一种切削废液循环利用环保装置设计

董玥彤，李 慧，吴奕佳，司东林，郑纯曦，单 海，杨红健

(河北工业大学，天津 300131)

1 切削液的再利用

切削液作为机械加工中重要的配套设备和原材料，使用量约占整个现代金属加工切削液生产总量的52%[1]，主要是起到了冷却、润滑、清洗和防锈的作用。但在金属切削液的生产和使用的过程中，由于容易受高温放电氧化、微生物、金属粉尘、环境有害介质(包括氧气、二氧化碳等)等作用而腐败变质，需定期更换。由于金属切削液的废水中可能含有大量的金属油、表面的活性剂、铁屑等，废液若不经任何处理直接将其排入地下水体，势必会严重程度污染地面水和其他地下水等自然资源，破坏当地的生态环境。

废金属切削液中大约有15%左右的有效成分因加工变质而自然失效，其中大约有超过80%[4]的有效变质成分经加工能够被有效地回收并加以利用，如果我们能够将这些废金属切削液生产过程中的有效成分经加工回收并有效地加以变质和利用，不仅我们还可以有效减少对资源的消耗和浪费，为社会和国家经济发展节约了大量自然资源，还使我们能够有效降低这些废金属切削液对于环境的污染和危害。因此，研究各种废金属切削液的变质和回收循环利用的工艺，将对于资源的有效循环利用和对环境的保护都具有积极的重大意义。

1.1 切削液废液的成分

在一些机械加工的过程中由于接触外界的物质，例如金属粉末、油污、灰尘，以及机械加工中直接产生的摩擦热等都很有可能直接导致这些合成切削液的破坏和变质。油脂中生存的细菌和其他厌氧性微生物在一些含有油脂的切削液中可以大量繁殖，它们切削液中的有机矿物油、脂肪酸、乳化剂等成分为主要营养而得以生存。

废金属处理的切削液中通常含有的矿物油、动植物油、表面活性剂、防霉杀菌剂、有害金属离子和水质中的悬浮物等有害物质，会对于环境和操作人的身体都造成严重污染和的损害。未经防锈剂处理的废金属切削液当中大量累积了防锈剂苯酚和磷酸钠，会直接导致水体富营养化并引发赤潮现象；一些杀菌剂由于降解性较差，也会导致水质中的微生物失衡；废液中一些表面活性剂会直接使得人体的皮肤出现红肿、开裂、化脓的现象；防锈剂如亚硝酸钠和苯酚磷酸钠等对于环境和人体的危害非常大；同时切削的废液中作为添加剂的有害物质含量比较多，在分解过程中会产生有毒的挥发性物质，因此必须努力寻求一种合适的高效方法处理这些切削废液再将其排放，以达到保护环境和广大人民的身体健康目的。

1.2 国内外研究

目前各个领域，切削液的应用绿色化产业发展应用进程进一步更加深入和不断加快。在美国和其他一些欧洲发达国家，全活性合成硝酸水基盐和亚硝酸钠水基切削液系列产品已经得到了广泛的研究应用。在欧洲、韩国和日本，水基全水性合成切削液的研究生产和开发使用市场规模的年增长率更为明显。水基氧化亚硝酸钠类虽然本身具有优良的耐腐防锈和具有耐化学腐蚀性的作用，但是自1990年发现其本身具有一定致癌性以来，各国逐步地研制淘汰了含有该种物质的切削液。

我国同样非常重视环保切削液的环保性研究与其应用。目前，我国的市场对于新型水基环保切削液的产品需求量逐渐增大，但国内针对水基环保切削液的无公害环保性的技术研究仍相对落后。通过开发新型水基绿色环保切削液，减少了环境污染，降低废液的处理费用和质量满足水基绿色切削液制造的环保性要求是许多绿色制造研究人员和机构共同追求的方向和目标。但由于目前我国水基绿色切削液制造技术研究的起步较晚，并且对于切削液的无公害绿色化程度的标准界定和质量评价的要求比较模糊，我国的水基绿色环保制造切削液的研发仍然还处于研究的初级阶段。

切削废液的处理过程通常可以分为三个主要的步骤:一级处理、破乳(第二级处理)和对水质的净化(第三级处理)。第一级切削废液处理的主要方法就是通过物理方法除去切削废液中大部分的悬浮颗粒等，常用的方法主要有重力分离法、离心法等。二级的处理，即破乳的主要目的之一就是通过破坏切削废液的化学稳定性，实现切削废液中油水的有效分离；破乳剂的应用可以大大降低油性污染物等，但远远达不到现行国家有机物排放的标准。故此还需要对切削废水进行水质的净化，将废液中的有机物彻底地降解，达标后排放。

