Экологические аспекты получения биоразлагаемых моторных масел М-8Г2Бк и М-8Г2Бс на растительной основе

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты микробиологического мониторинга и сравнительных эксплуатационных испытаний опытных партий биоразлагаемых моторных масел М-8Г₂Бс и М-8Г₂Бк с моторным маслом на нефтяной основе М-8Г_2. Установлено, что биоразлагаемые моторные масла М-8Г₂Бс и М-8Г₂Бк получаемые из возобновляемых источников удовлетворяют требованиям эксплуатации, соответствуют современным требованиям, предъявляемым к минеральным маслам и легко поддаются биологическому разложению.

ABSTRACT

The article presents the results of microbiological monitoring and comparative operational tests of pilot batches of biodegradable motor oils M-8G₂Bs and M-8G₂Bk with oil-based motor oil M-8G₂.

It has been determined that biodegradable motor oils М-8Г₂Bs and М-8Г₂Bk obtained from renewable sources meet the requirements of operation, meet modern requirements for mineral oils and are easily biodegradable.

Ключевые слова: моторное масло, биоразложение, микробиологический мониторинг, физико-химические характеристики, микроорганизмы, растительное масло, экология.

Keywords: motor oil, biodegradation, microbiological monitoring, physicochemical characteristics, microorganisms, vegetable oil, ecology.

Экологический аспект в настоящее время играет все большую роль при решении любых практических задач. Методы экологии позволяют предсказывать последствия хозяйственной деятельности, давать рекомендации, как развивать сельское хозяйство и промышленность, не истощая природных ресурсов и не разрушая природных сообществ. Новые знания об окружающей среде, является ориентиром при разработке новых технологий и определяет нравственное поведение по отношению к природе, помогает осознать, что от состояния окружающей среды зависит здоровье и качество жизни самого человека [1].

Смазочные материалы, попадающие в окружающую природную среду, лишь частично удаляются или обезвреживаются в результате природных процессов: окисления, фотохимических реакций, биоразложения. Основная же часть является источником устойчивого загрязнения почвы, водоемов и атмосферы [2].

Исследования были направлены на создание биоразлагаемых моторных композиций на основе растительного сафлорового и кукурузного масел, которые будут предназначены для использования в сельском хозяйстве, перерабатывающей и пищевой промышленности, водном транспорте для смазки узлов машин и механизмов с целью снижения экологической опасности.

Смазочные материалы на нефтяной основе страдают рядом недостатков. Сырая нефть, из которой они производятся, является не возобновляемым ресурсом. Последние исследования показывают, что эти масла канцерогенны и классифицируются как опасные отходы. Наконец, масла на нефтяной основе плохо разлагаются в окружающей среде. В результате они сохраняются в экосистеме в течение длительного времени и считаются загрязнителями. Например, минеральное масло разлагается на 25% через 7 дней, и только на 45% через 21 день, а 1 грамм минерального масла, попав в землю, заражает 25 см² земли, где растительность не произрастает. Экологические проблемы, связанные с переработкой и утилизацией нефтепродуктов, хорошо известны. Также важно, что затраты энергии на производство растительных масел ниже, чем минеральных [2].

Растительные масла получают в больших количествах из возобновляемых источников и обычно характеризуются тем, что они легко поддаются биологическому разложению или являются “экологически чистыми”. Таким образом, растительные масла обладают большим потенциалом для использования их в широком спектре применений.

Основным критерием, по которому смазочный материал относят к категории биологически безопасных смазочных материалов, в соответствии с нормативом OECD 301 (испытание на биоразлагаемость) является степень биоразлагаемости не менее 60%, а в соответствии нормативов СЕС L-33-A-93 (испытание на способность к биоразлагаемости, двухтактный цикл, подвесной мотор, масло в воде) – не менее 80%. Однако в ближайшем будущем все большее значение станут приобретать другие критерии [3].  

Известно отечественное моторное масло М-8Г₂ ГОСТ 8581-78, рекомендованное для зимней эксплуатации автотракторных дизелей без наддува или с невысоким наддувом. Масло М-8Г₂ применяют также для смазывания высокооборотных стационарных дизелей и дизель-генераторов. Масло моторное М-8Г₂ – производится смешением дистиллятного и остаточного компонентов, вырабатываемых из сернистых нефтей, с композицией присадок.

