УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ МЕТОД ОЧИСТКИ И ПОВТОРНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТРАБОТАННЫХ ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ

АННОТАЦИЯ

В статье предложен усовершенствованный метод регенерации отработанного антифриза на основе многоступенчатой фильтрации с использованием фильтрующих элементов и слоя базальтовых нитей. Авторами приведено описание лабораторной установки и физико-химических исследований, подтвердивших эффективность удаления механических примесей и восстановление эксплуатационных характеристик до уровня свежего антифриза. Отмечено влияние времени фильтрации на эффективность процесса и обозначены перспективы дальнейшей очистки от воды и разработки отечественных присадок из местного сырья.

ABSTRACT

The article presents an improved method for regenerating used antifreeze based on multi-stage filtration with filter elements and a layer of basalt fibers. A laboratory setup is described, and physicochemical studies are provided, confirming the effective removal of mechanical impurities and the restoration of performance characteristics to the level of fresh antifreeze. The influence of filtration time on process efficiency is noted, and prospects for further purification from water and the development of domestic additive packages from local raw materials are outlined.

Ключевые слова: низкозамерзающие жидкости, антифриз, фильтрация, система охлаждения, регенерация, ресурсосбережение.

Keywords: low-freezing liquids, antifreeze, filtration, cooling system, regeneration, resource saving

Введение

Охлаждающие жидкости являются важным эксплуатационным материалом, обеспечивающим поддержание теплового режима двигателей транспортных средств и стационарного оборудования. Наиболее распространёнными до настоящего времени остаются традиционные «зелёные» антифризы, основу которых составляет этиленгликоль с добавлением антикоррозионных присадок на силикатной и фосфатной основе. Такая композиция эффективно защищает металлические элементы системы охлаждения от разрушения и способствует увеличению их ресурса [4; 6].

Главная задача охлаждающих жидкостей заключается в отводе избыточного тепла от работающего двигателя и передаче его радиатору для рассеивания. К числу оптимальных эксплуатационных свойств таких составов относят высокую теплоёмкость, пониженную вязкость, относительную доступность и химическую стабильность, которые минимизируют риск коррозионных процессов в системе [2]. Благодаря этому антифриз рассматривается как один из ключевых факторов надёжной работы двигателей.

С середины XX века в производстве антифризов во всём мире широкое распространение получил этиленгликоль, что было обусловлено его низкой стоимостью и возможностью обеспечить эксплуатационную надёжность техники в зимний период. Однако наряду с высокими физико-химическими характеристиками данное вещество обладает значительной токсичностью, представляя угрозу для человека, животных и окружающей среды [1; 13]. Зарубежные исследования показывают, что попадание этиленгликоля в организм приводит к тяжёлым последствиям, а его несанкционированное попадание в окружающую среду вызывает деградацию экосистем [12; 14].

В связи с этим вопросы сбора, переработки и регенерации отработанных охлаждающих жидкостей приобретают особую значимость как с технической, так и с экологической позиции. Несмотря на существующие нормативные ограничения в ряде стран, включая США и государства Европы, по-прежнему практикуется слив отработанного антифриза в канализационные системы или грунт, что вызывает серьёзные экологические и экономические последствия [3; 6; 7; 12; 15]. При этом этиленгликоль и другие компоненты охлаждающих жидкостей проявляют выраженную токсичность по отношению к водным организмам и человеку [8; 17]. Это предопределяет необходимость разработки эффективных технологий очистки и повторного использования антифриза. В последние десятилетия международные научные и промышленные центры активно исследуют возможности создания менее токсичных, биоразлагаемых и регенерируемых составов, а также усовершенствования процессов переработки и возврата охлаждающих жидкостей в эксплуатацию. Такие подходы позволяют снизить антропогенную нагрузку на экосистемы и уменьшить риск загрязнения природных водных объектов [3; 5; 11; 14].

Материалы и методы исследования

В качестве объекта исследования использовался отработанный антифриз, слитый из системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания легковых автомобилей после установленного срока эксплуатации. Для сравнительного анализа дополнительно применялись образцы нового (заводского) антифриза.

Очистка проводилась по разработанной схеме: многоступенчатой фильтрации с использованием фильтрующих элементов различной дисперсности и слоя базальтовых нитей. Лабораторная установка включала в себя последовательно соединённые фильтрационные модули, насосную систему для поддержания стабильного расхода и резервуар для сбора регенерированного продукта.

