微生物對切削液穩(wěn)定性的影響*

李慶宏 韓明眸 申媛媛 張 麗 董麗華 董耀華 胡 浩

(1.上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院 上海 201306；2.上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院 上海 201306； 3.上海綠晟環(huán)保有限公司 上海 201306)

機(jī)械加工過程中，切削液的引入能有效降低加工區(qū)域的摩擦熱以及變形熱，延長了刀具壽命與保證了工件的表面質(zhì)量。目前大量使用的水包油型切削液(O/W)是利用乳化劑的親水基團(tuán)與親油基團(tuán)，降低水與基礎(chǔ)油的表面張力在水中形成大量的乳化液滴,一方面能以大量的水分降低切削區(qū)域的熱量，另一方面利用基礎(chǔ)油及其他添加劑作為潤滑介質(zhì)降低刀具與工件之間的摩擦，減少摩擦熱的生成，從而延長刀具的使用壽命[1-2]。隨著高速切削液及精密加工的普及，幾乎可以說凡是有機(jī)床的地方都會用到切削液，且每年的使用量呈增長趨勢。

切削液的穩(wěn)定性是一個極其重要的性能指標(biāo)，通常水包油型乳化液中乳化液液滴分布在1～10 μm之間，穩(wěn)定性直接關(guān)系到加工過程的穩(wěn)定性以及切削液的替換周期[3]。穩(wěn)定的切削液通常能在切削表面與前刀面、切屑與后刀面之間形成一層穩(wěn)定的潤滑層，在高速切削或極壓環(huán)境下形成單分子潤滑層，給予加工區(qū)域邊界潤滑效應(yīng)[4-5]。切削液穩(wěn)定性下降通常表現(xiàn)為分層、絮凝、出現(xiàn)沉淀等現(xiàn)象，主要是由于發(fā)生了乳液液滴聚結(jié)、融合、變形等破乳現(xiàn)象[6]。造成切削液穩(wěn)定性能下降的原因主要有離子污染、熱老化、生物降解等。有不少研究報道了離子濃度的增加將會極大降低切削液的穩(wěn)定性，如GLASSE等[7]在切削液中加入0.3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CaCl2就觀察到了嚴(yán)重的破乳現(xiàn)象;KIEFER等[8]利用紅外光譜儀對人為老化的切削液進(jìn)行長時間監(jiān)測發(fā)現(xiàn)了明顯的官能團(tuán)變化，且切削液的色澤有明顯的渾濁現(xiàn)象。

然而有關(guān)于微生物對切削液穩(wěn)定性影響的研究卻鮮有報道，大部分的研究均是圍繞切削液的有效成分的微生物降解作用來展開。RABENSTEIN等[9]在對切削液的微生物降解研究中發(fā)現(xiàn)，相比于具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的脂類物質(zhì)，表面活性劑、緩沖劑等小分子量的物質(zhì)更容易被微生物降解，造成了切削液整體濁度的上升，穩(wěn)定性有所下降。類似的切削液液滴粒徑分布在微生物的作用下變大也在SEIDEL和MEYER[10]的研究中有所報道，他們利用人工老化的方式在切削液中加入細(xì)菌的胞外分泌物，發(fā)現(xiàn)了切削液的平均粒徑呈現(xiàn)增大的趨勢。但是微生物降低切削液穩(wěn)定性的機(jī)制以及微生物對O/W乳化液化學(xué)界面的影響并未曾有研究報道，因此研究微生物對切削液穩(wěn)定性的影響可以對現(xiàn)場切削液的維護(hù)管理起到指導(dǎo)性的作用。

切削液中微生物濃度一般在104～1010CFU (Colony Forming Units)/mL內(nèi)，切削液中的微生物要分解大量有機(jī)物作為新陳代謝的能量來源，從而造成了切削液性能下降，如pH值由堿性變?yōu)樗嵝?，造成了金屬和機(jī)床的腐蝕，嚴(yán)重影響工件的經(jīng)濟(jì)價值和機(jī)床的加工精度；潤滑性能下降，加劇刀具磨損影響加工精度等[11-12]。

