DE4419468A1 - Verfahren zur Herstellung und Aufbereitung einer Arbeitsemulsion - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und Aufbereitung einer Arbeitsemulsion aus einem Emulsionskon­ zentrat und Frischwasser sowie Prozeßwasser, insbesondere zur Anwendung in der Metallverarbeitung.

Im Bereich der Metallverarbeitung werden verschiedene flüssige Emulsionen eingesetzt. Eine ihrer Aufgaben besteht darin, das Metallbearbeitungswerkzeug kontinuierlich zu kühlen und die entstehenden Späne fortzuspülen.

Eine Emulsion stellt ein disperses Mittel dar, welches aus zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten besteht, bei dem die eine Flüssigkeit, die disperse Phase, in Form kleiner Tröpfchen von etwa 1-50 µm Durchmesser in der anderen Flüssigkeit, der geschlossenen Phase, suspendiert ist. Durch Zusatzstoffe können die Eigenschaften einer Emulsion den gewünschten Zwecken angepaßt werden, beispielsweise zur Erhöhung der Stabilität durch geringe Mengen von Emulgatoren oder Sta­ bilisatoren, welche die Oberflächenspannung der Tröpfchen verändern. Durch Zusatz besonderer Stoffe ist es auch möglich die Emulsion zu brechen, d. h. die disperse Phase auszufällen.

Die für die Metallverarbeitung verwendeten Emulsionen werden zur Zeit in der Weise hergestellt, daß aus einem Emulsions­ konzentrat durch Zugabe von ca. 90-95% Wasser eine Arbeits­ emulsion entsteht. Insbesondere Mineralölemulsionen, welche in Abhängigkeit ihres Einsatzes eine bestimmte Zeit im Ge­ brauch sind, müssen nach Ablauf dieser überwachten und vor­ gegebenen Zeit ausgewechselt werden, da ihr Gebrauchswert durch Alterungsprozesse besonders der Additive, durch mikro­ bielle Zersetzung und Fremdstoffaufnahme, wie Metallspäne und -Abrieb sowie Stäube, ständig abnimmt.

Die in großen Mengen bei der metallverarbeitenden Industrie anfallenden Emulsionen müssen daher entsorgt werden. Hierbei werden die Behandlungs- und Entsorgungskosten der verbrauchten Emulsionen auch aufgrund der verschärften Gesetzgebung zu einem immer größeren Kostenfaktor.

Die Entsorgung verbrauchter Emulsionen stellt auch aufwendige und erhebliche technische und wirtschaftliche Probleme dar.

Zur Entsorgung wird die verbrauchte Emulsion einer Spaltung unterworfen. Hierbei werden hauptsächlich die folgenden Ver­ fahren angewendet, nämlich

• 1. die Säurespaltung,
• 2. die Flockung, und
• 3. die Membranfiltration.

Die Verfahren zur Emulsionsspaltung werden in der Praxis bei einem entsprechenden Emulsionsanfall direkt in den Metallver­ arbeitungsbetrieben durchgeführt oder die Emulsionen werden durch spezielle Dienstleistungsunternehmen, nämlich ent­ sprechende Abfallentsorger in zentralen Spaltanlagen durch­ geführt.

Bei allen Entsorgungsverfahren fallen neben dem Altöl in Form eines Konzentrats Schlämme sowie erheblich belastete Abwässer an. Diese Abwässer müssen entsprechend den gültigen Normen gereinigt werden, um den vorgegebenen gesetzlichen Bestimmun­ gen zu entsprechen. In vielen Fällen werden die vorgeschriebe­ nen Bedingungen zur Einleitung der Abwässer in den Abwasser­ kanal nicht erreicht, so daß der Abwasserverursacher erheb­ liche Beträge zum Ausgleich der Frachtbelastungen gegenüber Klärwerksbetreibern entrichten muß.