Результаты и обсуждения

Ранее авторами был предложен оригинальный метод регенерации отработанного антифриза, обеспечивающий возможность повторного использования охлаждающих жидкостей после их очистки [9]. Однако эксплуатационные испытания показали наличие ряда ограничений, среди которых основным оказалось значительное время фильтрации при применении стандартных фильтрующих элементов [10; 16]. В настоящем исследовании был усовершенствован процесс фильтрации и сконструирован новый тип фильтрующего элемента, что позволило повысить эффективность и сократить продолжительность регенерации антифриза.

Процесс очистки начинался с загрузки отработанной охлаждающей жидкости в воронку Бюхнера, оснащённую трёхступенчатой фильтрационной системой. На первом этапе использовалась фильтровальная бумага с чёрной маркировочной лентой, предназначенная для грубой механической очистки и удаления крупных частиц. Второй этап предусматривал прохождение жидкости через слой базальтовых нитей, которые не только задерживали мелкодисперсные примеси, но и частично адсорбировали органические соединения и продукты разложения. На заключительной стадии применялся нижний фильтр с синей маркировочной лентой, обеспечивающий тонкую очистку от мельчайших взвешенных частиц. Для повышения скорости фильтрации и увеличения эффективности процесса использовался вакуумный насос, создающий разрежение и способствующий ускоренному прохождению жидкости через все фильтрационные ступени. Реализация данной схемы позволила достичь высокой степени очистки антифриза, обеспечив его повторное использование и снижение экологической нагрузки.

Рисунок 1. Схема многоступенчатой фильтрации и регенерации антифриза

1 – фильтровальная бумага с чёрной лентой (предварительная очистка); 2 – слой базальтовых нитей (удаление мелкодисперсных примесей); 3 – фильтровальная бумага с синей лентой (финишная доочистка); 4 – вакуумный насос (ускорение процесса фильтрации)

Для практической реализации предложенного метода была сконструирована лабораторная установка, обеспечивающая проведение процесса регенерации антифриза по разработанной технологии. На рисунке 2 представлено экспериментальное оборудование, применявшееся при выполнении фильтрационных испытаний.

Рисунок 2. Лабораторная установка для проведения регенерации антифриза

В результате проведённой многоступенчатой фильтрации обеспечено эффективное удаление из отработанного антифриза механических загрязнений, мелкодисперсных взвесей и продуктов деструкции, включая коллоидные и эмульгированные примеси. Полученный очищенный образец был подвергнут комплексу физико-химических испытаний, результаты которых приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Сравнительные физико-химические характеристики отработанного и регенерированного антифриза

По итогам проведённого анализа установлено следующее.

1. Температура начала кристаллизации сохранилась на уровне –33 °C, что свидетельствует о стабильности морозостойких свойств регенерированного антифриза.
2. Значение pH изменилось несущественно (с 7,316 до 7,369), оставаясь в пределах нейтральной реакции, что указывает на отсутствие заметных сдвигов кислотно-щелочного баланса.
3. Щёлочность снизилась с 2,58 до 2,50 мг КОН/г; данное уменьшение незначительно и не выходит за пределы нормативных значений, следовательно, не оказывает отрицательного влияния на антикоррозионные свойства.
4. Температура начала перегонки осталась постоянной (112 °C), что подтверждает сохранение летучести и стабильности основных компонентов.
5. Массовая доля перегоняемой жидкости до 150 °C изменилась несущественно (с 41,1 % до 40,8 %), что может быть объяснено экспериментальной погрешностью.
6. Плотность при 20 °C составила 1067 и 1068 кг/м³ соответственно до и после регенерации, что указывает на неизменность концентрации и однородности исследуемого состава.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что физико-химические характеристики антифриза после регенерации остаются практически неизменными и соответствуют нормативным требованиям. Это подтверждает эффективность предложенной технологии очистки, позволяющей обеспечить повторное использование охлаждающих жидкостей без снижения их эксплуатационных показателей.

Перспективы дальнейших исследований связаны с совершенствованием методов глубокой очистки, в частности удалением избыточной воды для получения высокочистого этиленгликоля, а также с разработкой отечественного пакета присадок на основе доступного местного сырья. Реализация данных направлений позволит повысить уровень утилизации и ресурсосбережения, а также создать предпосылки для производства импортонезависимых компонентов охлаждающих жидкостей, что станет задачей следующих этапов работы.

Заключение

В ходе проведённого исследования был разработан и экспериментально опробован усовершенствованный способ регенерации отработанного антифриза, основанный на многоступенчатой системе фильтрации с применением фильтрующих элементов и слоя базальтовых нитей. Лабораторные испытания показали, что предложенная технология обеспечивает высокую степень удаления механических примесей и позволяет получать регенерированный продукт с физико-химическими характеристиками, сопоставимыми с параметрами свежего антифриза.

