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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung und/oder Aufbereitung von Öl-Emulsionen, insbesondere von Kühlschmierstoffen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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In der metallbearbeitenden Industrie werden in großem Umfang Kühlschmierstoffe zur Kühlung der Werkzeuge eingesetzt. Solche Kühlschmierstoffe enthalten beispielsweise in Wasser emulgierte Öle, wodurch ein Werkzeug-Verschleiß reduziert und eine gute Werkstückoberflächenqualität sichergestellt wird, sowie entstehende Metallspäne abgeführt werden. Sogenannte wassergemischte Kühlschmierstoffe werden in Umlaufsystemen mit bis zu 100 Kubikmetern Flüssigkeit über eine möglichst lange Standzeit eingesetzt, bevor sie entsorgt werden müssen. Die maximal mögliche Standzeit der Kühlschmierstoffe beeinflusst maßgeblich die in einem metallbearbeitenden Betrieb entstehende Abfallmenge sowie die Kosten für deren Entsorgung.
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Die maximal erreichbare Standzeit wird jedoch durch die sogenannte Aufsalzung des Kühlschmierstoffes begrenzt. Die Aufsalzung ergibt sich, wenn durch die bei der Metallzerspanung entstehende Prozesswärme Wasser aus dem Kühlschmierstoff verdampft wird. Bei der Wasserverdampfung verbleiben die Salze im Kühlschmierstoff, so dass es im Laufe der Zeit zu einer Anreicherung von gelösten Salzen kommt. Hinzu kommen aus den bearbeitenden Metallen gelöste Legierungsbestandteile, wie etwa Schwermetalle, Aluminium und Magnesium.
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Durch die Aufsalzung kann es im Kühlschmierstoff zu einer Korrosion, einer Emulsionsspaltung oder einer Rückstandsbildung durch Salz-Ausfällungen kommen. Dadurch werden die Gebrauchseigenschaften des Kühlschmierstoffes beeinträchtigt. Durch die somit erforderliche frühzeitige Entsorgung entstehen hohe Kosten sowie große Abfallmengen.
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Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Reinigung und/oder Aufbereitung von Öl-Emulsionen ist aus TORNAU, Dieter et. al.: Kühlschmierstoffe und Anlagen. Renningen-Malmsheim: expert-Verl., 1999 (Kontakt & Studium; Bd. 579) S. 134–147 und 178–193. ISBN: 3-8169-1160-9 bekannt. Demzufolge werden zur Reinigung und Aufbereitung von Kühlschmiermitteln Ultrafiltrationsanlagen mit einer vorgeschalteten Zentrifuge eingesetzt. Aus der
DE 100 11 513 A1 ist die Kombination von Zentrifuge und Ultrafiltration zur Aufbereitung von Schneidsuspensionen bekannt.
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Aus der
US 5137654 A ist die Auftrennung einer Öl-Wasser-Emulsion mittels der Ultrafiltrationsmembran bekannt. Aus der
DE 25 28 990 A sind generell Möglichkeiten für das Aufspalten von Emulsionen bekannt. Aus der
DE 18 10 630 C und aus der
DE 23 21 749 A sind Verfahren zur Trennung von Emulsionen aus der spanenden Verformung von Metallteilen bekannt, also Feststoff enthaltende Emulsionen. Aus der
DE 295 18840 U1 ist bekannt, dass Drei-Phasen-Zentrifugen zur Behandlung von Kühlschmierstoffen, die Feststoffe enthalten, vorteilhaft sind.
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Aus der
US 5137654 A ist ein Verfahren zur Reinigung und Aufbereitung eines Kühlschmierstoffes bekannt, der nach einem Zerspanungsprozess zu einem Ultrafilter geleitet wird. Der Ultrafilter separiert die emulgierten Ölbestandteile vom Wasser, das als Filtrat durch eine Membran des Ultrafilters geleitet wird.
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Das abgeschiedene Wasser weist einen hohen Anteil an gelösten Salzen und niedermolekularen Inhaltsstoffen auf und kann ggf. einer weiteren Aufbereitungsstufe zur Abtrennung störender Ionen unterzogen werden. Die im Ultrafilter zurückgehaltenen Ölbestandteile werden als ein Wertstoff erneut mit Frischwasser vermischt, um wieder einen optimalen Kühlschmieremulsionszustand sicherzustellen. Anschließend wird der Wertstoff in einen Speichertank rückgeführt.
