ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭФИРОВ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВОЙСТВ ДИЗЕЛЬНЫХ ТОПЛИВ

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты исследований по применению эфиров целлюлозы — диацетата, триацетата и их смесей — в качестве депрессорных присадок к дизельным топливам для улучшения их низкотемпературных характеристик. Обоснована актуальность использования нетоксичных полимерных соединений природного происхождения, обладающих способностью предотвращать образование пространственной структуры парафиновых кристаллов при охлаждении топлива. В ходе экспериментов растворы диацетата и триацетата целлюлозы вводились в дизельное топливо в различных концентрациях (0,001–0,1 % мас.), что позволило установить их выраженную депрессорную активность. Полученные результаты показали, что использование указанных эфиров способствует снижению температуры застывания дизельного топлива на 3–8 °C, доводя её до −19 °C. Эфиры целлюлозы безопасны с токсикологической точки зрения и могут эффективно применяться для производства экологичных и стабильных при низких температурах дизельных топлив, что особенно важно для регионов с умеренным климатом.

ABSTRACT

The article presents the results of a study on the use of cellulose ethers—diacetate, triacetate, and their mixtures—as depressant additives for improving the low-temperature properties of diesel fuels. The research highlights the relevance of employing non-toxic, naturally derived polymer compounds capable of preventing the formation of a spatial crystalline network of paraffins during fuel cooling. In the experiments, solutions of cellulose diacetate and triacetate were introduced into diesel fuel at various concentrations (0.001–0.1 wt%), revealing a pronounced depressant activity. The obtained results showed that the use of these cellulose-based additives reduced the pour point of diesel fuel by 3–8 °C, reaching values as low as −19 °C. The cellulose ethers are environmentally safe and toxicologically harmless, making them effective for the production of stable and eco-friendly diesel fuels with enhanced low-temperature performance, particularly suitable for use in regions with a moderate climate.

Ключевые слова: дизельное топливо, депрессорные присадки, эфиры целлюлозы, низкотемпературные свойства дизельных топлив.

Keywords: diesel fuel, depressant additives, cellulose ethers, low-temperature properties of diesel fuels.

Введение

Применение присадок является эффективным способом для воздействия на дизельное топливо с целью направленного регулирования или корректировки его отдельных эксплуатационных свойств. Без такого воздействия на топливо практически невозможно адаптировать его качество современным международным требованиям. Среди эксплуатационных свойств дизельного топлива следует отметить низкотемпературные свойства, определяющие условия его применения в условиях низких температур, для регулирования которых применяются депрессорные присадки.

Депрессорные присадки представляют собой высокомолекулярные соединения, способные предотвращать образование пространственной структуры в топливе при низких температурах, что обусловливает нахождение его в подвижном состоянии [1, 2].

Работы по созданию депрессорных присадок к дизельным топливам начались во второй половине прошлого столетия [3]. В результате показано, что при низких температурах близких в температуре застывания дизельного топлива, кристаллы н-алканов сращиваются, образуют пространственную структуру, как результат, топливо теряет подвижность и прокачиваемость его практически прекращается, наступает температура предельной фильтруемости.

Следовательно, главным требованием является то, что депрессорные присадки к дизельным топливам должны снижать температуру застывания и предельной фильтруемости, то есть, способствовать удерживанию кристаллов твердой фазы во взвешенном состоянии и равномерному распределению их по всему объему топлива.

Роль депрессорных присадок заключается в воздействии на процесс образования кристаллической фазы и дисперсность нефтяной системы. Введение депрессорных присадок в дизельное топливо в оптимальном количестве способствует уменьшению размеров надмолекулярной структуры парафинов, то есть повышает дисперсность и обеспечивает нахождение топлива в свободнодисперсном состоянии при температурах более низких, чем температура перехода исходного топлива в связанно-дисперсное состояние (температурный предел застывания).   

Материалы и методы исследования

Цель данного этапа исследования заключалась в определении эффективности эфиров целлюлозы — диацетата и триацетата — в качестве депрессорных присадок при различных концентрациях и оценке их влияния на температуру застывания дизельных топлив.

В качестве депрессорных присадок к дизельным топливам могут быть использованы соединения различной химической природы. В связи с тем, что в республике имеются в наличии исходные компоненты и сырьевые ресурсы нами изучены депрессорные свойства эфиров природных нетоксичных полимеров.

Объектом исследования выбраны побочные продукты производства диацетатного волокна, такие как эфиры целлюлозы — диацетаты (ДАЦ) и триацетаты (ТАЦ). Эти соединения представляют собой природные, нетоксичные полимерные материалы, получаемые из целлюлозы, что делает их экологически безопасными и доступными для локального производства. Согласно выбранной методике, ацетилцеллюлоза в количестве 0,4 кг растворялась в 0,9 кг растворителя — этилацетата. Растворение проводилось при температуре 40–45 °С при постоянном перемешивании до получения однородной массы. Полученный этилацетатный насыщенный раствор ацетилцеллюлозы представлял собой светло-жёлтую прозрачную жидкость с показателем преломления n_D²⁰ = 1,3750 и плотностью при 20 °С = 997,7 кг/м³.