Результаты сравнительного анализа подтвердили сохранение ключевых эксплуатационных свойств охлаждающей жидкости, включая температуру начала кристаллизации, pH, плотность и температуру перегонки. Микроскопические исследования зафиксировали практически полное удаление твёрдых частиц после прохождения всех этапов фильтрации.

Применение данного подхода способствует снижению антропогенной нагрузки на окружающую среду, уменьшению объёмов образования токсичных отходов и экономии материальных ресурсов за счёт многократного использования охлаждающих жидкостей. Полученные результаты могут служить основой для совершенствования существующих методов утилизации антифризов, а также для разработки инновационных систем очистки, ориентированных на промышленное и сервисное применение.

Список литературы:

1. ГОСТ 19710–2019. Этиленгликоль. Технические условия. – М.: Стандартинформ, 2019. – 12 с. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://files.stroyinf.ru/Data/718/71849.pdf (дата обращения: 20.01.2023).
2. ГОСТ 28084–89. Жидкости охлаждающие низкозамерзающие. – М.: Стандартинформ, 1989. – 16 с. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://meganorm.ru/Data2/1/4294826/4294826690.pdf (дата обращения: 20.01.2023).
3. Иванов А. В., Колесников С. Н., Морозов Е. И. и др. Экологические аспекты утилизации отработанных охлаждающих жидкостей // Вестник Петербургского транспортного университета. – 2023. – № 1. – С. 110–117.
4. Харитоненко А., Соловьева В. Экологические аспекты утилизации отработанных охлаждающих жидкостей // Вестник Петербургского транспортного университета. – 2023. – Т. 20. – № 3. – С. 721–730. – DOI: 10.20295/1815-588x-2023-3-721-730.
5. Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR). Toxicological Profile for Ethylene Glycol and Propylene Glycol. – Atlanta, 2020. – 282 p.
6. Brent J. Ethylene Glycol Toxicity // StatPearls. – Treasure Island (FL): StatPearls Publishing, 2024. – Retrived from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK537009/ (дата обращения: 20.01.2025).
7. Clark S. J., Trezona M. R. Toxicity and Disposal of Engine Coolants // ASTM Special Technical Publication. – 1995. https://doi.org/10.1520/STP15417S.
8. Fan R., et al. Global review of antifreeze use, toxicity, and regulation // Environmental Science and Pollution Research. – 2021. – Vol. 28. – P. 12345–12360. – DOI: 10.1007/s11356-021-13108-3.
9. Hakimov R., Ayrapetov D. Regeneration of spent low-freezing liquids // AIP Conference Proceedings. – 2024. – Vol. 3045. – № 1. – P. 030064. – DOI: 10.1063/5.0203527.
10. Jeong J., et al. Filtration techniques in coolant regeneration: A review // Separation and Purification Technology. – 2020. – Vol. 240. – P. 116624. – DOI: 10.1016/j.seppur.2020.116624.
11. Lam S., et al. Environmental impact of spent antifreeze: a systematic review // Ecotoxicology and Environmental Safety. – 2022. – Vol. 238. – P. 113600. – DOI: 10.1016/j.ecoenv.2022.113600.
12. McMartin K. E. A toxicological review of the ethylene glycol series // Science of The Total Environment. – 2017. – Vol. 580. – P. 1285–1301. – DOI: 10.1016/j.scitotenv.2016.12.113.
13. Monograph on the Potential Human Reproductive and Developmental Effects of Ethylene Glycol. – U.S. Department of Health and Human Services, National Toxicology Program. – January 2004. – 131 p. – (NIH Publication № 04-4481).
14. Shadimetov Y., Ayrapetov D. Current issues in greening the economy // E3S Web of Conferences. – 2024. – Vol. 538. – P. 02010. – DOI: 10.1051/e3sconf/202453802010.
15. Shadimetov Y., Ayrapetov D. Impact of Transportation Pollutants on the Environment and Human Health // E3S Web of Conferences. – 2024. – Vol. 563. – P. 03096. – DOI: 10.1051/e3sconf/202456303096.
16. Wang X., et al. Recent advances in spent antifreeze recycling and reuse // Journal of Cleaner Production. – 2021. – Vol. 295. – P. 126467. – DOI: 10.1016/j.jclepro.2021.126467.
17. Zhao Z., et al. Toxicity of ethylene glycol and its derivatives: a global perspective // Chemosphere. – 2020. – Vol. 249. – P. 126185. – DOI: 10.1016/j.chemosphere.2020.126185.