本文作者將工作現(xiàn)場已經(jīng)失效的切削廢液(Waste Metalworking Fluids,WMWFs)在不含抑菌劑的切削液新液中進(jìn)行擴(kuò)培，對該切削液進(jìn)行為期3個月的穩(wěn)定性及理化性能指標(biāo)監(jiān)測，并分析微生物對切削液的劣化機(jī)制及穩(wěn)定性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

乙醇(95%，體積分?jǐn)?shù))、油紅O、瓊脂購買于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司(上海)，LB肉湯微生物培養(yǎng)基購買于青島海博生物科技有限公司。

切削廢液從上海第一機(jī)床廠有限公司的一門龍門銑機(jī)床中采集，該切削液已使用3個月，廢液中發(fā)出惡臭，微生物數(shù)量已經(jīng)嚴(yán)重超標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)用于擴(kuò)培微生物的切削液由常州海納金屬助劑有限公司提供，為避免繁多的化合物種類影響，該切削液配方精簡為由石油基基礎(chǔ)油、非離子表面活性劑、三乙醇胺、油性劑、消泡劑等構(gòu)成。且為使廢液中的微生物能更好地在切削液中擴(kuò)培、生長及繁殖，配方體系中排除了抑菌劑等添加劑。

1.2 切削廢液中微生物的擴(kuò)培

將切削液原液以5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的稀釋比例加入至去離子水中在磁力攪拌器中攪拌1 h，將攪拌好的切削液放置于高溫滅菌鍋中于120 ℃下高溫滅菌30 min。待切削液冷卻至室溫，移取200 μL的切削廢液至切削液中，隨后將切削液轉(zhuǎn)移至37 ℃的生化培養(yǎng)箱中進(jìn)行微生物培養(yǎng)。

微生物在切削液中的生長情況利用平板記數(shù)法進(jìn)行測定，將15 g/L的瓊脂與 25 g/L的LB肉湯培養(yǎng)基溶于水中，在滅菌鍋中高溫滅菌后傾倒于無菌表面皿中，待其冷卻固化，制成LB平板，并在無菌操作臺上利用紫外線消毒30 min避免空氣中細(xì)菌污染。每7天取少量含菌切削液，用無菌水稀釋至合適比例后，取100 μL液體至平板上，涂抹均勻后放置于37 ℃生物培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h，隨后根據(jù)平板上呈現(xiàn)的菌落數(shù)量與稀釋倍數(shù)推算出切削液在不同取樣時間點(diǎn)的微生物濃度。

1.3 切削廢液中微生物的多樣性分析

利用E.Z.N.A.?soil DNA kit (Omega Bio-tek,Norcross,GA,美國)對切削液中微生物的DNA進(jìn)行提取，使用NanoDrop 2000測定DNA濃度和純度，隨后使用338F (5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3’) 和806R (5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’)作為PCR引物對提取的16SrDNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增。使用2%瓊脂糖凝膠回收PRC產(chǎn)物，并使用AxyPrep DNA凝膠提取試劑盒(Axygen Biosciences,Union City,美國)純化PCR回收產(chǎn)物，利用QuantusTMFluorometer (Promega,美國) 對回收產(chǎn)物進(jìn)行檢測定量。最后利用Illumina的Miseq PE3000平臺進(jìn)行測序，并將測序結(jié)果與Silva數(shù)據(jù)庫(SSU128)進(jìn)行比對，比對閾值設(shè)置為70%?？傻贸銮邢鲝U液中的微生物多樣性分析結(jié)果。