Для исследования депрессорных свойств растворы эфиров целлюлозы вводились в базовое дизельное топливо в количестве от 0,001 до 0,1 % мас. в пересчёте на сухое вещество. Смешение осуществлялось при постоянном перемешивании магнитной мешалкой со скоростью 600 об/мин в течение 15 минут при температуре 25 °С. После введения присадки образцы выдерживались 12 часов для стабилизации системы перед проведением анализа.

Результаты и обсуждения

Полученные растворы эфиров диацетата и триацетата целлюлозы растворяли в базовом дизельном топливе для приготовления серий образцов различной концентрации. Концентраты в количествах от 0,001 до 0,1 % мас. в пересчёте на ДАЦ и ТАЦ вводились в дизельное топливо с исходной температурой застывания минус 11 °С, что позволило провести сравнительный анализ их депрессорной активности. Дополнительно изучалась эффективность композиционных систем при совместном использовании диацетата и триацетата целлюлозы в различных соотношениях, что представляло интерес с точки зрения возможного синергетического эффекта.

После тщательного перемешивания и стабилизации растворов в течение 12 часов проведено определение температуры застывания каждого образца. Полученные данные представлены в таблице 1, где отражено изменение температуры застывания в зависимости от концентрации и состава присадки.

Таблица 1.

Влияние эфиров диацетата и триацетата целлюлозы на температуру застывания дизельного топлива

Результаты показали, что эфиры целлюлозы обладают выраженной депрессорной активностью. При введении диацетата целлюлозы наблюдалось снижение температуры застывания на 3–6 °С, тогда как использование триацетата обеспечивало более высокое снижение — до 8 °С. Наибольший эффект был достигнут при совместном применении композиции ДАЦ и ТАЦ, где температура застывания снизилась до −19 °С, что на 8 °С ниже исходного показателя.

Такое поведение можно объяснить способностью макромолекул целлюлозных эфиров адсорбироваться на поверхности зарождающихся кристаллов парафинов, препятствуя их укрупнению и образованию пространственной структуры. В результате топливо сохраняет подвижность даже при пониженных температурах. Кроме того, высокая молекулярная масса и наличие ацетатных групп в структуре способствуют формированию устойчивого дисперсного состояния парафиновых частиц, что дополнительно усиливает депрессорный эффект.

Важно отметить, что полученные присадки, в отличие от традиционных синтетических депрессоров на основе полиакрилатов и этиленвинилацетатов, не содержат токсичных компонентов и могут быть отнесены к экологически безопасным материалам. С токсиколого-гигиенической точки зрения растворы на основе диацетата и триацетата целлюлозы не представляют опасности при хранении и эксплуатации, что открывает перспективы их промышленного применения.

Заключение

Проведённые исследования подтвердили эффективность использования эфиров целлюлозы — диацетатов, триацетатов и их смеси — в качестве депрессорных присадок к дизельным топливам. Установлено, что данные соединения способны существенно улучшать низкотемпературные свойства топлива за счёт изменения структуры парафиновых кристаллов и повышения их дисперсности. При оптимальных концентрациях (0,05–0,1 % мас.) температура застывания дизельного топлива снижается до −19 °С, что на 8–10 °С ниже исходного показателя. Это обеспечивает стабильную прокачиваемость и текучесть топлива при отрицательных температурах и делает возможным его применение в регионах с умеренным климатом [4,5].

Особое значение имеет тот факт, что эфиры целлюлозы относятся к экологически безопасным, нетоксичным материалам, получаемым из возобновляемого природного сырья. Их использование позволяет частично заменить традиционные синтетические присадки, снизить себестоимость и повысить экологичность готового топлива.

Перспективным направлением дальнейших исследований является изучение влияния молекулярной массы, степени ацетилирования и соотношения компонентов смеси диацетата и триацетата целлюлозы на депрессорную активность, а также разработка технологических основ их промышленного применения в составе дизельных топлив нового поколения.

Список литературы:

1. Данилов А.М. Применение присадок в топливах. - М.: Мир, - 2005. - 288с.
2. Fiab. R.// Petrol Inf. - 1986. - V. 18 . - № 1623. - P. 23 - 26.
3. Тертерян Р.А. Депрессорные присадки к нефтям, топливам и маслам. – М.: Химия. - 1990. - 348 с.
4. Li, J., Zhang, Y., & Chen, W. (2019). Effect of polymeric cold flow improvers on low-temperature properties of diesel fuels. Fuel, 253, 478–486. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.05.072
5. Singh, A., Kumar, R., & Sharma, M. (2022). Development of eco-friendly pour point depressants from biomass-derived cellulose esters for diesel applications. Renewable Energy, 195, 1256–1265. https://doi.org/10.1016/j.renene.2022.06.040