电絮凝/臭氧杀菌工艺修复切削液试验研究

2018-03-21刘威风费庆志许芝费洪剑张笑维

大连交通大学学报 2018年1期

刘威风,费庆志,许芝,费洪剑,张笑维

(大连交通大学环境与化学工程学院，辽宁大连 116028)

0 引言

切削液是一种高性能的金属加工液.由乳化剂、矿物油、油性剂、防锈剂等组成.切削液根据其原液的不同可以分为乳化油，合成乳化液和微乳化液.切削液在零件加工、发动机制造、轧辊、钢板冷却等机械加工过程中被广泛应用.起到冷却、润滑、清洗和防锈等作用[1- 4].切削液在使用过程中，由于金属碎屑、油污、粉末、灰尘和溶解矿物质等外界物质杂质的不断积累、加工过程中高温、氧化、微生物滋生等诸多因素导致切削液主要成分的分解和功能的失效[5].作为一种高难度处理的工业废水，如果使用传统破乳达标排放，会加重处理成本.如果在切削液失效之前给予适当修复净化，进而达到回用的目的，从而避免资源的严重浪费，降低企业的生产成本，保护环境.因此研究“电絮凝-臭氧杀菌工艺修复在线使用切削液”很有必要.该法在对纺织工业废水、印染废水的脱色、制药废水、微污染水、油田废水、乳化液废水等处理研究中取得较好效果[6- 11].本文选用某零件加工使用切削液，采用电絮凝-臭氧杀菌联合处理工艺对其进行净化修复研究，分别考察极板间距、电流密度、通电时间、倒极时间对微废切削液悬浮物(SS)去除率、COD的影响，找出最佳试验条件，从而为研发电凝聚净化切削液设备提供基础性的数据和参考依据.

1 材料与方法

1.1 样品参数

某零件制造公司加工生产使用切削液呈暗灰色， SS含量为1.463×104mg/L，COD值为8.48×104mg/L，电导率值为4.76 ms/cm，细菌总数为8.3×106cfu/mL，pH值为9.25.

1.2 试剂与仪器

仪器设备： PL203 型精密电子分析天平、PHS-3C型pH仪、DDS-11A数显电导率仪、DHG-9030A型电热恒温鼓风干燥箱、KDB-ⅢCOD微波消解仪、JWY-30G型直流稳压电源、JET-D型臭氧消毒机、高压消毒锅、恒温培养箱等.

实验药剂：硫酸亚铁铵(分析纯)、重铬酸钾(分析纯)、浓硫酸(分析纯)、硫酸银(分析纯)、硫酸汞(分析纯)、试亚铁灵、NaOH(分析纯)、铝板、蛋白胨、牛肉膏、氯化钠(分析纯)、琼脂等.

1.3 试验方法与分析方法

1.3.1 试验方法

试验前，将铝板放入丙酮溶液中浸泡5 min左右，并先后用粗、细砂纸打磨后放入NaOH溶液反应，待大量气泡冒出后用去离子水清洗，再用稀盐酸溶液清洗，待气泡冒出,再用去离子水冲洗干净，浸入酒精中放置，待使用时取出，保持电极表面的洁净[12].

1.3.2 分析方法

试验测定的切削液指标包括悬浮物(SS)、化学需氧量(COD)、pH、细菌总数.各项指标的测定方法如表1所示.

表1 主要指标的测定方法

2 结果与讨论

2.1 电凝聚反应

实验装置为自制长方体反应器，反应器尺寸为：20 cm×10 cm×20 cm，自制反应槽使用材料:聚丙烯，如图1所示.内装有铝板(10 cm×10 cm×0.2 cm)、应用继电器、时钟继电器及直流电源连成电路实现通电的周期换向和脉冲过程，切削液中的浮渣经过反应器右上方出水堰流出，同时底部通入臭氧杀菌，干净切削液从下部出水口流出，完成修复.

图1 实验装置

(1)极板间距对切削液中SS去除率的影响

反应温度为室温20°，切削液的电导率值为4.76 ms/cm，反应初始pH值为9.25，电流值为1 A，换极时间为0 min，改变不同的极板间距d，反应30 min时，d的改变对切削液中SS去除效果如图2所示.

图2 不同极板间距对SS去除效果的影响

由图2可知，随着通电时间t的延长，SS去除率先上升后趋于稳定.d越小，SS去除率越大，反之则去除率越低.当t为20 min时，极板间距d为10 mm时，SS总量可降低到1.97×103mg/L，去除率达到86.5%，此外当d过小时，也易造成电流短路.由此得出：铝电极板的最佳间距为10 mm.

(2)极板间距对切削液COD的影响

由图3可知，COD随通电时间的延长呈下降趋势，极板间距越小，COD下降趋势越明显，当电解为25 min时，COD值为7.5×104mg/L，与新切削液COD接近.当通电时间为20 min时，COD与新切削液等同，时间过长，会破坏切削液中的有效成分，使性能下降.

图3 不同极板间距对切削液COD的影响

(3)电流密度对切削液SS去除效果的影响

反应温度为室温20°，切削液的电导率值为4.76 ms/cm，反应初始pH值为9.25，换极时间为0 min，极板间距10 mm，反应30 min时，电流密度的改变对SS去除效果如图4所示.

