ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОЛЛОИДОВ С ЭЛЕКТРОЛИТАМИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗРАБОТАННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ДЕЭМУЛЬГАТОРОВ

АННОТАЦИЯ

В работе исследовано взаимодействие коллоидных систем с электролитами при использовании разработанных композиционных деэмульгаторов, предназначенных для эффективной очистки отработанных эксплуатационных масел. Основное внимание уделено влиянию типа и концентрации электролитов на стабильность водо-масляных эмульсий, коалесценцию водных капель и эффективность разделения фаз. Разработаны композиционные деэмульгаторы, включающие поверхностно-активные вещества, полимерные добавки и коалесцирующие компоненты, обеспечивающие заданные физико-химические и эксплуатационные свойства: снижение межфазного натяжения, ускорение коалесценции капель и повышение степени отделения воды. Экспериментальные данные показали, что при низком значении ζ-потенциала (–0,31 мВ) силы притяжения между коллоидными частицами превышают силы отталкивания. В результате нарушается стабильность дисперсии, а коллоидные частицы становятся склонными к коагуляции и флокуляции. Результаты исследования демонстрируют эффективность ИК-спектроскопии для оценки химического состава и состояния моторных масел, выявления эксплуатационных изменений, а также контроля наличия присадок.

ABSTRACT

The study investigated the interactions of colloidal systems with electrolytes in the presence of newly developed composite demulsifiers, designed for the efficient purification of used industrial oils. Particular attention was paid to the influence of electrolyte type and concentration on the stability of water-in-oil emulsions, the coalescence of water droplets, and the efficiency of phase separation. Composite demulsifiers were developed, incorporating surfactants, polymeric additives, and coalescing agents, providing the desired physicochemical and operational properties: reduction of interfacial tension, acceleration of droplet coalescence, and enhanced water separation. Experimental data showed that at a low ζ-potential value (–0.31 mV), attractive forces between colloidal particles exceed repulsive forces, resulting in compromised dispersion stability and a tendency of the colloidal particles to coagulate or flocculate. The results demonstrate the effectiveness of IR spectroscopy for assessing the chemical composition and condition of motor oils, detecting operational changes, and monitoring the presence of additives.

Ключевые слова: коллоидные системы, электролиты, деэмульгаторы, композиционные реагенты, ИК-спектроскопия, эксплуатационные масла, эмульсии, коалесценция, стабильность эмульсий.

Keywords: colloidal systems; electrolytes; demulsifiers; composite reagents; IR spectroscopy; industrial oils; emulsions; coalescence; emulsion stability.

Введение. В условиях эксплуатации моторное масло должно сохранять достаточную подвижность при низких температурах и высокую коллоидную стабильность. Подвижность при низких температурах обеспечивает хорошее поступление масла к узлам трения, уплотнение зазоров, а также формирование плёнки, разделяющей трущиеся поверхности, что снижает трение и износ [1, 2].

Ухудшение качества масла в процессе работы двигателя происходит из-за загрязнения металлическими частицами, окисления и снижения количества присадок, обеспечивающих хорошие смазывающие свойства. Уменьшение содержания присадок также существенно снижает эксплуатационные характеристики масла. Коллоидные системы широко встречаются в различных технологических процессах, включая нефтепереработку, смазочные технологии и очистку эксплуатационных масел. Стабильность таких систем во многом определяется взаимодействием коллоидных частиц с электролитами. Электролиты могут изменять поверхностный заряд частиц, изменять межфазное натяжение и ускорять коалесценцию, что в конечном счёте влияет на эффективность разделения фаз [3]. Разработанные композиционные деэмульгаторы, включающие поверхностно-активные вещества, полимеры и коалесцирующие компоненты, предназначены для управления стабильностью коллоидных систем. Они способствуют ускоренному объединению водных капель и облегчают отделение воды от масел, даже в присутствии электролитов.

В связи с этим разработка новых, эффективных, доступных и экономически выгодных рецептур деэмульгаторов на основе местного сырья и промышленных отходов для обезвоживания и очистки эксплуатационных и отработанных моторных масел в металлургической промышленности и машиностроении представляет собой актуальную задачу на сегодняшний день.

Цель данной работы — исследовать взаимодействие коллоидов с электролитами в системах эксплуатационных масел и оценить эффективность разработанных композиционных деэмульгаторов.

