РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ХИМИЧЕСКИХ РЕАГЕНТОВ-ДЕЭМУЛЬГАТОРОВ С ЗАДАННЫМИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМИ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ ДЛЯ ОЧИСТКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ МАСЕЛ

АННОТАЦИЯ

В работе представлена разработка технологии получения композиционных химических реагентов-деэмульгаторов, предназначенных для эффективной очистки эксплуатационных масел от эмульсионных и твердых примесей. Исследованы принципы подбора и сочетания поверхностно-активных веществ, полимерных и коалесцирующих компонентов, обеспечивающих целенаправленное формирование требуемых физико-химических и эксплуатационных свойств реагента. Определены оптимальные условия синтеза и составы, влияющие на снижение межфазного натяжения, ускорение коалесценции водных капель и повышение степени разделения фаз. Проведены лабораторные испытания композиционных деэмульгаторов на модельных и реальных образцах эксплуатационных масел при различных температурах и режимах перемешивания. Оценивались: эффективность разрушения эмульсии, качество отделённой воды, остаточное содержание воды в очищенном масле, а также термостабильность и совместимость реагентов с компонентами масел. Установлены закономерности влияния структуры и концентрации деэмульгатора на кинетику фазового разделения. Полученные результаты могут служить основой для внедрения технологии глубокой очистки эксплуатационных масел в условиях производственных предприятий и энергетических систем.

ABSTRACT

This study presents the development of a technology for producing composite chemical demulsifier reagents designed for efficient purification of in-service lubricating oils from emulsified and solid contaminants. The principles of selecting and combining surfactants, polymeric, and coalescing components were investigated to enable targeted formation of the required physicochemical and operational properties of the reagent. Optimal synthesis conditions and compositions were determined that contribute to reducing interfacial tension, accelerating the coalescence of water droplets, and increasing the degree of phase separation. Laboratory tests of the composite demulsifiers were carried out on model and real samples of in-service oils at various temperatures and mixing conditions. The following parameters were evaluated: emulsion-breaking efficiency, quality of the separated water, residual water content in the purified oil, as well as the thermal stability and compatibility of the reagents with oil components. The regularities of the influence of demulsifier structure and concentration on the kinetics of phase separation were established. The results obtained can serve as a basis for the implementation of advanced technologies for deep purification of in-service oils in industrial and energy-sector applications.

Ключевые слова: композиционный деэмульгатор; эксплуатационные масла; разрушение эмульсий; поверхностно-активные вещества; коалесценция; межфазное натяжение; физико-химические свойства; очистка масел; водонефтяная эмульсия; термостабильность.

Keywords: composite demulsifier; in-service oils; emulsion breaking; surfactants; coalescence; interfacial tension; physicochemical properties; oil purification; water-oil emulsion; thermal stability.

Введение. Основными смазочными материалами, используемыми в металлургии и машиностроении, являются масла. Их основное назначение - образование устойчивой смазочной плёнки для минимизации трения и предотвращения износа контактирующих поверхностей. В процессе эксплуатации масла претерпевают изменения, совокупность которых называют старением масла. Эти изменения можно разделить на две группы: количественные и качественные. Оба типа изменений в конечном итоге могут отрицательно повлиять на надёжность работы двигателей. Во время эксплуатации масла взаимодействуют с металлами, подвергаются воздействию окружающего воздуха, высоких температур, давления и других факторов. Под их влиянием происходят разложение, окисление, полимеризация и конденсация углеводородов, а также обугливание (неполное сгорание), разжижение горючим, загрязнение посторонними веществами и обводнение [1, 2]. Загрязнённые масла теряют свои эксплуатационные свойства и требуют замены. При окислении масла кислородом воздуха продукты окисления, попадая в картер, смешиваются с нагретым и загрязнённым маслом, что приводит к ухудшению его характеристик. Кислоты, образующиеся в процессе окисления, являются основными причинами разрушения и коррозии цилиндров и поршневых колец. В то же время смолы способствуют образованию отложений на поршнях и кольцах, что существенно снижает их эффективность [3, 4, 5].

Следует отметить, что масла и химические реагенты, такие как деэмульгаторы, применяемые в Республике в металлургическом оборудовании, а также в различных машинах и механизмах, являются дорогостоящими и в большинстве случаев импортируются из-за рубежа.

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.