Im Rahmen des Umweltschutzes und einer speziell weitergehender Abwassergesetzgebung ist sowohl mit Gebührenerhöhung wie auch Kostensteigerungen bei werkseigenen Abwasserreinigungsprozes­ sen zu rechnen. Der Bau und die Inbetriebnahme entsprechender Abwasserreinigungsanlagen unterliegt zusätzlich aufwendigen und verschäften Genehmigungsverfahren.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Emulsionsbehandlung anzugeben, mit dem die aufgezeigten Probleme erheblich verringert werden, indem der Wasserver­ brauch und damit die Kosten reduziert werden. Durch eine drastische Verringerung des Wasserverbrauchs werden ferner Transportkosten verringert, so daß der metallverarbeitende Betrieb wirtschaftlicher arbeiten kann.

Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde auch die Komponenten der Emulsion aufzuarbeiten und zu verwerten.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei dem Verfahren zur Herstellung und Aufbereitung einer Arbeitsemulsion aus einem Emulsionskonzentrat und Frischwasser sowie Prozeßwasser, insbesondere zur Anwendung in der Metallverarbeitung, nach der Erfindung in der Einleitungsphase Frischwasser einer vor­ gegebenen Qualität mit einem dem Arbeitsprozeß angepaßten Emulsionskonzentrat emulgiert und dem Einsatzprozeß zugeführt wird und daß danach in einem geschlossenen Kreislauf die ver­ brauchte Emulsion einer Emulsionsspaltung und Wasserabschei­ dung unterworfen wird, wobei das Wasser nach seiner Aufbe­ reitung zur kontinuierlichen Herstellung der Arbeitsemulsion als Prozeßwasser mit einem Emulsionskonzentrat emulgiert wird.

Damit ergibt sich mindestens für das verwendete Prozeßwasser ein geschlossener Kreislauf, da praktisch das gesamte Wasser der Emulsion aufbereitet und zur Herstellung einer frischen Emulsion verwendet wird. Lediglich zu Beginn des Prozesses ist einmalig Frischwasser zuzuführen, welches sodann als Prozeß­ wasser im Kreislauf verbleibt.

In vorteilhafter Weise wird die verbrauchte oder gealterte Emulsion vor der Emulsionsspaltung zur Entfernung aufgenommener Metallteile elektromagnetisch und/oder mechanisch filtriert.

Die verbrauchte Emulsion wird nach der Erfindung einem Spalt­ reaktor zugeführt, in dem durch Zugabe eines organischen Spaltmittels die Emulsion in eine Ölphase (Öl-Flotat) und eine Wasserphase gespalten wird.

Das Öl-Flotat wird in Weiterbildung der Erfindung mindestens teilweise zu einem Emulsionskonzentrat aufbereitet und der Emulsion wieder zugeführt. Dieser Verfahrensschritt ist jedoch alternativ und hängt von der gewonnenen Qualität des Emul­ sionskonzentrats ab.

Das aus der Emulsionsspaltung und/oder dem Öl-Flotat gewonnene Prozeßwasser wird zur Entfernung von Restölbeständen vorteil­ haft einer Filterstufe zugeführt. Diese kann eine keramische Membranstufe oder eine Mikro-, Nano- oder Ultrafiltrations­ stufe aufweisen.

Das aus dem Spaltreaktor und/oder dem Öl-Flotat gewonnene Prozeßwasser wird aus der Filterstufe als Permeat nunmehr einer chemischen Naßoxidation zugeführt, wobei mittels UV- Strahlung und unter Zuführung von Wasserstoffperoxid und/oder Ozon Restadditive oxidativ zerstört werden und bakteriolo­ gische Verunreinigungen entfernt sowie gebildete Schwefelver­ bindungen der Oxidationsstufe S_2- eliminiert werden.

Nach der Erfindung werden die Prozeßwasser-Reinigungsrezep­ turen derartig bemessen, daß restliche Mineralölkohlenwasser­ stoffe im Prozeßwasser zur Ergänzung der Emulsion in definier­ ter Menge verbleiben.

