郭闖闖，邱明波，姚宗秀，陳志斌，萬 榮，吳恩濤

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016）

工業(yè)革命以來，大氣污染、水污染成為制約工業(yè)乃至人類社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵因素[1-4]。電火花線切割加工工藝有多種，其工作液的使用和排放也各具特點(diǎn)[5]。單向走絲電火花線切割技術(shù)應(yīng)用于精密機(jī)械零件的加工，設(shè)備技術(shù)含量高，使用數(shù)量相對(duì)較小，使用去離子水作為工作液，產(chǎn)生的失效工作液總量小且環(huán)境危害性弱、處理難度最低[6]。往復(fù)走絲電火花線切割技術(shù)應(yīng)用于中低精度的機(jī)械零件加工，使用電火花油作為工作液，工作液價(jià)格高、化學(xué)穩(wěn)定性好，經(jīng)過濾后重復(fù)使用性極好，廢液的排放壓力很小[7]。具有多次切割功能的往復(fù)走絲（俗稱“中走絲”）電火花線切割技術(shù)應(yīng)用于中高精度機(jī)械零件加工，需采用含有機(jī)物和油類添加劑的水基工作液作為工作介質(zhì)且失效的乳化液中富含基礎(chǔ)油、可揮發(fā)性有機(jī)物、蝕除顆粒等雜質(zhì)，若直接排放會(huì)造成嚴(yán)重的水體污染和大氣污染[8]。高能耗、高排放的產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)，也成為制約“中走絲”電火花線切割技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，工藝過程中的污染物治理問題亟待解決。

為了解決工業(yè)廢水引發(fā)的水體污染和空氣污染問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。崔慧貞[9]等進(jìn)行了隔油-破乳-混凝氣浮-MVR蒸發(fā)工藝處理廢乳化液研究，完成了機(jī)械加工失效乳化液的集中處理，其設(shè)備投資500萬元、綜合處理成本1.25元/升、COD去除率達(dá)到99%以上，但綜合集中處理設(shè)備的成本高、工藝過程復(fù)雜，不適用于電火花廢液小批量散布的排放特點(diǎn)。張濤[10]采用Fenton法對(duì)機(jī)械加工乳化液進(jìn)行處理，濁度和COD去除率分別達(dá)到93.73%和64.5%，但采用化學(xué)氧化法引入新的化學(xué)試劑易造成二次污染。陳棟等[11]進(jìn)行了過冷水動(dòng)態(tài)制冰的冷凍法電鍍廢水處理技術(shù)研究，淡水率可達(dá)59%，能耗僅為蒸發(fā)濃縮法的1/10，但存在設(shè)備體積大、動(dòng)態(tài)制冰工藝復(fù)雜的問題。張燕濱等[12]進(jìn)行了往復(fù)走絲電火花線切割硬質(zhì)水工作液及廢液處理研究，完成了小批量電火花廢液的在線蒸發(fā)冷凝處理，結(jié)果表明：蒸發(fā)溫度越高蒸發(fā)的處理能力越強(qiáng)，能量利用率越高，但未能闡述蒸發(fā)過程有機(jī)氣體的排放特性并提出合理的尾氣處理方法，限制了在線蒸發(fā)冷凝法的應(yīng)用。

基于上述原因，本文進(jìn)行了失效工作液在線蒸發(fā)、冷凝實(shí)驗(yàn)，對(duì)處理產(chǎn)物的污染物含量進(jìn)行了綜合分析評(píng)價(jià)，提出的電火花失效工作液在線蒸發(fā)濃縮、冷凝除廢方法，實(shí)現(xiàn)了失效工作液的零排放處理，并成功應(yīng)用在室內(nèi)線切割失效工作液的處理過程中，簡(jiǎn)化了處理流程、降低了處理成本，有助于電火花線切割工藝的綠色加工轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