Результаты исследования и их обсуждение. В металлургической промышленности трение деталей двигателей приводит к их износу, перегреву и сокращению срока службы. Для предотвращения этих процессов поверхности трущихся деталей необходимо постоянно смазывать маслом, что обеспечивается системой смазки двигателя. Определённая часть механической энергии расходуется на преодоление трения. Смазка позволяет снизить затраты мощности на преодоление трения, уменьшить износ деталей, а также отводить тепло, выделяющееся в процессе трения. Кроме того, смазка выполняет функцию очистки поверхностей от продуктов износа и различных загрязнений, защищая их от коррозии. В некоторых случаях она предотвращает образование задиров на соседствующих движущихся поверхностях.

Для эффективного разрушения масляных эмульсий был разработан новый состав композиционного деэмульгатора - «КХД-М» (композиционный химический деэмульгатор - масло). Он представляет собой раствор композиции на основе местного и вторичного сырья и промышленных отходов.

В таблице 1 приведены основные физико-химические характеристики разработанного композиционного химического деэмульгатора «КХД-М».

Таблица 1.

Основные физико-химические характеристики разработанного композиционного химического деэмульгатора «КХД-М»

Был проведён анализ ИК-спектра синтезированного композиционного химического деэмульгатора «КХД-М».

На рис. 1 представлен анализ ИК-спектра композиционного химического деэмульгатора «КХД-М».

Согласно данным, приведённым на рис. 1, взаимодействие алкилмочевины с натрий лаурилсульфатом привело к образованию натриевой соли алкилмочевины с лауриловой кислотой, что подтверждается характеристиками ИК-спектра. Как видно из представленных данных, в результате реакции образовалась ковалентная связь, что подтверждается совпадением её интенсивности и диапазона частот.

При изучении функциональных групп, выявленных в ИК-спектре, были зафиксированы химические сдвиги [6, 7]:

при 1716,36 см⁻¹ - в карбонильных группах (сложные эфиры), при 1654,51 см⁻¹ - в аминных группах, при 3303,56 см⁻¹ - в гидроксильных группах (полоса OH).

Рисунок 1. Анализ ИК-спектра синтезированного композиционного химического деэмульгатора «КХД-М»

Пик поглощения в области длин волн порядка 3100–3600 см⁻¹ обусловлен наличием связанных O−HO−H-групп в реагентах. Это свидетельствует о способности деэмульгатора образовывать водородные связи. Чем больше таких связей, тем активнее реагент взаимодействует с водой.

Поскольку композиционный деэмульгатор работает на границе раздела вода-масло, то наличие таких связей будет способствовать повышению его эффективности за счет более высокой адсорбционной способности. Пики поглощения в области длин волн 1550-1750 см^-1 указывают на наличие большого количества карбонильных групп у композиционного деэмульгатора, в составе которых присутствуют свободные радикалы, которые также будут повышать энергию взаимодействия композиционного деэмульгатора с компонентами водомасляной эмульсии, а, следовательно, и его активность.

Поверхностное натяжение – термодинамическая характеристика поверхности раздела двух, находящихся в равновесии фаз, определяемая работой обратимого изотермического образования единицы поверхности при условии, что температура, объем системы и химические потенциалы всех компонентов в обеих фазах остаются постоянными [8, 9].

Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура единичной длины, на который она действует. Сила, приходящаяся на единицу длины контура поверхности – еще одно определение поверхностного натяжения. Он измеряется или в Дж/м² или в Н/м.

Существует множество способов разрушения эмульсий. Самым распространенным считается термохимический метод – применение деэмульгаторов с целью снижения поверхностного натяжения эмульсий [8, 9].

Поверхностное натяжение исследуемого композиционного деэмульгатора на границе раздела фаз вода–воздух было определено сталагмометрическим методом [8, 9].

Сталагмометрический метод основан на измерении массы капли жидкости, которая медленно образуется и отрывается с конца капилляра. На практике удобнее определять не массу капли, а её объём или подсчитывать число капель в резервуаре известного объёма. При этом число капель фиксируется при вытекании жидкости через капилляр.

Поверхностное натяжение исследуемой жидкости вычисляется по уравнению [8]:

где ρ₀ и ρ_X – плотность эталонной жидкости и испытуемой жидкости соответственно; 72,75 – поверхностное натяжение воды при 20 ⁰С, дин/см.

В таблице 2 показаны результаты анализа поверхностного натяжения водного раствора, разработанного композиционного деэмульгатора «КХД-М».

Таблица 2

Поверхностное натяжение водного раствора, разработанного композиционного деэмульгатора в разных концентрациях

Результаты полученных анализов показали, что композиционный деэмульгатор «КХД-М» при 3% концентрации показал лучшие результаты. Разработанный композиционный химический деэмульгатор «КХД-М» по способности понижения поверхностного натяжения 3% водного раствора до 37,2 Н/м, при температуре 20 ⁰С характеризуется как анионный ПАВ.