Damit werden auch die zu entsorgenden Mengen an Emulsionsrück­ ständen erheblich verringert, wobei der Grad der Wasseraufbe­ reitung hierdurch geringer ist, als wenn das Wasser dem Ab­ wasserkanal zur Beseitigung zugeführt wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Retentat aus der Filterstufe mindestens teilweise dem Öl- Flotat und/oder der Emulsionsspaltung zugeführt. Damit wird die Filterleistung der Filterstufe erheblich verbessert, da das Retentat kontinuierlich dem Filter entnommen wird. Je nach Steuerung des Gesamtprozesses wird eine Bestimmte Menge davon dem Öl-Flotat zugeführt, welches wie oben beschrieben, nach Aufarbeitung zum Emulsionskonzentrat aufgearbeitet und zur Bildung der Emulsion verwendet wird. Die Prozeßsteuerung kann auch so erfolgen, daß ein bestimmter Anteil des Retentats wieder der Emulsionsspaltung zugeleitet wird. Durch diese internen Kreisläufe ist es nicht nur möglich, die Gleichge­ wichte jeder Prozeßstufe zu beeinflussen, sondern den Wir­ kungsgrad des gesamten Kreislaufprozesses zu verbessern. Dies läßt sich maximal dadurch erreichen, daß die einzelnen Prozeß­ stufen Sensoren aufweisen, welche die relevanten Meßwerte einer zentralen Rechenanlage zuführen, welche aufgrund dieser Werte eine automatische Prozeßsteuerung durchführt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird optimal erreicht, da der Wasserhaushalt in einem Emulsionssystem geschlossen und das benötigte Wasser als Prozeßwasser im Kreislauf geführt wird.

Während bisher lediglich die Einsatz zeit von Emulsionen durch z. B. "Emulsionspflege" verlängert wurde, wird mit der Erfin­ dung ein Emulsionskreislaufprozeß vorgeschlagen, durch den die Emulsionsbehandlung als ein geschlossener Betriebsprozeß ermöglicht wird, welcher keine abwasserproduzierende Funkti­ onen mehr aufweist, wobei in weiteren internen Kreisläufen die Bildung des Öl-Flotats gesteuert und Emulsionskonzentrat für die Bildung einer Emulsion intern gebildet wird. Damit werden sämtliche Kreislaufkomponenten wieder ihrer erneuten Ver­ wertung zugeführt.

Der Emulsionskreislaufprozeß nach der Erfindung wird durch ein Beispiel anhand eines Prozeßdiagramms näher erläutert.