圖1是電火花失效工作液蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)原理。失效的水基工作液（以下簡(jiǎn)稱“廢液”）在恒溫蒸發(fā)箱內(nèi)持續(xù)加熱，廢液加熱后產(chǎn)生水蒸汽、低沸點(diǎn)的可揮發(fā)氣體和微細(xì)顆粒物，形成三相混合廢氣（以下簡(jiǎn)稱“廢氣”）排出。廢氣不經(jīng)處理時(shí)的污染物含量極高，如甲醛排放量≥2.5 mg/m3、TVOC排放量≥9.99 mg/m3、PM2.5排放量≥999μg/m3。因此采用冷凝法除廢，將廢氣抽入冷凝管，通過冷凝吸收廢氣中的有機(jī)氣體和可吸入顆粒物，將有機(jī)氣體富集在冷凝水中，尾氣達(dá)標(biāo)直接排放，富碳冷凝水用作配制工作液。廢液中的高沸點(diǎn)物質(zhì)油、極間蝕除產(chǎn)物等難蒸發(fā)物質(zhì)被濃縮在廢渣中。

圖1 失效工作液蒸發(fā)冷凝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2是電火花失效工作液蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)所用廢液由自來水和某工作液原液配制，體積比為25∶1，在HF320D型電火花線切割機(jī)床上使用70 h，進(jìn)行了鋁合金和硅晶體的加工；以K型熱電偶檢測(cè)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，MEF550型空氣檢測(cè)儀實(shí)時(shí)檢測(cè)尾氣的甲醛、TVOC、PM2.5的排放量，WQM01H型水質(zhì)檢測(cè)儀檢測(cè)冷凝水CODCr值，電子天平測(cè)量蒸發(fā)量和冷凝量，數(shù)字電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各個(gè)部分耗電量。實(shí)驗(yàn)研究了蒸發(fā)溫度和冷凝溫度對(duì)廢氣污染物含量、廢液處理效率和系統(tǒng)能耗的影響，每次蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行12 h，蒸發(fā)溫度分別為40、50、60、70℃，冷凝溫度分別為4、8、10、14℃。

圖2 失效乳化液蒸發(fā)冷凝實(shí)驗(yàn)裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 系統(tǒng)能量傳遞與能耗特點(diǎn)

圖3是廢液蒸發(fā)冷凝工藝的系統(tǒng)能量和物質(zhì)傳遞過程。在60℃蒸發(fā)、10℃冷凝時(shí)，系統(tǒng)外部輸入總電能4 kWh，每天處理廢液1.5 kg。系統(tǒng)輸入電量的40%用于蒸發(fā)和蒸汽的排出，60%用于冷卻水的制冷和循環(huán)；輸入系統(tǒng)的廢液經(jīng)過蒸發(fā)冷凝，70%轉(zhuǎn)化為可回收的冷凝水，23%未能冷凝的水蒸汽、有機(jī)氣體和可吸入顆粒物排放到大氣，剩下7%濃縮為固體廢渣。

圖3 60℃蒸發(fā)-10℃冷凝系統(tǒng)能量和物質(zhì)傳遞過程

圖4是蒸發(fā)-冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)能耗的影響情況。在相同冷凝溫度下，蒸發(fā)溫度越高，加熱消耗的電能越多；在相同加熱溫度下，冷凝溫度越低，制冷耗電量越大（圖4a）。由于制冷耗電約占總耗電量的60%，系統(tǒng)總能耗會(huì)隨著制冷溫度的降低而急劇升高。在50℃加熱、10℃冷凝時(shí)，系統(tǒng)總能耗為每天3.5 kWh；在冷凝溫度降到4℃時(shí)，系統(tǒng)能耗升高一倍，每天高達(dá)7 kWh。在相同冷凝溫度下，蒸發(fā)溫度越高，廢液蒸發(fā)量越大、處理效率越高（圖4b）。

圖4 系統(tǒng)能耗隨蒸發(fā)-冷凝溫度的變化

2.2 蒸發(fā)溫度對(duì)有機(jī)氣體排放量的影響

圖5是不同加熱溫度下有機(jī)氣體排放量隨著時(shí)間變化的情況。在14℃冷凝條件下，依次進(jìn)行60、70、50℃蒸發(fā)，可見剛加熱時(shí)的甲醛排放量突增，2 h后達(dá)到最高點(diǎn)（1.3 mg/m3），隨后急劇下降，最后趨于平穩(wěn)，此時(shí)的甲醛排放水平約維持在0.012 mg/m3。這是由于，甲醛沸點(diǎn)很低（-19.4℃）且揮發(fā)量隨著溫度升高而呈現(xiàn)指數(shù)型增加。廢液中溶解的甲醛在剛加熱時(shí)急劇揮發(fā)并和水蒸氣一起排出，隨著加熱進(jìn)行，甲醛總量快速下降，最后排放量趨于低穩(wěn)定值。當(dāng)加熱溫度降到50℃時(shí)，甲醛排放量不再變化，仍維持在0.012 mg/m3，這說明廢液中的大部分甲醛已揮發(fā)。