Недостатками моторного масла М-8Г₂ являются низкие вязкостно-температурные характеристики, индекс вязкости – 85, температура вспышки, определяемая в открытом тигле – 200 ºС, которое применяется в автотракторных дизельных двигателях в зимний период. Эксплуатация этой марки масла в более тёплое время года не рекомендуется, поскольку комплекс присадок не рассчитан на повышение рабочей температуры масла, тем более, что в зимний период все агрегаты и узлы требуют от смазочного материала иных возможностей, нежели в жаркое время года. Не менее важным и одним из существенных недостатков моторного масла М-8Г₂ является применение смазочных материалов на базе нефтепродуктов в автотракторной сельскохозяйственной технике, которое негативно отражается на окружающей экологической среде.

Нами были составлены композиции биоразлагаемых моторных масел на основе сафлорового масла М-8Г₂Бс и кукурузного - М-8Г₂Бк, в соответствии ТУ ТSh 39.3-225:2020 от 03.06.2020 г.

При подборе сырьевых компонентов для составления различных композиций моторных масел на растительной основе учитывался один из важнейших факторов - их биоразлагаемость. Дисперсионной средой таких композиций (75-95%) являлись растительные масла (сафлоровое, кукурузное). Присадки (1-8%) – противоокислительные, вязкостные, противоизносные и противозадирные.

В качестве присадок для композиций использовали пять видов присадок: К-61, К-110, касторовое масло, осернённое хлопковое масло (ОХМ), ПМС-200А.   

Для повышения вязкости масла, увеличения индекса вязкости и улучшения вязкостно-температурных характеристик в смазочную композицию на растительной основе вводили вязкостную присадку К-61 в количестве 2,5-3,5% (ТУ 0257-014-40065452-09), гранулированный сополимер этилена с пропиленом, представляющий собой каучукообразную массу от телесного до светло-коричневого цвета.

Для понижения температуры застывания вводили депрессорные присадки, действие которых заключается в подавлении процесса образования в масле кристаллических сеток при снижении температуры, в результате чего смазочное масло сохраняет свою подвижность. В качестве депрессорной присадки использовали депрессатор К-110, которую вводили в количестве 2,5-3,5%. Присадка К-110 представляет собой полимер эфира метакриловой кислоты, полностью растворяется в масле, должна изготавливаться в соответствии требований технических условий ТУ 0257-037-40065452-03 по технологии и из компонентов, которые применялись при изготовлении образцов присадки, прошедшего испытания с положительными результатами и допущенного к применению в установленном порядке, так температура застывания масла И-20А, содержащего 0,3% присадки К-110 не должна быть выше минус 38^оС.

При производстве товарных моторных, трансмиссионных масел используют противопенные присадки, поэтому с целью снижения пенообразования в смазочную композицию добавляли присадку ПМС-200А (ОСТ 6-02-20-79) в концентрации 0,2%. Присадка ПМС-200А представляет собой, полидиметилсилоксановую жидкость, состоящую из смеси полимеров линейной и циклической структуры. Полиметилсилоксановая жидкость предназначена для использования в качестве пеногасящей присадки к нефтяным маслам, в машинных (моторные и трансмиссионные) маслах снижает пенообразование, не изменяя смазывающих свойств [4]. 

В качестве антифрикционной, противозадирной присадки в смазывающую композицию вводили, в виде 1%-ного концентрата, присадку (ОХМ) осернённое хлопковое масло в количестве – 5%. (ОХМ) осернённое хлопковое масло присадка изготавливалась в лабораторных условиях компаундированием элементарной серы с хлопковым маслом при температуре 110-120^оС. В составе присадки использовались: 1.) Масло хлопковое рафинированное изготавливаемое по ГОСТ 1128-75 2.) Сера техническая ГОСТ 127.1-93 с содержанием серы не менее 99,20 масc.

Кроме товарной вязкостной присадки К-61, в образец смазочной композиции с кукурузным маслом вводили в качестве загущающей присадки техническое касторовое масло ГОСТ 6757-96, в количестве – 2%. Данное решение исходило из-за нецелесообразности дальнейшего повышения концентрации (2,5%) присадки К-61 в целевой смазочной композиции для доведения параметров кинематической вязкости до требуемых ГОСТом, ввиду экономической составляющей. Следует отметить, что потребность введения касторового масла выражена тем, что оно являясь продуктом растительного природного происхождения обладает отличными биоразлагаемыми свойствами и физико-химическими характеристиками, в частности кинематическая вязкость при 54,4 ºС составляет 98-130 мм²/с [5].   

