机械加工中切削液及排泄物的无害化处理研究.pdf
2010 年 6 月 17 卷第 3 期 东莞理工学院学报 2010 年 6 月 3 日 机械加工中切削液及排泄物的无害化处理研究 王小燕 陈向阳 （1. 深圳市环境监测中心，广东深圳；刘志宏 冯俊丽 2. 深圳出入境检验检疫局，广东深圳） 摘要：分析了机械加工中使用的切削液及加工后排泄物的危害性，介绍了有害物质控制技术规定，探讨了改变切削方式、使用替代品、开发新型无污染切削液等无害化处理措施。 关键词：切削液；排泄物；无害化处理中图分类号：X506文献标识码：A文章编号：1009-0312(2010)O3-0097-041机械Jjn-r切削液概述机械加工过程中使用的切削液主要在金属切削、磨削加工过程中作为工艺润滑剂使用，因其具有冷却、润滑、洗涤、防锈等作用而被广泛应用。目前，切削液的使用量约占全球润滑剂使用量的2%~3%，我国目前年使用切削液约6万吨。切削液可分为两大类，一类是油基切削液，其主要成分是矿物油，其中通常还添加含硫、磷、氯的极压抗磨添加剂；另一类是水基切削液，又可分为乳化型、微乳化型和合成型切削液三种。
乳化液是在矿物油中加入乳化剂，溶解于水而成的。合成液根本不含油，是直接在水中加入一些化合物而形成的透明液体。微乳化切削液是由油、水、表面活性剂、无机盐及各种添加剂形成的透明油状液体。由于切削液成分复杂，还含有各种用途的添加剂。其中矿物油、氯、亚硝酸盐、磷酸盐、酚类、氯化石蜡等都是对人体或环境有害的物质。因此，对切削液及机加工后排泄物的危害进行分析，研究使用新型环保切削液显得十分重要。2切削液及机加工后排泄物的危害分析由于机械加工所用的切削液及使用后的排泄物成分复杂，可能含有多种有毒有害成分，对人体健康和环境都会造成很大的危害。 2.1健康危害加工排泄物的毒性首先来自于切削液的添加剂。常用的添加剂有：油性剂、极压添加剂、表面活性剂、乳化剂及乳化稳定剂、防锈剂、防霉剂、杀菌剂、消泡剂、抗氧化剂等。常用的效果较好的防锈剂中含有亚硝酸钠，一般认为在酸性条件下会与胺盐生成致癌的亚硝胺。水基切削液中存在大量微生物，为了抑制微生物的生长繁殖，防止切削液发臭影响工作环境，切削液中可能使用大量杀菌剂、防霉剂。它们都有一定的毒性。例如甲醛杀菌力很强，常被用作切削液的杀菌剂，但对人的眼睛、鼻子有较大的刺激性，与皮肤接触会引起组织坏死；常被用作杀菌剂的酚类物质，有剧毒，并有致癌性。
其次，由于矿物油和表面活性剂的脱脂作用，或防腐剂、杀菌剂的刺激作用，以及无机盐、有机胺等碱性物质的作用，会使人的皮肤变得干燥、龟裂、红肿，甚至发生皮炎。美国汽车公司曾作过专门的全面调查，比较了直接接触切削液的机床操作工、不直接接触切削液的装配工人和从未上过机床的人员的调查结果，得出结论：机床操作工患呼吸道疾病(咳嗽、呼吸困难、慢性支气管炎、鼻炎)较多，分析表明矿物油常引起哮喘、咳嗽和鼻炎，而合成切削液可引起支气管炎。2.2环境危害切削液对环境的主要危害是其废液对水资源的污染。矿物油是切削液的主要成分之一。其生物降解性差，能长期滞留在水体和土壤中。美国环保局指出，石油对水生生物有急性致死毒性，也有长期亚急性致死毒性(即不会引起生物死亡，但会破坏其正常生态)。水中含油量若超过10ppm，海洋植物就会死亡，石油可杀死淡水鱼。即使排放的废液经过严格的矿物油回收处理，其在水中的长期累积作用也不能忽视。切削液添加剂对环境的污染也有很多，例如常用作极压添加剂的短链氯化石蜡就是海水污染物之一：磷酸钠常用作水基切削液中的防锈剂，有研究表明磷酸盐的累积会因富营养化而引起河流、湖泊的赤潮。
还有切屑中残留切削液的问题。切削加工时使用的切削液或多或少都会残留在切屑上，大量堆积的切屑所携带的切削液会污染土壤，当切屑回收利用时，切削液中的有毒有害成分还会污染环境。2.3对健康和环境的常见危害机械加工排泄物中有毒有害物质的影响是多方面的，有些物质同时对人体健康和环境有害，如：阴离子磷酸盐、阴离子亚硝酸盐、卤素和重金属元素等。例如油基切削液中往往含有硫、磷、氯的化合物，极压抗磨剂，不仅气味强烈，而且对皮肤有刺激性。环境中的磷会促进水中藻类的繁殖和生长。藻类大量繁殖死亡后，释放出腐烂的臭味，造成水体缺氧，污染水质，对水生生物的生长产生不利影响，并出现赤潮现象，对自然环境造成极大危害。同时，如果人体摄入大量的磷酸盐，还会产生一定的毒性作用。亚硝酸盐作为一种常见的阴离子，危害性很大，含有亚硝酸盐的切削液、粪便排入环境后，进一步污染土壤和水体，并可能通过各种途径被人体吸收。亚硝酸盐在人体内外与仲胺发生反应，生成亚硝胺，在人体内达到一定剂量时，是一种致癌、致畸、致突变物质，严重危害人体健康。有机卤素化合物在人体可致癌，其生物降解性低，会导致在生态系统中不断积累。一些挥发性有机卤化物还对臭氧层有较大的破坏作用，进而对环境和人体健康造成严重影响，因此卤素化合物被列为对人体和环境有害的化学品，禁止或限制使用。