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Der zu reinigende Kühlschmierstoff ist hier mit Feststoffen beladen, etwa Metallpartikel vom Zerspanungsprozess, die auf der Filtermembran des Ultrafilters einen Filterkuchen aufbauen und so den Ultrafilter frühzeitig verstopfen, wodurch in kurzen Zeitintervallen Regenerationsphasen des Ultrafilters erforderlich sind.
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Aus der
DE 43 40 218 C1 ist eine Filtervorrichtung zur Filtration von mit Feststoffen beladenen Flüssigkeiten bekannt. Die Filtervorrichtung weist einen Querstromfilter auf, bei dem eine parallel zur Oberfläche der Filtermembran verlaufende Strömungskomponente in der zu filternden Trübe erzeugt wird, die ein vorzeitiges Abscheiden von Feststoffanteilen auf der Filtermembran verhindert.
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Aus der
DE 24 08 637 A ist ein Verfahren zur Behandlung von Kühlflüssigkeiten bekannt, bei der nach einem Zerspanprozess das Kühlmittel zunächst in einen Absetztank und dann mittels einer Pumpe zu einem Ultrafilter geleitet wird, in den salzhaltiges Wasser von einem Emulsionskonzentrat getrennt wird. Ggf. kann das Kühlmittel aus dem Absetztank vorher mit gewöhnlichen Filtern oder Sieben von suspendierten Festteilchen befreit werden, die sich nicht aufgrund der Schwerkraft absetzen. Aus der
US 3 814 307 A ist eine Zentrifuge bekannt, bei der geringe Konzentrationen von Feststoffen oder von Öl, das in Wasser suspendiert ist, separiert werden können.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Reinigung von Öl-Emulsionen, insbesondere von Kühlschmierstoffen, bereitzustellen, bei dem der Reinigungs- oder Aufbereitungsprozess bei guter Filtrationsqualität dauerhaft betrieben werden kann.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Erfindungsgemäß ist dem Filtrierschritt, in dem die emulgierten Bestandteile der zu reinigenden Emulsion als Wertstoff abgetrennt werden, ein zusätzlicher Vorreinigungsschritt vorgeschaltet, in dem die zu reinigende Emulsion in einer Zentrifuge zentrifugiert wird. Dadurch kann die zu reinigende Öl-Emulsion im Vergleich zu anderen mechanischen Filterverfahren mit geringem Zeitaufwand und hoher Filterqualität vorgereinigt werden, wodurch selbst kleine Partikelgrößen bis zu 2 μm von der Öl-Emulsion separiert werden können.
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Die in der zu reinigenden Öl-Emulsion suspendierten Feststoffe werden in der Zentrifuge als schwere Phase separiert. Dabei ist es für eine hohe Filterqualität bevorzugt, wenn die wirksame Zentrifugalkraft der Zentrifuge in einem Bereich von mindestens 3 bis 4·g liegt. Dadurch ist gewährleistet, das selbst die Feststoffe mit geringen Partikelgrößen von etwa 2 μm zuverlässig herausgefiltert werden. Solche Feinstoffe bzw. Feinspäne würden sich ohne den erfindungsgemäßen Vorreinigungsschritt auf der Filteroberfläche des nachgeschalteten Filters festsetzen und diesen vorzeitig verstopfen.
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Neben der Zentrifugalkraft bildet die durch die Zentrifuge geführte Strömungsmenge pro Zeiteinheit einen weiteren wichtigen Prozessparameter, mit dem die Verweildauer der zu reinigenden Öl-Emulsion in der Zentrifuge festlegbar ist. Die Zentrifugalkraft der Zentrifuge ist vorzugsweise so einzustellen, dass die Emulgatoren in der zu reinigenden Öl-Emulsion nicht zerstört werden. Die Emulgatoren bewirken, dass der Öl-Anteil fein verteilt in der Trägersubstanz, etwa Wasser, gehalten wird, ohne zu koagulieren. Versuche haben gezeigt, dass die Emulgatoren bis zu einer Zentrifugalkraft von 6 bis 7·g stabil sind und bei größeren Zentrifugalkräften zerstört werden.
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Das Reinigungsergebnis der Vorreinigungsstufe wird durch die Anwendung einer Drei-Phasen-Zentrifuge weiter gesteigert. Im Unterschied zu anderen mechanischen Filtern kann hier in einfacher Weise neben der schweren Feststoff-Phase auch eine leichte Fremdöl-Phase separiert werden. Die leichte Phase kann als Fremdöl beispielsweise Hydraulik-Öl enthalten, das nur schwach an die Emulgatoren gebunden ist und sich beim Zentrifugieren ohne weiteres von den Emulgatoren löst und koaguliert. Das Fremdöl würde ohne vorgeschalteten Zentrifugier-Schritt zum Filter, etwa zum Ultrafilter, gelangen und als Schlamm die Filterporen zusetzen.
