Исследование физико-химических свойств и химического состава отработанных моторных масел

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты определения физико-химических свойств отработанных моторных масел. Определены относительная плотность, вязкость, температура вспышки, фракционный состав, содержание механических примесей и воды отработанных масел различных марок, выбранных в качестве объекта исследования. А также изучен химический состав этих масел ИК-спектральным анализом.

ABSTRACT

The article presents the results of determining the physical and chemical properties of used engine oils. The relative density, viscosity, flash point, fractional composition, content of mechanical impurities and water of waste oils of various brands selected as the object of research are determined. The chemical composition of these oils was also studied by IR spectral analysis.

Ключевые слова: относительная плотность, вязкость, температура вспышки, мехпримеси, содержание воды, фракционный состав, shell, micking, ecomobil, функциональная группа, кислородосодержащие вещества, азотосодержащие вещества.

Keywords: relative density, viscosity, flash point, mechanical impurities, water content, fractional composition, shell, micking, ecomobil, functional group, oxygen-containing substances, nitrogen-containing substances.

Введение. Бурное развитие мировой химической и нефтегазовой промышленности привело к увеличению спроса на высококачественные топлива и масла для двигателей внутреннего сгорания. Углубление переработки сырья и расширение ассортимента выпускаемой продукции является движущей силой современной нефтехимической отрасли. По мере увеличения спроса на моторное топливо и масла растет и экологические требования к автомобильным отходам. Вопросы экологической безопасности хранения, переработки и использования автомобильных отходов являются очень сложными, и имеют ряд особенностей для каждого вида отходов.

В Узбекистане ежегодно растёт количество транспортных средств, и на данный момент этот показатель составляет более 3 миллиона автомобилей. В результате в стране ежегодно образуются миллионы тонн отработанного моторного масла в виде отходов, что, несомненно, представляет значительную угрозу для окружающей среды. Проблема увеличения количества автотранспортных средств и отходов нефтепродуктов от отработанных моторных масел является актуальной в нашей стране.

Регенерация и утилизация отработанных моторных масел является важной научно-технической проблемой, так как это техногенные отходы, которые весьма негативно влияют на объекты окружающей среды, т.е. атмосферу, почву и воду. На загрязнение воды только отработанными отходными нефтяными маслами приходится 20% антропогенного загрязнения, или 60% от общего загрязнения нефтепродуктами. При этом, путём развития процессов их переработки, в частности переработки отработанных моторных масел вместо обычного сбора отходов, можно получить перспективные источники энергии, рациональное использование которых позволит снизить себестоимость нефтехимической продукции в нашей стране и обеспечить рост экономии. Самая главная проблема – это сбор отработанного моторного масла. Вероятность сбора: моторных и индустриальных масел – до 20-40%, трансформаторных масел – 80-90% от объема отходов. Мировой сбор использованных смазочных материалов составляет примерно 15 млн. тонн в год, большая часть (70-90%) которого сжигается как топливный компонент. Во многих странах мира до сих пор не организован централизованный сбор отработанных смазочных материалов. Данный показатель в Европе является самым высоким, сбор отработанных смазочных материалов составляет примерно 57% (до 1,6 млн. тонн в год), а их использование в качестве топлива составляет 60%. [1]

В связи с чем, важное значение на сегодняшний день имеет возможность восстановить и рационально использовать рабочие показатели моторных масел, используемых в нефтегазоперерабатывающей и нефтехимической отраслях в целях получения полезных целевых продуктов. Исходя из указанной научно-технической проблемы, исследование способов и разработка технологии переработки отработанных моторных масел, используемых для получения полезных для народного хозяйства целевых продуктов, остаётся актуальной задачей для ученых и специалистов в области нефтехимии и переработки нефти и газа.

Объект и методы исследования. В качестве объекта исследования были использованы образцы отработанных моторных масел Shell 5W-30 (API SL, ACEA A3/B4), Ecomobil 10W-40 (API SF/CD/CF), Micking 5W-30 (API SN) [2-4].

В проведении исследования были использованы современные методы анализа для определения физико-химических свойств нефтяных масел и смазочных материалов в соответствии с международными (ГОСТ, ASTM) и государственными стандартами.

Исследованы следующие физико-химические свойства выбранных отработанных моторных масел согласно Государственным стандартам:

- относительная плотность – определение плотности моторного масла, использованного в данном эксперименте, проводилось в соответствии с требованиями ГОСТ 3900-85 [5].

- кинематическая вязкость – определение кинематической вязкости моторного масла, использованного в данном эксперименте, проводилось по ГОСТ 31391-2009 [6].

- содержание воды – наиболее распространенным и высокоточным методом определения содержания воды в нефти и нефтепродуктах является метод Дина-Старка [7].

- количество механических примесей –  определение механических примесей в моторном масле проводилось по ГОСТ 6370-2018 [8].

- температура вспышки – определена по ГОСТ 4333-2014 [9].

- фракционный состав – определение фракционного состава моторного масла, использованного в данном эксперименте, проводилось в соответствии с требованиями ГОСТ 2177-99 [10].

Результаты исследования. На первом этапе исследования были определены вышеприведенные показатели отработанных моторных масел марок: Shell 5W-30 (API SL, ACEA A3/B4), Ecomobil 10W-40 (API SF/CD/CF), Micking 5W-30 (API SN). Результаты исследования представлены в таблице 1.