1.4 切削液乳液液滴穩(wěn)定性及性能表征

生化培養(yǎng)箱中的切削液每隔7天進(jìn)行取樣，并在取樣后對容器中的液面進(jìn)行標(biāo)記，在下一次取樣前加入無菌水至標(biāo)記刻度線上，避免因水分蒸發(fā)造成的實(shí)驗(yàn)誤差。利用折光儀測定切削液的折光濃度；利用便攜式濁度儀(2100Q，Hach，美國)測試不同時間段的切削液濁度；切削液樣品中的總有機(jī)碳(Total Organic Carbon,TOC)與無機(jī)碳(Inorganic Carbon,IC)利用TOC/TNb分析儀(multi N/C 3100,Analytic Jena AG,德國)進(jìn)行測定，切削液中液滴粒徑分布(Droplet Size Distribution,DSD)利用激光粒度儀(NanoBrook,90plus zeta,Holtsville,美國)進(jìn)行表征。將油紅O預(yù)溶于乙醇中，隨后將油紅O乙醇溶液對切削液中的乳液液滴進(jìn)行染色，并利用光學(xué)顯微鏡(DM500,Leica,德國)觀察乳液液滴的形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 切削液中微生物多樣性分析及生長曲線

微生物在切削液中的生長曲線如圖1所示，微生物在切削液中的生長變化呈先增后降的趨勢。切削廢液在加入切削液之后微生物初始濃度約為104CFU/mL。微生物最初的35天內(nèi)進(jìn)入指數(shù)生長期，微生物呈指數(shù)級生長，在第35天達(dá)到1.61×107CFU/mL的最大值。從第35天至第56天期間，微生物呈逐漸下降趨勢。在第56天之后，微生物濃度維持在7×106～8×106CFU/mL的范圍內(nèi)。這與文獻(xiàn)報道中微生物在切削液中數(shù)量在104～1010CFU/mL相符。從該圖中也可以得知，在不添加抑菌劑的前提下，該切削液的配方體系是特別適合微生物的生長繁殖。

切削液中微生物多樣性結(jié)果如圖2所示。其中假單胞菌屬(Pseudomonassp.)豐度占比為25.05%，水生叢毛菌屬(Comamonassp.)的水生叢毛單胞菌(Comamonasaquatica)與睪丸酮叢毛單胞菌(Comamonastestosteroni)分別占比16.80%與2.44%，紅平紅球菌(Rhodococcuserythropolis)豐度占比為9.02%。

圖1 微生物在切削液中的生長曲線Fig 1 Microbial growth in MWF during 84 days of enrichment

圖2 切削廢液中微生物多樣性分布Fig 2 Distribution of microbial diversity in MWF

上述3種優(yōu)勢菌種均為革蘭氏陰性好氧菌，都能分解環(huán)境中的有機(jī)物作為新陳代謝能量來源[13-14]。而作為豐度占比最高的假單胞菌屬，是有關(guān)于切削液中微生物分布報道最多的一種能降解多種有機(jī)物的菌株，它能降解直鏈、環(huán)烷、苯環(huán)等烴類物質(zhì)。此外，部分假單胞菌屬的胞外高聚物是一種破乳劑，會降低乳液中表面活性劑與油水的結(jié)合力，從而降低乳化液的穩(wěn)定性[13,15]。

2.2 微生物對切削液性能的影響

微生物對切削液的pH值影響結(jié)果如圖3所示。新液的pH值為9.05，在微生物的影響下，在第7天就下降為8.72，并在之后的時間內(nèi)呈連續(xù)下降趨勢，在第84天時，已呈弱酸性，pH值為6.91。切削液中通過添加單乙醇胺、三乙醇胺等緩沖劑，使切削液在稀釋之后的pH值維持在8～10之間，讓金屬在堿性環(huán)境下生成一層鈍化膜，防止出現(xiàn)析氫腐蝕、點(diǎn)蝕等腐蝕現(xiàn)象。從圖3中pH值的下降趨勢可以得知，切削液中的緩沖劑被微生物的降解程度十分嚴(yán)重，OH-離子的水解效果下降，使得H+濃度增加，使得酸性環(huán)境下乳液液滴易發(fā)生破乳現(xiàn)象。