圖5 不同加熱溫度下有機(jī)氣體排放量隨時(shí)間的變化

TVOC的變化趨勢(shì)與甲醛相近。在60℃加熱時(shí)，TVOC排放量先快速增至9.1 mg/m3，再緩慢降低，5 h后穩(wěn)定在6.7 mg/m3。因?yàn)?0℃加熱時(shí)，多數(shù)有機(jī)物因達(dá)到沸點(diǎn)而揮發(fā)并隨著水蒸汽排出。這些有機(jī)物的沸點(diǎn)相對(duì)較高，其揮發(fā)速度低于HCHO，因此TVOC排放量及過程變化相對(duì)舒緩一些[13]。補(bǔ)液后的蒸發(fā)溫度升高至70℃，此時(shí)絕大部分有機(jī)物達(dá)到沸點(diǎn)，其揮發(fā)量急劇增加并超過9.99 mg/m3，且一直維持在較高水平；補(bǔ)液后的加熱溫度降低至50℃，有機(jī)物揮發(fā)量降至約2 mg/m3，并緩慢上升，此時(shí)加熱溫度較低，有機(jī)物處于穩(wěn)定揮發(fā)狀態(tài)，未出現(xiàn)突變。

加熱溫度對(duì)系統(tǒng)排放量的影響情況如下：

（1）低溫蒸發(fā)時(shí)（＜50℃），溫度只達(dá)到少數(shù)有機(jī)物的沸點(diǎn)，有機(jī)氣體呈現(xiàn)穩(wěn)定長(zhǎng)期穩(wěn)定釋放狀態(tài)；

（2）中溫蒸發(fā)時(shí)（50~60℃），溫度達(dá)到部分有機(jī)物的沸點(diǎn)，有機(jī)氣體先急劇釋放，然后穩(wěn)定在較高的排放值；

（3）高溫蒸發(fā)時(shí)（＞60℃），溫度達(dá)到大多數(shù)有機(jī)物的沸點(diǎn)，有機(jī)物急劇揮發(fā)且一直處于極高的排放狀態(tài)。

有機(jī)氣體排放隨蒸發(fā)溫度變化的特點(diǎn)如圖6所示，在相同冷凝溫度下，有機(jī)氣體的排放量隨著蒸發(fā)溫度的升高而增加，且50℃蒸發(fā)是有機(jī)物排放量的臨界點(diǎn)，當(dāng)溫度超過50℃后，多數(shù)有機(jī)物達(dá)到沸點(diǎn)，排放量急劇增加。同時(shí)可見，較低的冷凝溫度對(duì)有機(jī)物的排放有顯著抑制作用。

圖6 有機(jī)氣體排放量隨蒸發(fā)溫度的變化

2.3 冷凝溫度對(duì)有機(jī)氣體排放量的影響

如圖7所示，本文在60℃蒸發(fā)條件下分別進(jìn)行了6、10、14℃冷凝。在14℃冷凝時(shí)，有機(jī)氣體的排放量先突增并在2 h時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)（9 mg/m3），再快速下降，并在4 h時(shí)趨于穩(wěn)定，維持在6 mg/m3；當(dāng)冷凝溫度降到6℃時(shí)，有機(jī)氣體的排放量整體降到4 mg/m3，1 h時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)（5 mg/m3），下降趨勢(shì)變得舒緩，6 h后趨于穩(wěn)定，維持在4 mg/m3?？梢?，降低冷凝溫度后，有機(jī)氣體的冷凝量增大，改善了尾氣排放狀態(tài)。

