Регенерация отработанных моторных масел бентонитом Навбахарского месторождения и оптимизация их использования

АННОТАЦИЯ

Целью исследования являлась регенерация отработанных моторных масел. Изучено изменение условий регенерации отработанного моторного масла в результате адсорбционной очистки щелочноземельной глиной Навбахорского месторождения. Осуществленная регенерация позволяет практически полностью удалить из отработанного масла механические примеси, влагу и способствует его осветлению. Установлены оптимальные условия регенерации. Методом ИК-спектроскопией констатировано удаление вторичных продуктов, образующихся в процессе использования моторного масла при сохранении в нем основных компонентов, определяющих эксплуатационную пригодность продукта. В результате определена возможность применения глины Навбахорского месторождения для адсорбционной очистки отработанного моторного масла.

ABSTRACT

The aim of the study was the regeneration of used engine oils. The change in the conditions for the regeneration of used engine oil as a result of adsorptive cleaning with alkaline earth clay from the Navbakhor deposit has been studied. The carried out regeneration allows almost completely removing mechanical impurities, moisture from the waste oil and contributes to its clarification. The optimal conditions for regeneration have been determined. By means of IR spectroscopy, the removal of secondary products formed during the use of engine oil while retaining the main components that determine the serviceability of the product has been established. As a result, the possibility of using clay from the Navbakhor deposit for the adsorption purification of used engine oil was determined.

Ключевые слова: отработанное моторное масло, адсорбция, бентонит, ИК-спектроскопия.

Keywords: used engine oil, adsorption, bentonite, IR spectroscopy.

Существующие на сегодняшний день способы получения и составы пластичных смазок предполагают использование дорогостоящих и ограниченных ресурсов, таких как нефтяные базовые масла и присадки, а технологии их производства энергоемки и высокозатратны.

Отработанные моторные масла (ОММ) представляют собой продукт, требующий утилизации, при этом они содержат сильно загрязненную основу масла и остаточный запас присадок, которые при определенных условиях могут быть использованы при производстве вторичных масел и смазок [1: 52-54].

Практически отсутствуют научные разработки в области получения высоко востребованных в АПК смазок Солидол Ж и Литол – 24 на основе отработанных масел.

Целенаправленная переработка ОММ во многих странах, в том числе и в Узбекистане, в промышленном масштабе не осуществляется, а повторное использование не приемлемо, так как ОММ не соответствуют требованиям ГОСТа на моторное масло.

Основным препятствием для переработки ОММ в настоящее время является отсутствие эффективной системы сбора и регенерации. Кроме того нет методик регенерации позволяющие довести масло до ГОСТовским требованиям. В подавляющем большинстве современных схем для регенерации отработанных масел применяется адсорбционная очистка синтетическими или природными сорбентами. Бентониты, палыгорскиты и др. глины нашли широкое применение в качестве сорбентов [2: 233-234].

Бентониты, палыгорскиты и др. глины, с точки зрения их доступности, являются оптимальными реагентами адсорбционной очистки для Узбекистана, так как в республике разведано большое количество месторождений с промышленными запасами алюмосиликатов – глин, глинистых образований и другие. Например, за последние годы в Узбекистане начато промышленное освоение Навбахорского месторождения глин в Навоийской области. Специфической особенностью глин данного месторождения, в качестве адсорбентов, заключается в том, что в месторождении одновременно добываются 3 вида глинистых минералов: щелочной бентонит; щелочно-земельный бентонит; карбонатный-палыгорскит.

Для достижения вышеуказанной цели в работе проводились исследования по извлечению из отработанного моторного масла влаги, механической примеси, а также непредельных углеводородов, сернистых и азотистых соединений щелочноземельным бентонитом Навбахорского месторождения для получения высококачественных смазок на основе регенерированных отработанных моторных масел.

Химический состав бентонитов и палыгорскита Навбахорского месторождения, определены по методу [3: 18-20] и представлены в работе [4: 34-36].