圖3 微生物影響下切削液pH值變化Fig 3 Microbially influenced variation of pH value of MWF

切削液中TOC與IC受微生物影響的變化如圖4所示。新液中的TOC與IC分別為18.85 g/L與67.58 mg/L。隨著微生物數(shù)量的不斷增加，TOC呈現(xiàn)出下降趨勢，從第7天的14.85 g/L下降至第84天的4.44 g/L，其中在第21～49天之間的下降速度較為平緩。而IC則呈現(xiàn)相反的上升趨勢，在第7天就上升至253.13 mg/L，在第84天時，切削液中IC濃度達(dá)到了738.44 mg/L。TOC的持續(xù)下降說明了切削液中的微生物能利用其中的有機(jī)物作為營養(yǎng)物質(zhì)不斷分解，在時長3個月的時間內(nèi)，TOC的降解率達(dá)到了76.45%。通過圖2中的微生物多樣性結(jié)果可知，來自廢液中的微生物幾乎全是異養(yǎng)型細(xì)菌，需要不斷汲取環(huán)境中的有機(jī)物來維持正常的繁殖與新陳代謝。

圖4 微生物影響下切削液中TOC與IC的變化Fig 4 Microbially influenced variation of TOC and IC in MWF

但切削液中IC濃度的不斷上升，則說明微生物對于切削液中有機(jī)物的分解并不是一步徹底反應(yīng)為CO2與H2O，而是先將一部分有機(jī)物礦化為無機(jī)物，使切削液中的有機(jī)碳源不斷下降，同時也讓可溶性無機(jī)碳濃度逐步上升。

2.3 微生物對切削液乳液穩(wěn)定性的影響

切削液濁度受微生物影響的變化如圖5所示。濁度在前14天展現(xiàn)出了較為激烈的變化趨勢，第7天的濁度就由新液的428 NTU上升至了659 NTU，在第14天達(dá)到了817 NTU的峰值，而在第21天又迅速下降至571 NTU；隨后的時間內(nèi)呈較為緩慢的下降趨勢，在第84天時切削液的濁度下降至比新液更低的341 NTU。利用濁度作為表征切削液穩(wěn)定性的指標(biāo)，近年來在許多文獻(xiàn)中均有報道。由于往基礎(chǔ)油中添加了不同親水疏水平衡值(HLB)的表面活性劑，讓基礎(chǔ)油與水形成乳化液滴，從而分散在水中使得溶液的濁度發(fā)生，目測上為切削液變?yōu)榕Ｄ虪畹娜榘咨后w。而液滴粒徑的大小可以通過濁度儀進(jìn)行測量，從而在濁度上表征乳化液中液滴的穩(wěn)定性。

乳化液液滴粒徑x與濁度τ(λ)的關(guān)系可以通過Mie模型中的公式[16-17]計算：

τ(λ)=1/Lln(I0/I)

(1)

(2)

式(1)中：L是光路長度；I是吸收光強(qiáng)度；I0是發(fā)射光強(qiáng)度。式(2)中：Np是平均體積內(nèi)的總顆粒數(shù)；f(x)是液滴粒徑分布公式；Qext是消光系數(shù)，可以通過Mie理論中進(jìn)行查詢。

在公式(1)中，特定的發(fā)射光強(qiáng)度下，τ(λ)與I成反比例關(guān)系，吸收光強(qiáng)度越小，則濁度越大。公式(2)中，τ(λ)與乳液液滴粒徑x有著密切的關(guān)系，液滴粒徑越大則濁度越大。因此通過公式(1)與公式(2)的聯(lián)系可以得知通過測定不同時間的切削液在濁度儀中的吸收光強(qiáng)度，可以反映出該時間點(diǎn)的乳液液滴粒徑大小，從而判斷切削液的穩(wěn)定性。