圖7 不同冷凝溫度下TVOC排放量隨時(shí)間的變化

圖8是不同蒸發(fā)冷凝溫度下的冷凝水含碳量變化?？梢姡?0℃蒸發(fā)、14℃冷凝時(shí)，冷凝水COD值為2.7 mg/L，冷凝溫度下降至6℃后，有機(jī)氣體的冷凝量增大，冷凝水的COD值升至3.7 mg/L。由此可見，降低冷凝溫度可提高冷凝水對(duì)有機(jī)氣體的吸收能力，減少有機(jī)氣體的排放。

圖8 不同冷凝溫度下冷凝水含碳量

如圖9所示，降低冷凝溫度可提高有機(jī)氣體的冷凝量，冷凝水吸收大量的有機(jī)物形成富碳冷凝水，有機(jī)氣體排放量下降；在適中的冷凝溫度下，廢氣中的有機(jī)氣體可與水蒸汽良好地結(jié)合并一起發(fā)生冷凝，有機(jī)物被大量吸收。

圖9 冷凝溫度對(duì)有機(jī)氣體排放量的影響

2.4 系統(tǒng)溫度對(duì)PM2.5排放量的影響

如圖10所示，冷凝溫度和PM2.5的排放量呈現(xiàn)非線性關(guān)系，在70℃加熱、6℃冷凝時(shí)，PM2.5的排放量急劇增加，大于999μg/m3；冷凝溫度升高至10℃時(shí)，PM2.5的排放量急劇降低至400μg/m3；冷凝溫度升高至14℃時(shí)，PM2.5的排放量又回升至780μg/m3。隨后再進(jìn)行60℃加熱，在不同冷凝溫度條件下，也存在低溫冷凝時(shí)PM2.5大量排放、適中溫度冷凝時(shí)PM2.5排放量下降的情況。這是由于冷凝溫度改變后，廢氣中的水蒸汽、有機(jī)氣體、冷凝水三相成分在冷凝管內(nèi)的結(jié)合方式發(fā)生改變。如圖10所示，在6℃冷凝時(shí)，水蒸汽率先冷凝為液滴，有機(jī)氣體相來不及和水蒸汽充分結(jié)合，形成了有機(jī)質(zhì)的PM2.5并排出；在14℃冷凝時(shí)，一部分有機(jī)氣體溶解在水蒸汽形成的液滴內(nèi)，另一部分水蒸汽相和PM2.5結(jié)合形成了由水和有機(jī)物構(gòu)成的PM2.5顆粒并排放；在10℃冷凝時(shí)，有機(jī)氣體相和水蒸汽相大量結(jié)合形成富碳冷凝水，PM2.5的形核和生長(zhǎng)被抑制，其排放量顯著下降。

圖10 冷凝溫度對(duì)PM2.5排放量的影響

3 結(jié)論

（1）利用在線蒸發(fā)濃縮-冷凝控廢系統(tǒng)處理廢液，可將廢液轉(zhuǎn)化為70%的可循環(huán)利用的富碳冷凝水、25%的達(dá)標(biāo)排放的廢氣、5%的由油類和極間蝕除產(chǎn)物構(gòu)成的固體廢渣，實(shí)現(xiàn)了廢液的在線綜合處理，把難處理的液廢轉(zhuǎn)化為少量易處理的固廢。

（2）蒸發(fā)冷凝溫度會(huì)影響污染物的產(chǎn)生量：蒸發(fā)溫度升高后，達(dá)到廢液內(nèi)多數(shù)有機(jī)物的沸點(diǎn)，廢氣內(nèi)的有機(jī)氣體含量急劇上升；可吸入顆粒物的形核量和形核速率增加，產(chǎn)生大量的PM2.5；冷凝水吸收的有機(jī)物量增加，冷凝水的COD值升高。

（3）冷凝溫度影響冷凝水對(duì)污染物的吸收，當(dāng)冷凝溫度過低時(shí)，有機(jī)氣體凝結(jié)量增加，尾氣有機(jī)物含量下降，但由于廢氣濕度降低，PM2.5排放量急劇增加；當(dāng)冷凝溫度過高時(shí)，尾氣內(nèi)的有機(jī)物凝結(jié)量少，有機(jī)氣體排放量上升；適中的冷凝溫度有利于廢氣內(nèi)的汽、液、污染物三相成分結(jié)合并形成富碳冷凝水，尾氣的排放量顯著下降。