Состава и свойств масла определили по следующим методам:

-метод определения плотности: ГОСТ 18481-81;

-метод определения кинематической и расчет динамической вязкости: ГОСТ 33-82;

-температура вспышки и воспламенения в открытом тигле: ГОСТ 4333-87;

-температура текучести и застывания нефтепродуктов: ГОСТ 20287-91;

-число нейтрализации (кислотное и щелочное числа) потенциометрическим титрованием: ГОСТ 11362-96;

-нерастворимые осадки для масел моторных отработанных: ГОСТ 20684-75;

-наличие воды в маслах и смазках: ГОСТ 1547-84.

В процессе очистки ОММ отстаивали, адсорбировали, затем центрифугировали и отфильтровали.

Бентонит, Навбахорского месторождения которую использовали для адсорбции, предварительно измельчили и высушили в печи при температуре 130 °С. Затем ее размалывали маленькими частями в фарфоровой чашке. После этого глину разделили на фракции, просеивая её через сита на 0,25 мм и 0,073 мм. Для процесса адсорбции применялись фракции +0 ÷ -0,073 мм и +0,073÷ -0,25 мм.

Для регенерации была отобрана отработанное моторное масло марки «SHELL HelixHX8 5W/30».

Процесс адсорбционной очистки ОММ осуществили следующим образом. В градуированный цилиндр емкостью 1000 мл поместили 500 мл ОММ. В масло добавляли заданное количество щелочноземельного бентонита (от 2 до 7 % от объема масла). Адсорбционную очистку проводили в течение двух часов, при температуре 120 °С. Количество осветленного масла фиксировали по шкале в цилиндре. Бентонит, отработанный в процессе регенерации является отходом и требует утилизации, а это уже экологический фактор. По результатам исследования было выбрано оптимальное соотношение бентонита, а именно 3 %.

Удаления взвешенных частиц, включая бентонит, проводили путем центрифугирования, а именно масло, нагретое до 80 °С, декантировали и залили в стаканы центрифуги на 3/4 объема. При центрифугировании использовали скорость вращения 3000 оборотов в минуту в течение 10 минут. После завершения центрифугирования масло отлили в колбу.

Из каждой пробы часть масла отфильтровали. Для фильтрования масло нагрели до 80 °С. Процесс фильтрования провели в колбе Бунзена через стеклянную воронку. В качестве фильтра использовали плотное сукно. Чтобы определить эффективность фильтра параллельно профильтровали начальное ОММ.

Для определения происходящих изменений в масле в процессе очистки использовался метод ИК-спектроскопии. Спектры регистрировали на ИК-Фурье-спектрометре Перкин-Элмер РЕ-100 в области 4000-650 см^-1.

Сопоставив физико-химические характеристики отработанных моторных масел до и после очистки методом адсорбции щелочноземельным бентонитом Навбахарского месторождения, можно заметить что, при наличии в масле кислорода и воды, масло окисляется даже при идеальных условиях. На состояние изоляционного масла также влияют загрязнения, появляющиеся от твердых выделений двигателя, которые вымываются в масло с помощью моющих присадок имеющихся в моторном масле.

Нами было проведено исследование образца отработанного моторного масла, подвергнутого регенерации с использованием глинистого сорбента. ИК- спектры отработанного и очищенного методом адсорбции моторного масла приведены на рисунке 1.

Спектр не очищенного методом адсорбции отработанного масла содержит полосы поглощения валентных колебаний С–Н связей в области 2854 и 2924 см^-1 и деформационных колебаний в области 1458 и 1377 см^-1. Обращает на себя внимание широкая полоса поглощения в области 1610 см^-1. Ширина полосы поглощения в этой области свидетельствует о наличии в отработанном масле большого разнообразия алкилбензолов. В процессе эксплуатации моторных масел происходит увеличение их ароматичности. Изменение концентрации ароматических углеводородов наглядно подтверждается наличием в ИК спектрах широкой полосы поглощения в области 1600- 16010 см^-1, характеризующей скелетные колебания С–С цикла ароматических углеводородов.