目前，大量切削液及其使用后的排泄物被直接排放，这些液体中有害元素的浸出毒性是否符合要求已成为环境保护的重要指标。目前，使用环保型切削液是国际要求，但由于缺乏相关检测标准，特别是在判定排泄物是否符合我国危险废物标准方面，还存在空白。制定切削液及其排泄物中有害元素的浸出毒性试验标准，提供有效的检测方法，有利于从源头上控制此类物质的污染，防止此类不符合环保要求的产品进入我国。3机加工切削液及排泄物中有害物质控制的相关技术法规近年来，环境保护和人体健康成为全社会关注的焦点，而切削液会对环境和人体造成污染和损害。因此，切削液的使用和废弃物处理都受到了环保法规越来越严格的控制。在工业发达国家，对使用切削液进行加工时产生的烟雾量也有严格的限制，某些切削液废料和带有切削液的切屑必须作为有毒物质处理。在美国，只能使用经美国环境保护局登记的添加剂，以保证所用材料低毒无毒。切削液供应商必须向用户提供《材料安全手册》，其中包含切削液的成分、物理性质、对人体的危害、处理方法等注意事项。
美国国家劳动安全与保障研究所规定不含芳香烃的切削液（）的油雾含量极限水平为3mg/m'，含芳香烃的切削液的油雾含量极限水平为0.5mg/m'。德国环境保护部规定，某些废弃切削液和含有残留切削液的切屑必须作为有毒有害废物处理。在《国际海运危险货物规则》（IMDG）中，切削液被列为严重的海洋污染物。欧洲氯化物制造协会已将此类产品贴上“对环境有害”的标签。2004年1月6日开始实施的欧盟指令76/769/EC第20次修订版，禁止在金属加工中销售和使用短链氯化石蜡浓度超过1%的产品。北欧生态标签对此类产品有非常具体的规定。获得北欧白天鹅生态标签的机加工用油必须无健康危害、不易燃、不易爆。同时规定金属切削液中可再生或可精炼物质不能低于65%，切削液基础油中不能含有剧毒或对水生生物有毒或有害的物质，不能含有对水生生物有长期副作用的物质。切削液添加剂中不能含有超过2.0%的上述物质，不能含有致癌物质，不能含有短链和中链氯化石蜡和壬基酚，以及其他已知会影响内分泌的物质。
我国制定了《国家危险废物名录》，其中明确规定废皂液、乳化油/水、碳氢化合物/水混合物、乳化液(膏体)、切削剂、冷却液、润滑剂、拉丝剂等均属于危险废物。4机加工切削液及排泄物无害化处理措施鉴于机加工排泄物可能对人体健康和环境造成危害，绿色加工、环保切削液的应用日益受到追捧。机加工排泄物无害化处理，重点应放在控制源头，因为排泄物无害化处理成本较高。控制源头的关键是切削方式的改变、切削液的改进和替代技术的开发。4.1切削方式的改变解决切削液上述问题最彻底的办法是采用干切削技术，即切削加工中不使用切削液，不仅解决了切削液健康和环保问题，而且节省了切削液使用和废液处理的成本。它是解决问题最理想的途径。现代切削技术、刀具材料和刀具设计技术的发展，为干切削的采用创造了条件：第一，刀具材料的发展使刀具（刀片）能够承受更高的切削温度，从而减少对冷却的要求；第二，涂层技术的发展，可减少刀具与工件表面的摩擦，降低切削力，减少对切削液润滑的依赖；第三，合理的加工方法和刀具设计、制造能力的提高，使排屑更加容易，减少了对切削液排屑效果的依赖。《》】。
干切削在铸铁、铝材料的切削加工中已获得成功应用，钢、镁等材料的加工也正在试验和应用。4.2目前研究最多的切削液替代品是液氮冷却，即将液氮作为切削液直接喷入切削区。氮气是大气中最丰富的成分，液氮是氧气生产工业的副产品，来源广泛。液氮作为切削液使用时，应用后会直接蒸发成气体返回大气，不含任何污染物，对人体无害，从健康和环保角度考虑，是切削液的良好替代品。利用液氮冷却的方法之一是将液氮作为切削液直接喷入切削区。喷射冷却也是利用液氮的另一种方法，不是直接利用氮气本身进行切削冷却，而是利用液氮冷却后的气态氮。美国、印度等国家的一些学者对液氮冷却切削磨削进行了大量的试验研究，并进行了初步应用。日本等国家的一些学者研制出低温喷射系统，将液氮冷却后的低温空气喷入切削区进行冷却，效果也较好。4.3开发新型无污染切削液虽然人们已经对干切削技术和液氮冷却切削技术进行了研究，但从目前的发展情况看，上述加工方法虽然各有特点和优势，但其使用范围还十分有限，而且都面临着切屑形成时润滑性差的问题，有时不得不使用一些润滑剂，而另一个不容忽视的问题就是工件和机床的锈蚀。因此可以预见，在相当长的一段时间内，传统切削液在机械加工中仍将占主导地位。开发新型无污染切削液——绿色切削液是各国的重要研究内容，有着广阔的应用前景。