• 1. Durch Zugabe von Wasser einer vorgegebenen Qualität z. B. teilenthärtet, im Verhältnis von 9-9,5 : 1 zu einem Emulsionskonzentrat wird eine Arbeitsemulsion herge­ stellt, welche einem Einsatz- oder Arbeitsprozeß unter­ worfen wird.
• 2. Nach Erreichen bestimmter Alterungseigenschaften wird die verbrauchte Emulsion einer mechanischen und/oder elektro­ magnetischen Filterung unterworfen, wobei durch den Ein­ satzprozeß aufgenommene Metallspäne und Metallstäube hierdurch entfernt werden.
• 3. Die gealterte Emulsion wird in einer Emulsionsspaltung durch Zugabe organischer Spaltmittel in eine Ölphase, d. h. in ein Öl-Flotat und in eine Wasserphase (Spalt­ wasser) gespalten.
• 4. Das Öl-Flotat wird weiter aufbereitet und mindestens teilweise als Emulsionskonzentrat verwendet oder wird in konzentrierter und weitgehend entwässerter Form als Schlamm entsorgt.
• 5. Zur Entfernung von Restölbestandteilen wird das Permeat- Spaltwasser einer Filtration und einer sich anschlie­ ßenden Naßoxidation unterworfen. Die Filterstufen können je nach den Stoffverhältnissen als Mikro-, Nano- oder Ultrafiltration ausgebildet sein.
• 6. Das Permeat-Spaltwasser wird anschließend naßoxidativ durch Beaufschlagung mit oxidationsmitteln/UV-Strahlung, vornehmlich H₂O₂ und oder Ozon behandelt. Hierbei werden Restadditive oxidativ zerstört, bakteriologische Ver­ unreinigungen entfernt sowie gebildete Schwefelverbindun­ gen der Oxidationsstufe S_2- eliminiert. Der Ablauf aus der oxidativen Behandlung enthält noch bewußt restliche Mineralölkohlenwasserstoffe einer definierte Menge. Bei erneuter Zugabe von Emulsionskonzentrat zu dem so behan­ delten Spaltwasser ist es somit nicht erforderlich, Mine­ ralölkohlenwasserstoffe in die Wasserphase einer Emulsion einzugeben.
• 7. In einer Erweiterung können je nach Zustand des behandel­ ten Prozeßwassers noch zusätzlich weitere Wasserbehand­ lungsschritte durchgeführt werden.
• 8. Je nach Anforderung an die Emulsionseigenschaften wird das Flotat destillativ für einen Wiedereinsatz vorberei­ tet, wodurch auch der Öl/Fettstoffkreislauf geschlossen werden kann (s.a. Punkt 4).
• 9. In einem internen Prozeßkreislauf wird das Retentat der Filterstufe, nämlich Öl-Flotat zum Teil der Öl-Flotat­ stufe zugegeben oder erneut der Emulsionsspaltung zuge­ führt. Hierdurch lassen sich nicht nur die Gleichgewichte an den einzelnen Prozeßstufen verändern, sondern die Ausbeute und damit der Wirkungsgrad des Gesamten Prozes­ ses verbessern.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung und Aufbereitung einer Arbeits­ emulsion aus einem Emulsionskonzentrat und Frischwasser sowie Prozeßwasser, insbesondere zur Anwendung in der Metallverarbeitung, dadurch gekennzeichnet, daß in der Einleitungsphase einmalig Frischwasser einer vorgegebenen Qualität mit einem dem Arbeitsprozeß angepaßten Emul­ sionskonzentrat emulgiert und dem Einsatz- oder Arbeits­ prozeß zugeführt wird und daß danach in einem geschlosse­ nen Kreislauf die verbrauchte Emulsion einer Emulsions­ spaltung und Wasserabscheidung unterworfen wird, wobei das Wasser nach seiner Aufbereitung zur kontinuierlichen Herstellung der Arbeitsemulsion als Prozeßwasser mit einem Emulsionskonzentrat emulgiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verbrauchte oder gealterte Emulsion vor oder nach der Emulsionsspaltung zur Entfernung auf genommener Metallteile oder Metallstäube elektromagnetisch und/oder mechanisch filtriert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verbrauchte Emulsion einem Spaltreaktor zugeführt wird, in dem durch Zugabe eines organischen Spaltmittels die Emulsion in eine Ölphase (Öl-Flotat) und eine Wasser­ phase gespalten und getrennt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Öl-Flotat mindestens teilweise zu einem Emulsionskon­ zentrat aufbereitet und der Emulsion zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Emulsionsspaltung und/oder dem Öl-Flotat gewonnene Prozeßwasser zur Entfernung von Restölbeständen einer Filterstufe zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterstufe eine Membranstufe aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterstufe als eine keramische Membranstufe ausge­ bildet ist.

8. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Filterstufe eine Mikro-, Nano- oder Ultra­ filtration aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Retentat aus der Filterstufe mindestens teilweise dem Öl-Flotat und/oder der Emulsionsspaltung zugeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Spalt­ reaktor und/oder dem Öl-Flotat gewonnene Prozeßwasser einer chemischen Naßoxidation zugeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Naßoxidation mittels UV-Strahlung und unter Zuführung von Wasserstoffperoxid und/oder Ozon erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßwasser- Reinigungsrezepturen derartig bemessen sind, daß rest­ liche Mineralölkohlenwasserstoffe im Prozeßwasser zur Ergänzung der Emulsion verbleiben.