Результаты исследования и их обсуждение. Для определения качества разработанного композиционного химического реагента-деэмульгатора были использованы современное методы физико-химического анализа таких как, методы определения электрокинетический потенциал (дзета-потенциал) частиц в коллоидных системах и другие стандартные методы исследования [4-7].

Дзета-потенциал - это разность потенциалов дисперсионной среды и неподвижного слоя жидкости, окружающего частицу. Значение дзета-потенциала равное 60 мВ (положительное или отрицательное) можно рассматривать как характерное значение, для условного разделения низко-заряженных поверхностей и высоко-заряженных поверхностей. Чем больше электрокинетический потенциал, тем устойчивее коллоид (табл. 1).

Таблица 1.

Стабильность поведения коллоида в зависимости от дзета-потенциала

В рамках эксперимента получены данные и сопоставлены показатели дзета-потенциала (ξ-потенциала) для следующих дисперсных систем эмульгированных вяжущих и тяжелых нефтяных остатков.

Таблица 2.

Величены ζ-потенциалов исследуемых образцов

Для регулирования устойчивости масляных эмульсий в их состав вводят специальные композиционные химические деэмульгаторы класса «КХД-М».

Исследована взаимодействии коллоидов в дисперсной системе 10% ного водного раствора, разработанного композиционного химического реагента –деэмульгатора, которые приведены на рисунке 1.

При увеличении концентрации электролитов наблюдалось ускорение коалесценции водных капель, что связано с уменьшением электрической двойной оболочки коллоидов. Композиционные деэмульгаторы снижали чувствительность эмульсии к электролитам, поддерживая высокую эффективность разделения фаз [8-10].

Рисунок 1. Определение дзета-потенциал 10% разработанного композиционного раствора

Для молекул и частиц, которые достаточно малы, высокий дзета-потенциал будет означать стабильность, т.е. раствор или дисперсия будет устойчивы по отношению к агрегации. Когда дзета-потенциал низкий (-0,31), притяжение превышает отталкивание, и устойчивость дисперсии будет нарушаться (рис. 1). Так, коллоиды с высоким дзета-потенциалом являются электрически стабилизированными, в то время, как коллоиды с низким дзета-потенциалом склонны коагулировать или флокулировать. Электролиты ускоряют коалесценцию коллоидных частиц в эмульсиях эксплуатационных масел, снижая их стабильность. Разработанные композиционные деэмульгаторы эффективно разрушают эмульсии и снижают чувствительность к концентрации электролитов. Оптимально подобранные составы обеспечивают высокую степень отделения воды, низкое остаточное содержание и устойчивость к изменениям температуры и ионного состава [11]. Эмульсии с деэмульгаторами, содержащими гидрофобные цепи и ионные группы, проявляли наибольшую устойчивость к влиянию электролитов, что связано с формированием стабильной микроструктуры и ускоренной коалесценцией. Эксперименты продемонстрировали, что присутствие электролитов влияет на стабильность эмульсий. Повышение концентрации электролитов способствует уменьшению электрической двойной оболочки коллоидов и ускоряет коагуляцию и флокуляцию частиц. При этом оптимально подобранные композиционные деэмульгаторы способны компенсировать влияние электролитов и поддерживать высокую эффективность разделения фаз.

Таким образом, разработанные композиционные деэмульгаторы могут быть эффективно использованы для глубокой очистки эксплуатационных масел на промышленных предприятиях и в энергетических системах. Они обеспечивают улучшение качества масла, сокращение потерь при эксплуатации оборудования и повышение срока службы машин и механизмов. Далее рассмотрены  результаты анализа жидкой пробы моторных масел с использованием различных методов спектрометрии, включая изучение ИК-спектров новых и отработанных масел. Результаты ИК-спектроскопии нового и отработанного моторных масел представлены на рис.2 и 3 соответственно.

Рисунок 2. ИК-спектр моторного масла

Как видно из анализа данных, представленных на рисунке, основные полосы поглощения приходятся на ~2850, 2925 см^-1 и 3000, 3100 см^-1. Согласно таблице характеристических частот [Швец] это колебания соответствуют группе CH₂,  относящейся к углеводородам алифатического ряда и  связей С=С ароматических колец. Пик в области 700 см^-1 характерен для алифатических цепочек, состоящих из 4 атомов углерода. То есть основной состав масла – предельные углеводороды и соединения класса бензола [8, 9].