圖5 微生物影響下切削液濁度變化Fig 5 Microbially influenced variation of turbidity of MWF

在前14天內(nèi)濁度的急劇變化主要是由于表面活性劑的降解，由于表面活性劑無論是化學(xué)結(jié)構(gòu)還是分子量，都要明顯低于基礎(chǔ)油，因此切削液中的微生物會優(yōu)先降解切削液中的表面活性劑或緩沖劑等易于分解的有機(jī)化合物[9]。通過圖5中的結(jié)果可知，由于表面活性劑的分解，使得基礎(chǔ)油與水的結(jié)合力不斷下降，造成液滴粒徑變大，因此在濁度上體現(xiàn)為不斷上升。但在第21天之后濁度下降的原因是切削液中能維持形成乳化液的表面活性劑濃度已不夠，基礎(chǔ)油由于沒有表面活性劑的束縛，在重力的作用下逐漸漂浮于液體表面，經(jīng)過24 h的靜置，形成了底部與中部為乳液相，而表面則為油相的溶液分布體系。分散于樣品液體中部的乳液數(shù)量下降，而濁度儀入射光位于液體中部，因而造成濁度的下降。

切削液中粒徑分布如圖6所示。新液的平均粒徑為0.83 μm，在第7天后平均粒徑增大至3.63 μm，并在第14天上升至5.88 μm；至第56天時的平均粒徑呈現(xiàn)微弱的上升趨勢，在第56天達(dá)到6.83 μm的最大平均粒徑，從第56天以后，平均粒徑逐步下降，在第84天下降為6.11 μm。而新液的乳液液滴最大粒徑為2.36 μm，在第7天時最大粒徑就變?yōu)?0.12 μm，并在第14天上升為36.02 μm，隨后的最大粒徑呈上升趨勢，在第84天時的最大粒徑增至48.96 μm。

圖7所示為液滴光學(xué)顯微鏡圖，可以得知，乳化液在經(jīng)過油紅O的染色后，在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)紫色，而未形成乳化液的基礎(chǔ)油經(jīng)染色后顯示為紅色塊狀。從圖7(a)中可知，新液中的乳液液滴的形狀大小及分散較為均勻，尺寸分布在0.5～2 μm之間，與圖6中的結(jié)果一致。在圖7(b)中,乳液液滴則呈現(xiàn)較大的差異化，乳液尺寸分布在0.5～20 μm范圍內(nèi)。液滴之間相互吸引接近，且出現(xiàn)了大液滴中包含有許多小液滴的乳液液滴聚合(coalescence)現(xiàn)象。由圖7(c)可知，在第56天時的乳液液滴出現(xiàn)了變形，液滴尺寸分布增至2～40 μm之間。而從圖7(d)中可知，在第84天出現(xiàn)了大范圍分布的游離態(tài)油相物質(zhì)，這些基礎(chǔ)油由于無法形成乳液，在切削液中呈游離態(tài)，使得染色劑能徹底地對其進(jìn)行染色，因此油相物質(zhì)在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)紅色塊狀形貌，乳液液滴分布在1～10 μm范圍內(nèi)，進(jìn)而解釋了圖6中平均粒徑在第84天下降的現(xiàn)象。

圖6 切削液中粒徑變化Fig 6 Changes of droplet size of MWF

圖7 切削液中乳液液滴光學(xué)顯微鏡圖Fig 7 Optical images of droplets in MWF (a) droplets in fresh MWF;(b) droplets in MWF at 14 days; (c) droplets in MWF at 56 days;(d)droplets in MWF at 84 days

從圖6中可以判斷,微生物對切削液中乳液穩(wěn)定的影響在前14天內(nèi)最為顯著，其結(jié)果與濁度變化相對應(yīng)，小液滴相互吸引，在前14天內(nèi)不斷聚合，形成大液滴。大液滴又不斷吸引小液滴進(jìn)行融合，隨著微生物劣化時間的增加，液滴發(fā)生了變形，甚至出現(xiàn)了游離態(tài)的油相物質(zhì)。

2.4 微生物對乳化液穩(wěn)定性影響的機(jī)制分析

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，微生物能有效降解切削液中的有機(jī)物，對于分子量較大及結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的基礎(chǔ)油的影響較小，會優(yōu)先降解表面活性劑與緩沖劑等小分子物質(zhì)，使?jié)岫劝l(fā)生了較為明顯的變化并使pH值不斷下降，同時礦化這些有機(jī)物質(zhì)為無機(jī)鹽或CO2