常用的破乳处理手段主要类型包括盐析法、絮凝法、酸化法等。

盐析法是以储存在盐类溶液中的电解质和石墨板作为油珠破乳剂的电极来溶解或破坏油珠的胶体和水化膜，从而可以使油性物质从废液中凝结沉淀分离出来。絮凝法是在废水中加入了一定量的絮凝剂，通过电解使絮凝剂和油珠胶体粒子间的相互作用静电中和，吸附，桥连等相互作用使得体系平衡失稳，能快速沉淀以有效去除悬浮固体。酸化法则要在油类废水中直接加入酸来有效调节絮凝剂体系的pH值，通常将其pH值调节至3～4之间，产生质子双电层中和，破坏了系统的平衡和稳定性，絮凝剂能快速沉淀，降低废液中污水样的透光度和COD。

青岛科技大学雷东[1]副教授研究了一种新型聚合氯化铝和复合聚丙烯酰胺对于各种切削材料废液的各种絮凝光在透光中的作用，同时我们也还探讨了一种新型的被我们称为双螺壳聚糖的一种接枝状的共聚物对于各种切削材料废液的絮凝透光和对于絮凝的透光作用。得出结论:在适当的高温条件下，经高温壳聚的这种新型接枝聚酯共聚物经高温热处理后的这种新型切削材料废液的废物去除率平均透光度一般大约为82.3%、cod共枝类聚物的废液去除率平均透光度一般为87.59%。

哈尔滨工业大学李洪瑞[[7]等人研究采用混凝-紫外芬顿法处理机械加工的切削液废水。在多次实验后得出的最优单因素条件下对废水进行了验证实验，重现性较好，出水浓度cod平均205mg/L，达到《污水综合排放标准》(GB8978-1996)三级污水综合排放因素的标准。

长春工业大学李延珍采用浓硫酸破乳-混凝-氧化-吸附联合处理方法对废切削液进行处理，最后在采用浓硫酸破乳，聚合硫酸铁和阳离子型的聚丙烯酰胺混凝，氧化后通过调节其酸碱度比值并用活性炭进行吸附后，COD的去除率大约为92.2%[[8]。

2 吸附材料简介

2.1 粉煤灰概论

2.1.1 粉煤灰基本理化性质

粉煤灰是广泛用于现代工业燃煤生产和发电厂的主要副产品。粉煤灰固体是一种多孔性松散固体的集合物，其主要的化学成分含量为Al2O3、SiO2、Fe2O3占70%左右，CaO以及MgO含量相对较少，比表面积较大，粉煤灰废水处理含有大量重金属离子的废水主要通过粉煤灰的吸附化学作用(包括物理吸附和化学吸附)[9]。粉煤灰的化学吸附物理多孔性和吸附的效果主要取决于其粉煤灰的物理多孔性及比表面积，比表面积越大，吸附的效果相对越好；粉煤灰的化学吸附作用主要的原因是由于其粉煤灰中具有大量的多孔性Si-O-Si键、Al-O-Al键与粉煤灰中具有一定极性的有害金属分子之间产生偶极-偶极键的化学吸附，或是阳金属离子与其粉煤灰中次生的带正电荷的金属硅酸钙、硅酸铁之间可以形成离子交换或是重金属离子对的化学吸附，因此常将粉煤灰用于各种金属离子废水的化学吸附处理[10]。

中国目前是个典型的产煤能源大国，以煤炭燃料火力发电为主。虽然，我国正在努力改变目前我国的电力和可再生能源的结构，但以火电的燃煤工业作为我国电力工业的主导地位仍然可能会持续下去很长一段时间。因此，预计我国行业下游粉煤灰的利用率和产量在未来仍然还会继续保持着稳步增长的速度和趋势，到2024年将进一步达到9.25亿吨的利用率和产量。随着我国行业下游的粉煤灰需求旺盛，且行业下游粉煤灰的综合利用率的不断稳步提高。行业下游粉煤灰的利用率和需求量将继续保持不断的增长，预计未来到2024年将进一步达到7.86亿吨。可见仍有两亿吨粉煤灰未能有效利用。

2.1.2 粉煤灰吸附研究

内蒙古赤峰市环境科学研究院与中国北京道亨普德环保技术有限公司初步合作研究了一种综合用于高浓度制药废水的综合预处理工艺解决方法。其中采用了微生物絮凝剂和粉煤灰絮凝剂过滤相结合的两种预处理工艺，其中一种综合的预处理效果是可以将高浓度的制药废水中的维生素COD去除80%，基本脱色澄清，且同时可以将对生化药物处理有帮助或抑制药物代谢作用的抗生素效价予以大幅降低。并初步地讨论了该预处理工艺在实际的生产过程中的应用可行性[11]。

