(shí)間對(duì)殺菌率的影響

3 修復(fù)后性能評(píng)價(jià)

3.1 試驗(yàn)方法

微廢切削液經(jīng)過(guò)“電絮凝-臭氧殺菌工藝”修復(fù)后，依據(jù)GB/T 6144-2010[15],依次做如下實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)其進(jìn)行性能評(píng)價(jià)：

(1)pH值測(cè)定

用PHS-3C型pH儀測(cè)定切削液pH值，測(cè)定三次取平均值，記下度數(shù).

(2)消泡性測(cè)定

取70 mL修復(fù)后的切削液倒入100 mL具塞量筒中，蓋好塞，上下?lián)u動(dòng)1 min，上下?lián)u動(dòng)距離約為1/3 m，搖動(dòng)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(shù)[15].

(3)防腐性測(cè)定

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

(4)防銹性測(cè)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(nèi)，連續(xù)試驗(yàn)到規(guī)定時(shí)間，取出試片，進(jìn)行觀察[15].

3.2 結(jié)果與討論

經(jīng)修復(fù)后的切削液，對(duì)其進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，與標(biāo)準(zhǔn)切削液性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示.

表2 修復(fù)前后切削液性能指標(biāo)比較

4 結(jié)論

(1)微廢切削液經(jīng)電絮凝/臭氧殺菌凈化處理工藝修復(fù)后，其消泡性、防腐性、防銹性等指標(biāo)都能達(dá)到《合成切削液(GB/T 6144-2010)》要求，可以繼續(xù)循環(huán)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(fù)再生處理方法，有較好的處理效果，總懸浮物(SS)去除率可達(dá)92.12%，殺菌率達(dá)到99.9 6%；

(3)確定了處理工藝的最佳反應(yīng)參數(shù)：電流密度為15 mA/cm2、電極間距為10 mm、通電時(shí)間為20 min、倒極周期為15 s,臭氧曝氣時(shí)間10 min.切削液凈化修復(fù)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(xù)循環(huán)使用.

[1]宋鴻儀．切削液在金屬切削工藝中的作用[J]．新疆工學(xué)院學(xué)報(bào)，1994(3):211-215.

[2]WATANABE S. Characteristic Properties of Cutting Fluid Additives Derived from the Products of Boric Acid and Various Aminoalco-hols [J]. Joumal of Materials Science Letters, 1996, 15 (3): 1111-1114.

[3]張康夫.乳化切削液與水劑清洗液的使用與廢水處理[J].腐蝕與防護(hù)，1996,18(2):18-19.

[4]張宏亮，賈曉鳴．切削液潤(rùn)滑性能的試驗(yàn)研究[J]．河北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，1996,18(1):21-23.

[5]肖劍,張璐熠.水基切削液的維護(hù)與管理[J].石油商技, 2006(6):24-26.

[6]許佩瑤，王淑娜，王德宏. 高濃度印染廢水的電解-內(nèi)電解法復(fù)合處理[J].印染,2004(8)：26-28.

[7]李亮，董怡華，胡筱敏. 原位電凝聚膜生物反應(yīng)器處理模擬印染廢水[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2013,44(10):4350- 4356.

[8]孫兆楠，胡筱敏，董嫦娥.周期換向電凝聚法處理黃連素模擬制藥廢水研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2011,11(6)：60-64.

[9]繆佳，賀群丹，彭博宇，等. 電凝聚超濾聯(lián)理微污染水的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)給水排水，2015,31(3)：41-45.

[10]王車(chē)禮.電絮凝處理油田廢水初步研究[J].油氣田環(huán)境保護(hù)，2002，12(3)：19-21.

[11]曹福，劉紅.電凝聚處理軋鋼乳化液廢水的研究[J].工業(yè)水處理，2006,26(2):24-26.

[12]崔明玉. 電氣浮處理特種廢水的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2005.

[13]林愛(ài)紅，饒健，秦彥珉，等. 臭氧殺菌效果的影響因素分析[J]. 醫(yī)藥衛(wèi)生科技，2002，13(6)：13-14.

[14]王洪林，顧健，王小萍.CDS-1型臭氧水處理塔殺菌效果觀察[J].中國(guó)消毒學(xué)雜志，1995,12(3): 151.

[15]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 6144-2010合成切削液[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.