由图4可知，电流密度越大，SS去除率就越高.反之，电流密度越小，SS去除率就越低.但电流密度很大时，一部分电流消耗在电解水上.电流密度过小时，去除率较低.综上应选用电流密度为15 mA/cm2，SS去除率达到88.5%.

图4 不同电流密度对SS去除效果的影响

(4)电流密度对切削液COD的影响

由图5可知，COD随通电时间的延长呈下降趋势，前5 min下降趋势明显，5 min后趋于平缓.这是由于切削液中悬浮有机物逐渐聚集减少所致.电流密度越大，COD下降趋势越明显.当通电时间为20 min左右时，COD与新切削液相当，因此通电时间应在20 min左右，不宜过高，否则导致切削液破乳失效.

图5 不同电流密度对COD的影响

(5)通电时间对切削液SS去除率、COD的影响

反应温度为室温20°，切削液的电导率值为4.76 ms/cm，电流密度15 mA/cm2，电解时间30 min，电极间距10 mm,初始pH为9.25时，倒极时间为0 min，如图6所示.

图6 通电时间对悬浮物(SS)去除效果及COD的影响

由图6可知， SS去除率随通电时间的增加逐渐增加.通电时间超过25 min后SS去除率的变化逐渐趋于平缓.继续增加通电时间，能耗增加，效率降低，在30 min后SS去除率不再明显提高.因此通电时间应为20～25 min之间，SS处理效果较好.COD随通电时间的延长呈下降趋势，前5 min下降趋势明显，5 min后趋于平缓，这是由于随着电解时间的增加，极板不断极化所致.

(6)倒极时间对切削液悬浮物(SS)去除率的影响

电流密度15 mA/cm2，电解时间20 min，电极间距10 mm,pH为9时，倒极时间的改变对切削液中悬浮物(SS)的处理效果如图7所示.

图7 倒极时间对SS去除效果的影响

由图7所示，前15s，SS去除率随倒极时间的延长逐渐增加；15 s后，SS去除率随倒极时间的延长逐渐趋于平缓，这是由于电极钝化所用时间更短，极板还没溶解已有部分钝化.因此，倒极时间应控制在10～15 s之间，悬浮物(SS)去除率较好，可达92.12%.

2.2 臭氧杀菌实验

臭氧属强氧化剂，具有杀微生物作用，其杀菌速度较氯快300～600倍[13]，具有良好的杀灭作用，且使用方便，作用速度较快，具有良好的使用前景[14].本试验所用的产臭氧装置为JET-D型臭氧消毒机.产生的臭氧从实验装置右底部通入.

经电絮凝处理后的切削液，作曝气处理，每隔5 min取一次样，经稀释100倍后，接种到已配置好的培养基中，培养36 h，测定菌落总数.经测定，把细菌变化规律绘制曲线如图8所示，从图中可知，在通入臭氧过程中随着曝气时间的增加，切削液中细菌总数迅速减少.经曝气处理10 min，经测定，杀菌率高达99.9 6%；此后再继续曝气处理，细菌去除率增加不明显.因此，臭氧杀菌反应合理的曝气时间是10 min.

图8 不同曝气时间对杀菌率的影响

3 修复后性能评价

3.1 试验方法

微废切削液经过“电絮凝-臭氧杀菌工艺”修复后，依据GB/T 6144-2010[15],依次做如下实验来对其进行性能评价：

(1)pH值测定

用PHS-3C型pH仪测定切削液pH值，测定三次取平均值，记下度数.

(2)消泡性测定

取70 mL修复后的切削液倒入100 mL具塞量筒中，盖好塞，上下摇动1 min，上下摇动距离约为1/3 m，摇动频率约为100～120 次/min，然后室温静置10 min，观察液面残留泡沫体积，记下度数[15].

(3)防腐性测定

将制备的试片，全浸入被测试液中(不同材料的试片不应浸于同一杯中)，加盖玻璃罩，放入恒温箱中，温度设置为(55±2)℃，到规定时间，取出试片进行观察[15].

(4)防锈性测定

用滴液管吸取切削液，按梅花格式滴入五滴，于试片磨光面上，每滴直径约为4～5 mm，后将试片放入干燥箱隔板上，合上干燥器盖，置于(35±2)℃恒温箱内，连续试验到规定时间，取出试片，进行观察[15].

3.2 结果与讨论

经修复后的切削液，对其进行性能评价，与标准切削液性能进行对比，结果如表2所示.

表2 修复前后切削液性能指标比较

4 结论

(1)微废切削液经电絮凝/臭氧杀菌净化处理工艺修复后，其消泡性、防腐性、防锈性等指标都能达到《合成切削液(GB/T 6144-2010)》要求，可以继续循环使用；

(2)电絮凝/臭氧杀菌净化处理工艺作为微废切削液的修复再生处理方法，有较好的处理效果，总悬浮物(SS)去除率可达92.12%，杀菌率达到99.9 6%；

(3)确定了处理工艺的最佳反应参数：电流密度为15 mA/cm2、电极间距为10 mm、通电时间为20 min、倒极周期为15 s,臭氧曝气时间10 min.切削液净化修复前后效果如表2所示，其消泡性、防腐性、防锈性主要性能都有大幅提升，满足《合成切削液(GB/T 6144-2010)》要求，可以继续循环使用.

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