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Bei Anwendung der Drei-Phasen-Zentrifuge können also gleichzeitig Feststoffe und Fremdöl-Bestandteile, beispielsweise Hydrauliköl, vom Wertstoff separiert werden. Eine beim Zentrifugieren erzeugte mittlere Phase wird als Emulsions-Konzentrat zum Filter geleitet, in dem die emulgierten Bestandteile aus dem Konzentrat gefiltert werden können.
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Üblicherweise wird als ein Kühlschmierstoff bzw. eine Kühlschmieremulsion eine Öl-Emulsion verwendet, in der der Öl-Anteil mittels Emulgatoren in Wasser fein verteilt gehalten wird. Im Wasseranteil der Kühlschmieremulsion reichern sich nach dessen Einsatz im Metallbearbeitungsprozess gelöste Salze und/oder gelöste Legierungsbestandteile, z. B. Schwermetall, Aluminium oder Magnesium an, die die Gebrauchseigenschaften der Kühlemulsion beeinträchtigen. Durch Abtrennung der salzhaltigen wässrigen Phase kann daher die Kühlschmieremulsion entsalzt werden.
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Eine besonders effektive Reinigung der Öl-Emulsion ergibt sich aus der Kombination der erfindungsgemäßen Zentrifuge mit einem Ultrafilter. Der Ultrafilter wird zur Entsalzung des aus der Zentrifuge gewonnenen Emulsions-Konzentrats verwendet. Der Ultrafilter hält die emulgierten Öl-Bestandteile zurück und separiert die wässrige Phase mit den gelösten Salzen. Die Filtermembran des Ultrafilters kann eine Porenweite in einem Bereich von 10.000 bis 30.000 Dalton auf, während ein geeigneter Filtrationsdruck bereits in einem Bereich von nur 0,5 bis 1,5 bar liegen kann. Bevorzugt erfolgt der Filtrierschritt in einer Querstromfiltertechnik, bei der eine parallel zur Oberfläche der Filtermembran verlaufende Strömungskomponente in dem zu filternden Emulsions-Konzentrat erzeugt wird. Dadurch ist ein frühzeitiges Zusetzen der Filteroberfläche verhindert. Insbesondere in Verbindung mit der vorgeschalteten Zentrifuge kann die Standzeit des Ultrafilters beträchtlich erhöht werden, ohne dass Regenerationsphasen zur Reinigung des Filters notwendig wären.
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Bevorzugt ist der erfindungsgemäße Vorreinigungsschritt zweistufig mit einer dem Zentrifugieren vorgeschalteten mechanischen Filtration ausgeführt, in der bereits größere Feststoffe von der zu reinigenden Öl-Emulsion entfernt werden können. Die Vorfiltration kann durch einen mechanischen Filter oder durch ein Sedimentieren in einen Absetztank erfolgen.
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Nach dem Filtrierschritt werden die zurückgehaltenen emulgierten Öl-Bestandteile als Wertstoff wieder dem Kühlschmieremulsionskreislauf zugeführt. Hierzu wird der Wertstoff mit frischem Wasser und ggf. weiteren Additiven vermischt, um wieder einen optimalen Kühlschmieremulsionszustand sicherzustellen.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figur beschrieben, die in einem schematischen Fließbild ein Verfahren zur Aufbereitung einer Kühlschmieremulsion zeigt.
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Das Fließbild betrifft einen Metallbearbeitungsprozess mit zwei aufeinander folgenden Bearbeitungsschritten 1, 2 zur Spanbearbeitung von Metallbauteilen.
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Nach erfolgter Spanbearbeitung werden die Bauteile zu einem Wäscher 3 geführt, in dem sie mittels einer Reinigungsflüssigkeit gereinigt werden.
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Dem Metallbearbeitungsprozess ist ein Kühlschmieremulsions-Kreislauf 4 mit einer Kühlmittelzentrale 5 zugeordnet. Die Kühlmittelzentralanlage 5 führt die Kühlschmieremulsion 10 von einem Vorratstank 6 den Bearbeitungswerkzeugen im Metallbearbeitungsprozess zu, um diese vor Verschleiß zu schützen, eine gute Werkstückoberflächenqualität sicherzustellen und um die erzeugten Metallspäne abzuführen.