В результате проведенных сравнительных испытаний полученных образцов биоразлагаемых смазочных композиций с минеральным маслом М-8Г₂ были получены положительные результаты по основным физико-химическим показателям: кинематическая вязкость, индекс вязкости, температура застывания, температура вспышки в открытом тигле и показателя цветности на колориметре. Установлено, что биоразлагаемые смазочные композиции по сравнению с минеральным маслом М-8Г₂, обладают высокими вязкостно-температурными характеристиками, более высокой кинематической вязкостью при 100^оС – 9,6 мм²/с, более высоким индексом вязкости – 168 и более высокой температурой вспышки – 242ºС, и соответствуют требованиям, предъявляемым к минеральным маслам.

Возможности количественной оценки степени влияния смазочных материалов на окружающую среду является объектом многочисленных дискуссий. Важной задачей является целевое проведение испытаний на способность к биоразложению в естественных условиях (в воде, почве) и определение экотоксилогических характеристик для оценки ущерба биологическим организмам [3].

Также был проведен микробиологический мониторинг, изучения численности основных агрономически важных групп почвенных микроорганизмов, участвующих в круговороте азота, фосфора, калия, углерода, а также других микроэлементов в почве – аммонификаторы, олигонитрофилы, фосформобилизующие бактерии, актиномицеты и микромицеты в пахотном (0-30 см) слое почв.

Опытные образцы биоразлагаемых моторных масел на основе растительных масел (образец №1- исходная почва без обработки, образец №2 – почва обработанная моторным маслом на основе сафлорового масла М-8Г₂Бс, образец №3 – на основе кукурузного масла М-8Г₂Бк, образец №4 – маслом на нефтяной основе М-8Г₂) совместно с сотрудниками Института Микробиологии Научно-консультативного диагностического центра «Соғлом тупроқ» исследованы на степень биоразложения в почвах по сравнению с моторным маслом на нефтяной основе.

Почвенная микрофлора динамична. Составляющие ее почвенные попу­ляции микроорганизмов постоянно изменяются в зависимости от экологиче­ских факторов и объединяются по типам жизнедеятельности в группы [6]. В развивающихся биоценозах микроорганизмы вступают в многочисленные связи, часто случайные, имеющие слабую и среднюю силу. В стабильном биоценозе микрофлора находится в равновесном состоянии. Связи между трофическими группами имеют характер сильных корреляций.

Результаты сравнительной численности основных групп почвенных микроорганизмов в исходной и обработанных почвах, (КОЕ/г почва), приводятся в таблице 1.

Таблица 1.

Численность основных групп почвенных микроорганизмов в исходной и обработанных почвах, (КОЕ/г почва)

По полученным микробиологическим показателям приведенных в таблице 1, видно, что в почве, обработанной образцом №4 численность аммонификаторов через 10 суток опыта снизались на 1 порядок и составляли 2,4х10⁶ КОЕ/г почва, исходная почва (9,0х10⁷ КОЕ/г почва). В почвах обработанными образцами №2, 3 численность аммонификаторов не значительно снизилась и находилась на уровне одного порядка с исходной почвой.

Численность фосформобилизующих бактерий в почвах обработанной образцом №4 на 1 порядок снизались - 1,0х10³ КОЕ/г, по сравнению с исходной почвой (7,5х10⁴ КОЕ/г почва), также снизилась на 1 порядок - 1,2-3,0х10⁵ КОЕ/г численность олигонитрофилов, исходная почва (2,3х10⁶ КОЕ/г почва).

Численность микромицетов (микроскопических грибов) во всех опытных почвах (1,5-2,1х10⁴ КОЕ/г почва) находилась на уровне одного порядка с исходной почвой (4,5х10⁴ КОЕ/г почва). Актиномицеты во всех опытных почвах не были обнаружены. В исходной почве их численность составила 1,5х10⁴ КОЕ/г.

Таким образом, можно заключить, что образец № 4 снижают на 1 порядок численность полезных микроорганизмов (фосформобилизующих бактерий и олигонитрофилов). Все образцы негативно влияли на численность актиномицетов, после обработки почвы во всех вариантах их не было обнаружено.

Загрязнение почвенного слоя моторным маслом, содержащего растительные масла (образцы № 2,3), прежде всего, сказываются на состоянии сапрофитных микроорганизмов. Поэтому при анализе санитарного состояния почвы должное внимание уделяется именно этой группе микроорганизмов. Вне­сение в почву органических веществ приводит к резкому возрастанию ее са­профитного микронаселения. Последующий его спад до первичных показа­телей свидетельствует об окончании переработки микробами внесенных в почву соединений.