В рисунке 2 показано снимки отработанного масло привезенных из автосервисов и разрушения эмульсии с разработанным композиционным деэмульгатором «КХД-М» при комнатных температурах.

а) снимки чистого моторного масло; б) снимки отработанного масло; в) снимки разрушения эмульсии в отработанного масло с разработанным композиционным химическим деэмульгатором

Рисунок 2. Снимки разрушения эмульсии в отработанного масло с разработанным композиционным химическим деэмульгатором

С учётом актуальности использования местных ресурсов и вторичного сырья, на основе анализа теоретических и экспериментальных данных разработана технологическая линия для получения композиционных деэмульгаторов класса «КХД-М», предназначенных для эффективного разрушения эмульсии в отработанном масле.

В соответствии с разработанным технологическим регламентом и реализованными инженерными решениями на производственной базе ООО «AYUKO» была изготовлена, создана и введена в эксплуатацию технологическая линия для выпуска композиционных химических реагентов-деэмульгаторов. Производство ориентировано на использование преимущественно местного и вторичного сырья, а выпускаемые химические реагенты-деэмульгаторы предназначены для эффективного обезвоживания, отработанного маслоэмульсий [11].

Рисунок 3. Схема технологической линии производства композиционного химического реагента- деэмульгатора

На рисунках 3 и 4 показаны фотографии созданной технологической линии для производств композиционных химических реагентов-деэмульгаторов на производственном базе ООО «AYUKO TEKST».

Рисунок 4. Общий вид созданной технологической линии для производства композиционных химических реагентов-деэмульгаторов

Практическая реализация данной технологии была осуществлена в ходе выпуска опытно-промышленной партии композиционного химического реагента-деэмульгатора марки «КХД-М» на созданной производственной линии.

Заключение. Создана и освоена отечественного производства химического реагента   композиционного химического деэмульгатора марки «КХД-М». Освоение данной технологии осуществлялось путем организации выпуска опытно-промышленной партии разработанного композиционного химического реагента-деэмульгатора марки «КХД-М» на созданной технологической линии для производства композиционных деэмульгаторов. Полученные новые эффективные составы композиционных деэмульгаторов на основе местного сырья и промышленных отходов для обезвоживания и очистки эксплуатационных и отработанных моторных масел в металлургической промышленности и машиностроении основано на обобщении результатов теоретических и экспериментальных исследований. В связи с этим можно рекомендовать данной технологии, позволяющих получать химического композиционного деэмульгатора на основе местного и вторичного для широкого применения в процессе обезвоживания и очистки отработанных моторных масел в металлургической промышленности республики Узбекистан и сопредельных странах Центральной Азии.

Список литературы:

1. Холикова Н.А. Очистка масла от продуктов окисления // AGRO ILM. – Ташкент, 2011. –№4(20). – Б. 65-66.
2. Hassan M., Al-Sagheer F. A., & Rashed M. N. “Regeneration of Used Lubricating Oil by Various Methodologies: A Review.” Egyptian Journal of Petroleum, 2017, 26(1), 109–115.
3.  Ogbeide S. O. “An Investigation to the Recycling of Spent Engine Oil.” International Journal of Engineering Science Invention, 2014, 3(8), 52–56.
4. Irin G. M., & Ahmed M. S. “Demulsification of Water-in-Oil Emulsions Using Chemical Demulsifiers.” Journal of Petroleum Science and Engineering, 2018, 165, 428–440.
5. Мажидов А.Х., Шарипов К.А. Основы очистки отработанных масел. Ташкент, Фан. - 2000. - 140 с.
6.  Халиуллин Ф.А., Валиева А.Р., Катаев В.А. Инфракрасная спектроскопия в фармацевтическом анализе. Учебное пособие. – 160 с.
7. Тарасевич Б.Н. ИК спектры основных классов органических соединений. Справочные материалы. Москва 2012 г. -55 с.
8. Плохова С. Е. Саттарова Э. Д. Елпидинский А.А. Изучение поверхностных свойств композиционных реагентов. https://cyberleninka.ru/.
9. Григорьев М.А. Очистка масла в двигателях внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение. 1983 г. - 270 с.
10. 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
11. Negmatov S.S., Abed N.S.,  Negmatova K.S.,  Raupova D.N., Muqaddas E. Ikramova, Rakhimov H.Y., Tulyaganova V.S., Yulchieva S.B. Investigation of the physicochemical properties of the developed composite demulsifier based on local and secondary raw materials for the destruction of oil emulsion. PPOR, Vol. 25, No. 1, 2024, pp. 207-216 https://doi.org/10.62972/1726-4685.2024.1.207.