切削廢液的再生與回用

李祝，梁小武，馮維清

（廣州市聯諾化工科技有限公司，廣東 廣州 510700）

隨著產業化、工業4.0和工業智能制造進程的加快，高端機床的需求越來越大。加工零件復雜程度提高和排屑量減少對金屬加工液的要求日益提升[1]，尤其是生物穩定性和長壽命方面。金屬切削液主要起到潤滑、清洗、冷卻、防銹等作用[2]，在刀具和工件間作為流動介質，包裹刀具和加工材質。其潤滑性大多由礦物油、合成酯、極壓潤滑劑提供。而防銹劑主要由胺類堿和多元酸復配而成。清洗則由配方中親水性表面活性劑和親油性表面活性劑共同完成，它們相互搭配而保持著體系的平衡[3]。針對不同負荷加工，切削液的用量一般是3%～10%。在刀具對金屬進行加工的過程中，一部分加工液伴隨著工件被帶走，其余大部分加工液不斷工作。由于機床是敞開式作業，環境中的微生物、切削產生的廢料以及水夾帶的鈣、鎂離子等雜質，都會影響加工液的穩定性和加工性能，使其使用一段時間后成為廢液。加工液質量的提升，以及廢液量的控制和處理，一直是困擾大多數機械加工企業的難題[4-9]。由于切削液配方復雜，部分產品的原材料可多達20～30種，其中的礦物油、脂肪酸、胺類堿、表面活性劑等有機物會導致切削廢液的COD(化學需氧量)和BOD(生化需氧量)高達十幾萬mg/L[10]。

筆者所在公司利用自身對金屬加工液配方體系的認知，結合減壓蒸餾濃縮設備，通過對廢液進行一定的處理[11]，使廢液量降低95%以上。廢液中的廢水經過處理后可作為切削液稀釋用水回用，最終產生的不足5%的濃縮物交由專業的第三方公司處理。

1 切削廢液再生處理方案

從客戶處取到的不同廢液多為乳白色或灰褐色，其中含微生物、碎屑、雜油，pH ＜ 7.0，第三方檢測機構測得的COD為30 000～100 000 mg/L。須對廢液進行前處理，才能利用后續的中水進行切削液混配。如圖1所示，先初步利用醇胺對切削液中微生物產生的酸性物質進行中和，并配合使用殺菌劑，利用測菌片測試廢液中的微生物含量。

濃縮蒸發處理設備由加熱器、蒸發槽、熱泵機組、冷凝槽、真空系統、排水系統、出料系統等構成。加熱器為列管式、雙層保溫，上下通過彎頭連通蒸發槽，上部封蓋供清洗列管使用，下部設有排渣口便于清洗。蒸發槽具有雙層結構，隔熱保溫；操作面設有視鏡，供操作者觀察料液的蒸發情況；商標設有人孔，便于清洗；配備真空表、溫度表。冷凝槽為列管式結構。

圖1 切削廢液再生處理流程Figure 1 Process flow for regeneration of spent metal working fluid

如圖2所示，本設備通過熱泵提供加熱，在封閉的抽真空環境下，以較低溫度來達到蒸發效果，使廢液中的水分蒸發出來形成水蒸氣，在冷凝槽中冷凝成水，將水與濃縮物分離開來。熱泵的加熱方式相比于傳統加熱方式，能降低2～3倍能耗，同時真空度保持在?0.06 MPa到?0.08 MPa，蒸發溫度在40 ～50 °C，加快蒸發的效率，節約能耗。

2 試驗

自不同客戶處取到廢液后先測試基本指標，經過LN-HB100G減壓蒸餾環保設備(如圖3所示)再生處理后再測試一遍，結果見表1。其中堿值通過廢液中有機堿被中和時所消耗的鹽酸的體積來計算，以單位質量廢液中所含有機堿相當于KOH的質量來表示，即堿值 = 56.1cV/m，式中c為標定好的鹽酸的濃度(單位：mol/L)，V為滴定樣品所消耗的鹽酸的體積(單位：mL)，m為樣品的質量(單位：g)，56.1是KOH的相對分子質量。折光讀數由上海儀電光學手持光學折光儀直接讀取，根據“稀釋百分比 = 折光系數 × 折光儀讀數”(其中折光系數是切削液的基本性能之一)的經驗公式，折光讀數可反映出切削液的稀釋百分比。采用雷磁PHS-3E型pH計和DDS-307A型電導率儀測pH和電導率。通過舒美公司Mikrocount測菌片測試廢液的菌落數。COD送第三方測試機構檢測。

圖2 濃縮蒸發設備原理Figure 2 Principle of condensation/evaporation equipment

圖3 切削廢液再生處理設備Figure 3 Equipment for regeneration of spent metal working fluid

表1 廣州某客戶廢液再生前后數據對照表Table 1 The data of waste liquid before and after regeneration in Guangzhou’s customer

從表1可知，廢液經再生處理后，pH有所上升，表明處理后的中水只含少量的胺類，這是由于在環保設備處理過程中，減壓蒸餾導致水的沸點降低，廢液中低沸點的胺類堿性物質隨著水被蒸出，冷凝到中水，這還導致了中水的電導率與廢液相比大幅降低。中水的折光讀數為零表明其中幾乎不含切削液，而且中水經過殺菌劑處理后已經達到無菌狀態，COD也不高，可用于混配切削液，從而減少用水量，給客戶帶來了經濟效益。另外，中水含有的部分醇胺混配到切削液中，可提高切削液的生物穩定性。至于后續反應釜中殘留的固體廢物，其含量不足5%。

經檢測后達到回用要求的濃縮液，通過添加1%防銹劑、3%～5%醇胺、0%～1%緩蝕劑，可作為基礎油固體成分引入到切削液配方體系中，循環使用。不符合回用要求的，作為危廢交給第三方有資質的公司處理。

3 經濟成本分析

以月產10 t廢液計算，第三方處理價格為4 000元/t，全部委外處理一年需要48萬。利用中水回用蒸發濃縮設備進行再生處理的話，處理廢液的耗電量為200 kW·h/t，一年的總電量是24 000 kW·h，按電價0.8元/(kW·h)計算，電費需要1.92萬元。假設蒸發比例為90%，一年產生108 t中水、12 t濃縮廢液，按消泡劑價格約120元/kg(以質量分數0.05%添加)、濃縮液處理費用約5元/kg來計算，消泡劑費用0.72萬元，濃縮廢液處理費用6萬元。上述3項費用的總和只有8.6萬元，第三方直接處理費用是其5.6倍左右。若后續產生的12 t濃縮廢液經調整后可作為金屬切削液配方的基礎油使用，按照5元/kg的價值來計算，相當于節省了6萬元的原材料費用。這樣一來，實際費用只有2.6萬元，是單純第三方處理的5.4%而已。

4 實際應用情況

減壓濃縮蒸發切削廢液再生處理技術的實際應用效果在河南、廣東、成都、重慶等地的幾家客戶處得到驗證，可減少高達90%以上的廢液量，COD降解率達到95%以上，中水回用于配制切削液進一步減少了用水量，降低了經濟損失。