Рисунок 3. ИК-спектр отработанного моторного масла

Как видно из анализа представленных данных, появился дополнительный пик на 3450 см^-1, из чего можно сделать вывод о том, что в процессе работы произошло «оводнение» масла [8-11]. Другим заметным изменением стало появление пика на 1100 см^-1. Согласно таблице ИК-спектров присадок моторных масел, это моющая металлсодержащая присадка с функциональной группой S=O.  Это свидетельствует о химических изменениях масла при эксплуатации и, возможно, введении дополнительных присадок.

Таким образом, ИК-спектроскопия позволяет не только оценить базовый химический состав моторного масла, но и выявить изменения, вызванные эксплуатацией, такие как гидратация и добавление функциональных присадок. Полученные данные могут быть использованы для оценки состояния масла, контроля его качества и прогнозирования необходимости замены или регенерации.

Заключение. Разработанные композиционные деэмульгаторы, включающие поверхностно-активные вещества, полимерные добавки и коалесцирующие компоненты, показали высокую эффективность разрушения водо-масляных эмульсий. Они обеспечивают ускоренную коалесценцию водных капель, снижение межфазного натяжения и более полное отделение воды, что положительно сказывается на качестве очищенного масла и снижении эксплуатационных потерь. Исследование 10%-ного водного раствора деэмульгаторов показало, что низкий ζ-потенциал (–0,31 мВ) приводит к преобладанию сил притяжения над силами отталкивания, что нарушает стабильность дисперсии. Это подчеркивает критическую роль ζ-потенциала в обеспечении коллоидной устойчивости и необходимости оптимизации состава деэмульгатора для предотвращения нежелательной агрегации частиц.

Анализ жидких проб моторных масел с использованием инфракрасной (ИК) спектроскопии позволил выявить химические изменения, происходящие в масле в процессе эксплуатации. Основной состав нового масла представлен предельными углеводородами и соединениями класса бензола, что подтверждается характерными полосами поглощения в диапазонах ~2850–2925 см⁻¹ (CH₂-алкановые группы) и 3000–3100 см⁻¹ (C=С ароматических колец), а также пик в области 700 см⁻¹, характерный для алифатических цепочек из четырёх атомов углерода. В отработанном масле наблюдаются новые полосы поглощения, что указывает на химические изменения и включение дополнительных компонентов. Появление пика на 3450 см⁻¹ свидетельствует о гидратации («оводнении») масла в процессе эксплуатации. Дополнительный пик на 1100 см⁻¹ соответствует моющей металлсодержащей присадке с функциональной группой S=O.

Список литературы:

1. Бутов, Н.П. Система восстановления и использования отработанных автотракторных масел в АПК: Автореферат диссертации доктора технических наук. – Зерноград, 1999. – 40 с.
2. Мажидов А.Х., Шарипов К.А. Основы очистки отработанных масел. Ташкент, Фан. - 2000. - 140 с.
3. Рылякин Е. Г., Волошин А. И. Очистка и восстановление отработанных масел. «Молодой учёный» Ежемесячный научный журнал. г. Казань. №1 (81). Январь, 2015 г. С. 92-94.
4. Молоканов А. А. Исследование процесса коагуляционной очистки смесей отработанных масел. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва 2013.
5. Кичигин А.А. «Дзета‑потенциал как универсальный технологический показатель качества воды» //Градостроительство и архитектура. -2017. -№ 4. С. 8
6. Рунда М.М. Метод контроля состояния моторных масел при длительном хранении техники: дис. канд. тех. наук: 05.11.13/ Рунда Михаил Михайлович. К.,2014. С.37-59.
7. Источник. Электрокинетик потенциал. ru.termwiki.com›RU/electrokinetic_potential.
8. Халиуллин Ф.А., Валиева А.Р., Катаев В.А. Инфракрасная спектроскопия в фармацевтическом анализе. Учебное пособие. – 160 с.
9. Тарасевич Б.Н. ИК спектры основных классов органических соединений. Справочные материалы. Москва 2012 г. -55 с.
10. Загидуллин С.Х., Долганов В.Л., Лыков А.Н., Киселёв А.М. Разработка  нового способа термического обезвоживания минеральных масел. Химическая технология и биотехнология. Вестник ПНИПУ. №4. 2016. С.129-137.
11. Хурсанов А.Х. Негматов С.С. и др. Разработка эффективных составов композиционных химических флотореагентов-вспенивателей, исследование их физико-химических свойств и флотационной способности // Universum: т.н: эл.научн.журн.2022.3(96).URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/13328