对化学改性粉煤灰的化学改性实验分析结果表明:经过化学改性后的粉煤灰对含油废水中Cu2+、Ni2+、Cr6+具有较好的重金属吸附去除能力和较快的重金属吸附去除速率。以火电厂粉煤灰活性炭为主要原料制备重金属的吸附去除剂，能够有效实现对废弃物资源化的利用，具有较好的市场和应用的前景[12]。以下是采取粉煤灰处理含油废水的综合吸附预处理-混凝沉淀-精密过滤-活性炭综合吸附预处理工艺对高度乳化的含油废水粉煤灰进行的吸附预处理结果分析表明，出水水质明显优于《污水综合排放标准》(GB8978-1996)的三级污水排放标准[13]。含油废水粉煤灰还对含Pb2+的废水溶液具有较强的重金属吸附和去除性能，当含油废水粉煤灰处理中投加的污水质量浓度为0.5g时，其对pH值=2.4、起始乳化时间浓度为150mg·L-1以下的含Pb2+废水溶液的重金属去除率在298k、308k、318k，时间浓度为150min时几乎可以达到100%[1]。另外，对粉煤灰吸附作用的研究还表明粉煤灰对流体中有机物具有相当的动态吸附效果[14]。经过粉煤灰的吸附，模拟河流中的标记物指标明显下降。

2.2 活性炭概论

2.2.1 活性炭理化性质

在选择活性炭过滤所需要使用的吸附材料时，常见的过滤和吸附介质为与活性炭类似的，比其表面积较大的的吸附材料，这些材料一般具有较强的过滤和吸附的能力。活性炭，事实上就是一种经特殊化处理的炭类，将自然界中易获得的有机炭原料(例如果壳、煤、木材等)在可以隔绝室内空气的特殊条件下进行加热，以去除或减少非碳成分(这种除去非碳成分的过程就称为炭化)，然后与其他气体发生反应，表面被气体侵蚀，产生了微孔发达的活性炭结构(这种产生微孔的过程称为活化)。由于活化的工作过程实际上是一个微观层面的过程，即大量的分子碳化物在活性炭表面被气体侵蚀，这是一种点状的侵蚀，所以活化造成了这些活性炭的表面往往具有无数细小的孔隙。活性炭碳化物表面的微孔发达直径大多在2～50nm之间，即使是少量的分子活性炭，也往往具有巨大的碳化物表面积，每克分子活性炭的碳化物表面积直径大约为500～1500m2，活性炭的一切生产和应用，几乎都基于活性炭的这一原理和特点。但其活性炭在生产的过程中往往会有大量的碳排放和巨大能耗，其使用成本也较高，再生问题也是应用的关键。因此研究希望选用工业废料或附加产物以求进一步践行节能减排的原则。

2.2.2 活性炭吸附研究

活性炭物理吸附的方法是污水处理工业中处理污水的主要一种吸附方法，通过活性炭自身所具备的物理结构和化学性质，实现对生产过程污水的物理性质吸附和污水化学性质的吸附，通过使用活性炭的物理吸附方法能够有效吸附生产过程产生的污水中可能存在的各种杂质，同时，污水处理作业过程中的所使用的活性炭还能够有效去除生产过程污水中的杂质和气味，可以对发臭的湖泊和水库中的杂质进行物理吸附。但仅在污水具有臭味时，才能通过对活性炭物理吸附的方法对生产过程污水中的杂质进行活性炭处理。因此当我们使用对活性炭物理吸附的方法时，粉末状的活性炭通常直接投放进发臭的工业废水中或与工业污泥混合以有效除去污水中的气味[15]。

活性炭含油物质是废水中的一种具有亲水性的含油物质，对于工业废水处理中的其他亲油性物质虽然具有良好的废水吸附性，但一般的情况下由于活性炭对其他亲油物质的吸附性较为有限，并且活性炭一旦吸附了废水中的亲油物质以后，就不能再对废水进行任何重复性的利用了，这就极大地提高了对含油工业废水的回收和处理利用成本。为此，在对工业含油处理的废水进行回收和处理的必要时候，活性炭废水吸附的方法可以作为工业含油废水处理的最后一个废水处理工序，也就是用活性炭对含油工业废水中的微小亲油物质废水进行了吸附和清除，进而很好地达到了净化工业含油废水的处理效果[16]。

3 研究成果与展望

不难地发现利用粉煤灰同时还能够较好地有效吸附切削水溶液有机物中的杂质和金属离子，这也就意味着利用粉煤灰同时还能在吸附金属切削工业中大量金属切削废液中的有机物、金属杂质和离子过程中发挥较大的作用，有着相当的价格优势和可行性。此外，粉煤灰同时还能够对切削工业废水中产生的非溶解性油脂和杂质进行有效吸附，并在之后的切削和混凝金属沉淀处理工艺中利用其充当絮凝体从而形成了在良好的凝结核，故目前用于粉煤灰的切削絮凝体的沉淀速度非常快，出水清澈透明。利用粉煤灰对于切削工业废液中混杂的油脂和杂质的混凝吸附过滤作用性能来有效处理水基金属切削工业废液，不仅可以以废治废，而且原料的处理成本和费用低，获取也十分方便。在经过查阅大量的文献后，最终研究决定利用粉煤灰对于杂质和有机物的混凝吸附过滤作用来有效吸附水基金属切削废液中的杂质和有机物。

团队寄希望于充分利用粉煤灰的吸附能力和价格优势，研发一种廉价且可靠的、适用于中小企业的切削废液处理工艺及设备。