Из ИК- спектра очищенного отработанного масла методом адсорбции щелочноземельным бентонитом Навбахарского месторождения, видно, что широкая полоса поглощения, характерная ароматическим соединениям, в области 1610 см^-1 сужается и сдвигается в область 1605 см^-1. Такой сдвиг косвенно подтверждает эффективность очищения отработанного моторного масла методом адсорбции щелочноземельным бентонитом в результате, которого из масла удаляются сопутствующие алкилбензолам примеси.

Рисунок 1. ИК- спектры очищенного методом адсорбции (нижний спектр) и исходного отработанного, моторного масла(верхний спектр)

По интенсивности пиков поглощения карбонильной группы С=О нефтяных кислот (1714 см^-1) можно судить о кислотном числе масла. Присутствие в ИК спектре полоса поглощения в области 1936 – 1937 см^-1 свидетельствует о образовании бензокислот в процессе эксплуатации масла за счет окисления, моно- и 1,2-ди-замещенных бензолов, а также снижение интенсивности этой полосы поглощения, в очищенном отработанном масле, до минимума свидетельствует об адсорбции бензолов бентонитовым сорбентом.

Изучение процессов, происходящих при взаимодействии адсорбента и отработанного моторного масла показало, что на поверхности адсорбента протекает физическая адсорбция (поглощение, взвешенных в масле микрочастиц и как следствие изменение оптической плотности – прозрачности) В процессе очистки отработанного масла, преобладающую роль в адсорбции играет как удельная поверхность адсорбента, так и химическое взаимодействие между реагентами, которая зависит от природа адсорбента.

Появление в результате эксплуатации в моторного масла непредельных и ароматических углеводородов, не удаляющихся при очистке масла методом адсорбции свидетельствует о изменении исходного углеводородного состава масла. При этом как следует из анализа ИК- спектров и результатов определения кислотного числа, при очистке отработанного масла методом адсорбции с использованием щелочноземельного бентонита, основные компоненты масла, определяющие ее эксплуатационную пригодность сохраняются а продукты окисления в результате эксплуатации удаляются.

У очищенного масла методом адсорбции (таблицы 1) температура застывания ниже на 7−8 °С. По литературным данным нейтрализация депрессорных присадок привело к снижению температуры застывания, чему повлияло значительное содержание смолисто-асфальтеновых веществ. Наряду с изменение оптической плотности (прозрачности), понижение температура застывания может косвенно свидетельствовать о адсорбцией смолисто-асфальтеновых соединений при очистке масла. Удаление смолисто-асфальтеновых веществ из масла активирует действия остаточных депрессорных присадок и как следствие понижению температуры застывания.

Увеличение температуры вспышки на 14 °С. у очищенного методом адсорбции отработанного масла обусловлена наличием в нем низкомолекулярных углеводородов образующихся за счет трения при высокой температуре в двигателе внутреннего сгорания. Проведение процесса очистки методом адсорбции при температуре 120 °С привело к отгону из масла горючего и воды. Отгон горючего привел также к незначительному увеличению вязкости при 100 °С с 8 до 10 мм²/с, что объясняется отсутствием низкомолекулярных углеводородов в очищенном масле.

При очистке также произошло уменьшение кислотного числа в 2 - 2,5 раза, что обусловлено использованием в качестве адсорбента щелочноземельного бентонита. Снижение содержания кислот в масле на 1,4 мг КОН/г недостаточно для восстановления ОММ до нужных требований (табл. 1).

Таблица 1.

Физико-химические характеристики отработанных моторных масел до и после очистки методом адсорбции щелочноземельным бентонитом Навбахарского месторождения.