Разложение органических веществ производят разнообразные микроор­ганизмы, находящиеся в метабиотических отношениях, создавая условия для взаимного развития, а нередко и в антогонистических выделяя в среду веще­ства тормозящие развитие других. В процессе минерализации органических веществ одни группировки микроорганизмов закономерно сменяются други­ми. Поэтому надо ожидать, что учет отдельных групп и видов сапрофитных бактерий может дать определенные указания о процессе самоочищения поч­вы [7].

На основании проведенных исследований установлено, что загрязнение почвы моторным маслом на основе минерального масла приводит к изменению численности различных физиоло­гических групп микроорганизмов и интенсивности микробиологических процессов. Чувствительность каждой группы микроорганиз­мов на нефтяное органическое вещество различна из-за их разной способно­сти разлагать нефтяные углеводороды, а биоразлагаемые моторные масла на основе растительных масел явля­ются питательной средой для микроорганизмов, не нарушая ее биоценоза.

В период с августа по сентябрь 2020 года были проведены сравнительные эксплуатационные испытания опытных партий биоразлагаемых моторных масел М-8Г₂Бс и М-8Г₂Бк с моторным маслом на нефтяной основе М-8Г₂, эксплуатируемое на постоянной основе в одинаковых условиях, в дизельных двигателях типа Д-144 № 2503760 на тракторе марки Т-40 фермерского хозяйства «Агросаноат Хосл Сервис» Бухарской области.

После проведённых испытаний, были отобраны образцы отработанных моторных масел и изучены их физико-химические характеристики в лабораторных условиях Института общей и неорганической химии (ИОНХ АН РУз). Сравнительные результаты исследования представлены в таблице 2.

Анализируя результаты таблицы 2, было установлено, что после работы масел М-8Г₂Бс (образец №1), М-8Г₂Бк (образец №2) и М-8Г₂ в тракторных дизельных двигателях в полевых условиях, масла М-8Г₂Бс, М-8Г₂Бк по физико-химическим характеристикам: кинематической вязкости, индекса вязкости, температуры застывания и показателя цветности на колориметре, на несколько пунктов оказались лучше, чем масло М-8Г₂ и все ещё соответствует стандартным требованиям, а также имеют полезный и надежный рабочий ресурс.

Установлено, что опытные образцы биоразлагаемых смазочных масел М-8Г₂Бс и М-8Г₂Бк удовлетворяют требованиям эксплуатации и обладают высокими качественными характеристиками в сравнении с отечественным маслом М-8Г₂, и соответствуют современным требованиям, предъявляемым к минеральным маслам.

Таблица 2.

Сравнительные результаты испытаний биоразлагаемых масел М-8Г2Бс, М-8Г2Бк и моторного масла М-8Г2 в эксплуатационных условиях

Следует отметить, что биоразлагаемые смазочные масла М-8Г₂Бс и М-8Г₂Бк получаемые из возобновляемых источников легко поддаются биологическому разложению, нетоксичны и являются “экологически чистыми”.

Полученные смазочные масла М-8Г₂Бс и М-8Г₂Бк могут применяться как моторные масла для автотракторных дизелей, трансмиссионные масла и гидравлические жидкости, используемых при возделывании почв, посеве, уборке и переработке сельскохозяйственных культур в полевых условиях, с целью повышения гигиенической и экологической безопасности.

Таким образом, вовлечение растительных масел, продуктов биологического происхождения, в состав смазочных материалов следует считать весьма перспективным.

Список литературы:

1. Голдовская Л.Ф. Химия окружающей среды. Изд. «МИР». Москва -2008, -295с.
2. Евдокимов А.Ю., И.Г.Фукс, Шабалина Т.Н., Багдасаров Л.Н. Смазочные материалы и проблемы экологии. –Москва: ГУП Издательство «Нефть и газ», 2000, - 423с. 
3. Тео Манг, Уилфрид Дрезель. Смазки. Производство, применение, свойства. - Санкт-Петербург, -2010, 632 с.
4. Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. // Под ред. В.М.Школьникова.-М.: Химия, 1999. - 432 с.
5. Хамидов Б.Н., Убайдуллаев Б.Х., Мирзаева М.М., Ганиева С.Х., Сманов Б.А. Уменьшение экологической опасности дизельного топлива и смазочных масел с использованием растительного сырья // Узбекский журнал нефти и газа. -2018. -№ 4. -С.52-54.
6. Петерсон Н.В., Курылян Е.К. Взаимоотношение групп микроорганизмов в почвах и рекультивируемых землях // Микробные сообщества и их функционирование в почве: Сб. науч. тр. - Киев: Наук. Думка, 1981 .-С. 173-179.
7. Бабьева И.П., Зенова Г.М.// Биология почв.-М.: Изд-во Московс. ун-та, 1983.-248с.