Фракционный состав отработанных моторных масел марок: Shell 5W-30 (API SL, ACEA A3/B4), Ecomobil 10W-40 (API SF/CD/CF) и Micking 5W-30 (API SN) определен на приборе Энглера. При этом установлены температуры начала кипения (н.к.) и конец кипения (к.к.), выход дистиллятов для температурного интервала, при котором температура повышался каждые 10°С. Полученные результаты приведены в таблице 2.

Проводили ИК-спектроскопический анализ отработанных моторных масел для определения различных функциональных групп в их составе. Образец снят на ИК-спектрометре Spectrum 65 в кювете из KBr. На рисунке представлены ИК-спектры отработанных моторных масел марок: Shell 5W-30 (API SL, ACEA A3/B4), Ecomobil 10W-40 (API SF/CD/CF), Micking 5W-30 (API SN).

Таблица 1.

Физико-химические свойства отработанных моторных масел

Таблица 2.

Фракционный состав по Энглеру отработанных моторных масел

а)

б)

в)

Рисунок. ИК-спектры отработанных моторных масел:

а) Shell 5W-30 (API SL, ACEA A3/B4); б) Ecomobil 10W-40 (API SF/CD/CF); в) Micking 5W-30 (API SN)

ИК – спектры отработанных масел Shell 5W-30 (API SL, ACEA A3/B4) и Micking 5W-30 (API SN) показали, что они имеют полосы характерные для -CO-NH₂ и свободных О-Н связей (3680,18 см^-1, 3676,32 см^-1), означает, что при эксплуатации моторных масел в условиях высокого температурного режима протекают процессы окисления и разложения, что в результате образуются сложные соединения азотосодержащих и кислородосодержащих веществ. На ИК-спектрограмм всех образцов отработанных масел сильно отличаются пики в диапазоне 2952-2852 см^-1, что они имеют полосы характерные для метоксигруппы Alk-O-CH₃ и Ar-O-CH₃. Также на ИК-спектрограмм образцов можно обратит внимание на полосы характерные для: O-CH₃ связей (1458 см^-1), C(CH₃)₂ связей (1377 см^-1), алифатические -Н₂С-СО-СН₂- (1749 см^-1), ароматические и винильные =С-О-С (1274 см^-1), алифатические -С-О-С трет С₃С-О (1149, 1153 см^-1). Отчетливо проявляется для всех образцов одинаковый диапазон 721,38 см^-1 – признак наличия алканов, то есть парафиновых углеводородов.

Заключения. В качестве объекта исследования были использованы образцы синтетических и синтетико-минеральных масел различных торговых марок, производящих самые качественные моторные масла в мире для различных автомобилей, и проведен анализ изменений их качества после использования. По результатам анализа, представленным в таблицах 1,2, относительная плотность отработанных моторных масел находится в пределах 0,832-0,863 г/см³, содержание воды в пределах 0,01-0,06% (масс), количество механических примесей составляет 0,001-0,029% (масс.), а также определено, что почти 10 % состава этих отработанных моторных масел состоит из фракций, кипящих в интервале температур 200-350°С. Результаты ИК-спектрального анализа показывают, что отработанные моторные масла разлагаются под воздействием высокой температуры и механического трения, а также параллельно протекает процесс окисления углеводородов в насыщенном кислородном среде, что приводит к образованию различных азото- и кислородосодержащих веществ и различных примесей. Исходя из результатов исследования, в будущем планируется очистка отработанных моторных масел от воды, механических частиц и различных продуктов реакций путём использования различных способов, а также получение топливных дистиллятов из очищенных моторных масел.

Список литературы:

1. Сафаров, Ж. А., Хайитов, Р. Р., Муродов, М. Н., & Жумаева, М. Т. (2019). Комплексная переработка отработанных моторных масел с получением ценных продуктов. Теория и практика современной науки, (4), 201-206.
2. Жасур, Сафаров, Шахноза Комиловна Бакиева, and Зарина Валиевна Нуруллаева. "Технологические схемы процессов депарафинизации." Наука и образование сегодня 3 (4) (2016).
3. Alijon o’g’li, Safarov Jasur, Haydarov Latifjon Rustamovich, and Temirov Alisher Hoshim og’li. "Restoring the quality of used engine oils." In Euro-Asia Conferences, vol. 1, no. 1, pp. 29-33. 2021.
4. Alijon o’g’li, Safarov Jasur. "Choice of refining method and complex processing of used oils to obtain valuable products." EPRA International Journal of Multidisciplinary Research (IJMR): 75.
5. ГОСТ 3900 -85 Нефть и нефтепродукты методы определения плотности
6. ГОСТ 31391-2009 Нефтепродукты Прозрачные и непрозрачные жидкости метод определения кинематической вязкости и расчет динамической вязкости
7. ГОСТ 2477-2014 Нефть и нефтепродукты метод определения содержания воды
8. ГОСТ 6370-2018 Нефть, нефтепродукты и присадки метод определения механических примесей
9. ГОСТ 4333-2014 (ISO 2592:2000) Нефтепродукты методы определения температур вспышки и воспламенения в открытом тигле
10. ГОСТ 2177 -99 Нефтепродукты методы определения фракционного состава