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Als Kühlschmieremulsion wird bekanntermaßen ein wassergemischter Kühlschmierstoff verwendet, bei dem die Ölbestandteile mittels Emulgatoren in Wasser fein verteilt gehalten sind. Somit ist die Kühlschmieremulsion ein Gemisch aus einer schmierwirksamen Komponente (Ölanteil) und einer kühlwirksamen Komponenten, nämlich Wasser, das mit ca. 85% den Hauptanteil an der Emulsion einnimmt.
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Dem Vorratstank 6 der Kühlmittelzentrale 5 ist ein vom Kühlschmieremulsions-Kreislauf 4 unabhängiger Aufbereitungskreislauf 7 zugeordnet. Der Aufbereitungskreislauf 7 führt unabhängig vom Kühlmittelkreislauf 4 die Kühlschmieremulsion vom Vorratstank 6 ab. Nach erfolgter Reinigung sowie Aufbereitung wird die Kühlschmieremulsion wieder zum Vorratstank 6 rückgeführt.
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Der Aufbereitungskreislauf 7 weist eine Zentrifuge 9 auf, in der in einem Vorreinigungsschritt I die zu reinigende Kühlschmieremulsion mechanisch vorgereinigt wird. Der Vorreinigungsschritt kann zweistufig mit einer nicht dargestellten, vorgeschalteten Filtereinrichtung erfolgen, die im Vorratstank 6 angeordnet sein kann.
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Die Zentrifuge 9 ist vorliegend eine Drei-Phasen-Zentrifuge, mit der die abgeführte, zu reinigende Kühlschmieremulsion in drei Phasen aufteilbar ist. Die leichte bzw. ölige Phase besteht aus nur schwach über Emulgatoren gebundene Fremdöl-Bestandteile, d. h. beispielsweise einem Hydraulik-Leckage-Öl. Die schwere Phase bzw. Feststoffphase besteht dagegen aus Spänen bzw. Inhaltsstoffen von zerspanten Legierungen, etwa Silizium und Korund einer Schleifscheibe. Die mittlere Phase stellt demgegenüber als gewonnener Wertstoff ein Emulsions-Konzentrat dar, das als Wertstoff weiterbehandelt wird.
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Das aus der Zentrifuge 9 als mittlere Phase gewonnene Emulsions-Konzentrat wird anschließend zu einem Ultrafilter 11 weitergeleitet. Im Ultrafilter 11 werden in einem Filterschritt II die emulgierten Bestandteile 12 des Emulsions-Konzentrats von einer Filtermembran des Ultrafilters 11 zurückgehalten, die den Wasser-Anteil durchlässt. Bei der Ultrafiltration kommt eine Filtermembran mit einer Porentiefe von 10.000 bis 30.000 Dalton zum Einsatz, mit der Feinspäne von bis zu einer Partikelgröße von 2 μm herausgefiltert werden können.
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Der Wasseranteil wird als salzhaltige, wässrige Phase aus dem Ultrafilter 11 geführt und in einen Verdampfer 13 gespeist. Die im Ultrafilter 11 zurückgehaltenen emulgierten Bestandteile 12 des Emulsions-Konzentrats werden dann unter erneuter Vermischung mit entsalztem Frischwasser 15 wieder in den Kühlschmieremulsions-Kreislauf rückgeführt. Das entsalzte Frischwasser wird dabei durch den Verdampfer 13, beispielsweise einem Niedrigenergieverdampfer, aus der salzhaltigen wässrigen Phase der Emulsion gewonnen. Als Rückstand wird somit ein stark salzhaltiges wässriges Medium aus dem Verdampfer 13 abgeführt.
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Im erfindungsgemäßen Aufbereitungskreislauf 7 ist zu beachten, dass bei zu hohen Zentrifugalkräften der Zentrifuge 9 die Emulgatoren in der Emulsion zerstört werden und das Öl koagulieren könnte. Die Zentrifuge 9 ist daher erfindungsgemäß mit einer wirksamen Zentrifugalkraft von maximal bis zu 6 bis 7·g ausgelegt. Um andererseits lange Regenerationszyklen bei der Ultrafiltration zu erreichen, ist es erforderlich, insbesondere Feinspäne von dem vorgereinigten Emulsions-Konzentrat zu trennen. Die Zentrifugalkraft der Zentrifuge 9 liegt daher zumindest bei 3 bis 4 g, um solche Feinstoffteile bis zu 2 μm zuverlässig aus der zu reinigenden Kühlschmieremulsion zu zentrifugieren.