Из таблицы 1 видно, что произошло понижение щелочного числа с 6,7 до 5,5. Показатель щелочного числа обуславливается присутствием остаточных антиокислительных и иных присадок. В состав некоторых антиокислительных присадок входят нафтеновые кольца, за счет которых, скорее всего, произошла поглощение этих присадок.

В результате адсорбции и центрифугирования общее содержание механических примесей уменьшилось, но содержание несгораемых примесей увеличилось. Это говорит о том, что после адсорбции и центрифугирования органические примеси адсорбировались. Но в результате центрифугирования глина целиком не осаждена, так как частицы меньше 12,5 мкм оказались седиментационно устойчивыми. В процесс фильтрации содержание механических примесей уменьшилось в 1,5-2 раза. В результате фильтрования через плотное сукно большая часть глины осталась на фильтре. Фильтрация ОММ без предварительной адсорбции может только уменьшить количество примесей. Это доказывает, что использование только фильтрации для очистки ОММ малоэффективно.

Удельная поверхность глины +0 ÷ -0,073 мм схожа по величине к удельной поверхности фракции +0,073 ÷ -0,25 мм. Уровень очистки для двух фракций одинакова (табл. 1). Исходя из этого, возможно предположить, что для эффективной очистки ОММ можно применить фракцию +0,073 ÷ -0,25 мм. Применение для очистки фракции +0 ÷ -0,073 мм неэффективно, так как свойства масла были такие же, как и при применении фракции +0,073 ÷ -0,25 мм, глины не удалилась из-за высокой седиментационной устойчивости и проблем фильтрования.

При этом очищенные или базовые масла вторичной переработки все шире применяются в производстве пластичных смазок. Очищенное методом адсорбции отработанное масла может найти применение в производстве пластических смазок. В настоящее время авторами исследования ведутся работы в направлении расширения сырьевой базы производства пластичных смазок путем подбора регенерированных продуктов нефтепереработки.

В результате использования щелочноземельной глины Навбахарского месторождения Узбекистана для адсорбционной очистки отработанного моторного масла доказана равноценность очистки фракциями глины +0 ÷ -0,073 мм и +0,073 ÷ -0,25 мм. Использование мелкой фракции (+0 ÷ -0,073 мм) нецелесообразно из-за трудности ее удаления после адсорбции. Определено, что адсорбционный способ очистки отработанных масел позволяет максимально удалять из отработанного масла механические примеси, влагу и способствует его осветлению. Установлены оптимальные условия регенерации. Методом ИК-спектроскопии показано, что в результате регенерации масел удаляются или нейтрализуются продукты окисления при сохранении основных компонентов масла, определяющих эксплуатационную пригодность продукта. Таким образом, показано, что природный щелочноземельный бентонит Навбахарского месторождения является адсорбционно-активным материалом и при его использовании решается проблема загрязнения охраны окружающей среды и рационального использования отработанных моторных масел в качестве дисперсионной среды при производстве пластичных смазок.

Список литературы:

1. Азимова Ш. А., Арсланов Ш. С., Азимов Д. М., Арипджанов О. Ю. Литиевые смазки с добавками отработанных моторных масел // Нефть и газ Узбекистана. – 2020. − № 1. − С. 52-54.
2. Азимова Ш. А., Азимов Д. М. Разработка технологии переработки отработанных масел в Узбекистане // Сборник тезисов студенческой конференции «Нефть и газ − 2020». − 29 февраля 2020 г. − С. 233-234.
3. Тошев Ш. О., Нуруллаева З. В., Хожиева Р. Б. Содержание химических соединений и дисперсный состав бентонитов и палыгорскита Навбахорского месторождения палыгорскита // Наука и образование сегодня. − 2016. − № 2 (3) – С. 18-20.
4. Мирзаев А.Ю., Черненко Г.В., Глушенкова А.И., Чинникулов К.Х. Сорбционные свойства бентонитовых глин Навбахорского месторождения // Узбекский химический журнал. – 1999. − № 5. − С. 34-36.