與H2O。表面活性劑是通過自身的親油基團(tuán)與親水基團(tuán)，使油與水發(fā)生乳化作用，在水含量較高時形成O/W型乳化液。微生物對表面活性劑的降解，無論是發(fā)生在親油基團(tuán)、親水基團(tuán)或是碳鏈部位，都會造成乳化液穩(wěn)定性的下降。最終隨著表面活性劑含量的消耗，油相物質(zhì)無法繼續(xù)保持乳化狀態(tài)，從而逐漸游離在切削液中，使切削液徹底失效。

根據(jù)DLVO理論可知，乳化液中乳液液滴分散的穩(wěn)定性是通過乳液之間雙電層電勢與范德華力的排斥作用來維持的。表面活性劑在形成乳化液之后，通過減少表面張力，形成了界面膜或液面吸附層，并通過液滴之間的靜電排斥力阻止聚合現(xiàn)象的發(fā)生[18-19]。微生物對表面活性劑的降解會弱化界面膜與靜電排斥力，讓乳液液滴之間發(fā)生相互吸引，這就解釋了圖7(a)中新液之間的液滴分散均勻而圖7(b)中液滴之間發(fā)生相互吸引的原因。

通過圖3和圖4中的結(jié)果可知，微生物的降解作用下，有機(jī)物不斷被礦化為無機(jī)離子，緩沖劑的降解使得H+濃度上升，使溶液的導(dǎo)電性與離子濃度不斷上升。MIYAGAWA等[20]的研究給出了乳化液液滴聚合的流體動力模型，在該模型中，當(dāng)乳液液滴活化能(V)大于聚合勢壘(potential barrier of coalescence)時，乳液液滴則會發(fā)生聚合，該模型如公式(3)[20]所示。

(3)

式中：ε是乳化液介電常數(shù)；ψ0是液滴表面能，一般可設(shè)定為已知量；k是Debye因子；x是2個液滴表面之間的距離；A是Hamaker常數(shù)；χ=x/d，d則是乳化液液滴粒徑。

由于微生物與液滴之間不會發(fā)生聚合現(xiàn)象，因此微生物本身的影響可不計入公式(3)中討論。從公式(3)中可以得知，V的大小與ε、x、d的數(shù)值大小相關(guān)，在給定的液滴距離與液滴粒徑的情況下，V與ε成正比關(guān)系。當(dāng)切削液中離子濃度或?qū)щ娦陨仙龝r，切削液的介電常數(shù)也相應(yīng)地升高，從而給予乳液液滴更大的活化能。當(dāng)乳液液滴的活化能大于聚合勢壘時，液滴之間就會發(fā)生聚合，使小液滴聚合成大液滴。切削液在微生物的作用下，切削液的介電常數(shù)不斷升高，液滴尺寸不斷變大，最終呈現(xiàn)出如圖6所示的液滴最大粒徑尺寸呈不斷增長的趨勢。

3 結(jié)論

(1)將切削廢液擴(kuò)培至不含抑菌劑的切削液中，通過多樣性分析，切削液中優(yōu)勢菌株分布為假單胞菌屬、水生叢毛菌屬、紅平紅球菌等，通過3個月的擴(kuò)培，微生物不斷降解切削液中的有機(jī)物，使pH值從9.05降至6.91，TOC降解率達(dá)到了76.45%，并使IC濃度不斷升高。

(2) 在微生物的作用下，切削液的穩(wěn)定性受到了嚴(yán)重的影響，濁度在前14天急劇上升，隨后由于表面活性劑的降解，濁度呈逐步下降趨勢，乳液液滴平均粒徑在前14天內(nèi)增長了約7倍，在第56天時平均粒徑增至6.83 μm。相比于新液，第84天的液滴最大粒徑增大了近20倍，并出現(xiàn)了游離態(tài)油相物質(zhì)。

(3)表面活性劑的降解與H+濃度增大，弱化了液滴之間的靜電排斥力，使液滴相互吸引；且由于切削液的介電常數(shù)變化，賦予乳液液滴的大于聚合勢壘的活化能，使小液滴直接發(fā)生聚合。