Приготовление эмульсий на основе отработавших пластичных смазок Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 63 Иванов В.П.,* Дронченко В.А.,* Троцан Г.Н.,** Лопата В.Н.*** *Полоцкий государственный университет, г. Новополоцк, Беларусь, **Херсонская государственная морская академия, г. Херсон, Украина, ***НТУУ «КПИ», г. Киев, Украина E-mail: gazoterm@ukr.net ПРИГОТОВЛЕНИЕ ЭМУЛЬСИЙ НА ОСНОВЕ ОТРАБОТАВШИХ ПЛАСТИЧНЫХ СМАЗОК УДК 66.013.8 Показана возможность, на примере смазки ЛЗ-ЦНИИ, приготовления водомасляной эмульсии с помощью ударных волн, генерируемых пневматическим излучателем. Предложено использовать полученную эмульсию в ка- честве противоадгезионного покрытия форм при производстве железобетонных изделий вместо товарных эмульсо- лов и эмульсий. Определено максимально допустимое содержание топливных фракций в эмульсии. Ключевые слова: отработавшие пластичные смазки, экология, утилизация, эмульсии. Актуальность исследований Мировая годовая потребность в смазочных материалах превышает 40 млн. т. и продолжает расти примерно на 2 % в год. Доля пластичных смазок (ПС) в этом объеме составляет примерно 3,2 %, т.е. око- ло 1,3 млн. т. Объем потребления пластичных смазок (в %) в общем количестве смазочных материалов по регионам отличается от 2,0 в Северной Америке до 3,8 в Латинской Америке, Центральной и Восточ- ной Европе [1, 2]. В производстве и применении смазочных материалов наметились два основных направления решения экологических проблем. Первое – создание экологобезопасных смазочных материалов – не ток- сичных, не загрязняющих окружающую среду, обладающих высокой биоразлагаемостью и легкостью утилизации после окончания срока службы. Второе направление – совершенствование способов утили- зации отработавших смазочных материалов за счет исключения их вредного воздействия на окружаю- щую среду [2, 3]. На влияние ПС на окружающую среду в настоящее время обращено пристальное внимание. От- работавшие ПС представляют собой сложные многокомпонентные системы, образующиеся в эксплуата- ции. Они содержат основу смазочного материала и присадки, продукты разложения базовых компонен- тов и срабатываемости присадок, а также посторонние примеси (топливные фракции, воду, механиче- ские примеси и т.д.). Состав отработавших ПС определяет как степень их воздействия на окружающую среду, так и способы их утилизации. Изменение химического состава работающих ПС под влиянием температуры и давления, воздушной среды, воды, каталитического действия металлов, посторонних примесей и микроорганизмов ведет к росту экологической опасности. Поэтому по окончании срока службы природоохранный аспект должен превалировать над экономическим, учитывающим исключи- тельно выгодность и техническую целесообразность повторного использования ценного химического сырья. Цель исследований Выбрать процесс утилизации отработавших пластичных смазок в эмульсии и определить допус- тимое содержание топливных фракций. Результаты исследований. Отработавшие ПС представляют собой ценные продукты [3], которые после соответствующей обработки могут быть использованы по новому назначению или в определенных количествах добавлены в консервационные материалы. Выделенные из отработавших ПС исходные компоненты – масла и загус- тители – также могут находить разнообразное применение. Сложной задачей в части рационального использования отработавших ПС является организация их сбора и формулирование требований к качеству для последующей переработки и использования. Сбор отработавших ПС ведется эпизодически и в большинстве случаев обусловлен охраной окружающей среды. Это обусловлено организационными сложностями сбора у мелких потребителей, Приготовление эмульсий на основе отработавших пластичных смазок Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 64 незначительными количествами смазок в ряде узлов трения и трудностями удаления их из этих узлов. В случае крупных потребителей смазок (железные дороги, централизованные системы смазки металлургического производства) сбор отработавших ПС может составить до 80 % объема потребления свежих. Сбор и утилизация отработавших смазок в широких промышленных масштабах позволит более полно решить проблему охраны окружающей среды, а также существенно расширить ресурсы сырья для производства нефтепродуктов различного назначения. Утилизация отработавших пластичных смазок весьма специфична. Коллоидное состояние и мно- гокомпонентный состав требуют разработки оригинальной технологии. Среди предложенных к настоящему времени методов переработки отработавших смазок известен лишь один, позволяющий осуществить регенерацию продукта, пригодного для повторного использования в качестве стапельной [4 - 11]. Отработавшую стапельную мыльно-углеводородную смазку перемешиванием с водой при температуре 100 оС переводят в жидкую эмульсию. При последующем испарении воды при температуре 100 - 150 оС получают вязкую массу, которую после удаления фильтрацией твердых загрязнений постепенным охлаждением превращают в смазку, близкую по качеству к исходной. Для достижения не- обходимых свойств регенерированного продукта в него добавляют парафин при температуре 120 - 150 оС. Согласно другому варианту, образующуюся при температуре 100 оС эмульсию отстаивают с образованием двух слоев: нижний представляет собой водный раствор мыльных загустителей, верхний – смесь веретенного масла с парафином. Верхний слой подвергают перегонке и его составные части используют для приготовления смазки. К нижнему слою добавляют веретенное масло и после испарения воды получают смазку, соответствующую по качеству исходной. В Полоцком государственном университете проведены исследования, которые позволили разра- ботать установку (рис. 1) и технологию приготовления мелкодисперсной водомасляной эмульсии на ос- нове отработавшей смазки ЛЗ-ЦНИИ [7] с высокой стабильностью с помощью пневматического излучателя. В технологии заложен ударно-волновой способ эмульгирования, который позволяет проводить обработку не перемешивающихся компонентов с помощью низкочастотных ударных волн. а б Рис. 1 – Установка для приготовления эмульсии а – внешний вид; б – схема: 1 – бак для отстаивания сточных вод; 2 – насос; 3 – рабочая емкость; 4 – пневматический излучатель; 5 – бак сборный; 6 – вентиль Повышение стабильности эмульсий может быть достигнуто уменьшением размеров капель в ней с использованием пневматического излучателя (рис. 2). Работа его заключается в следующем. Сжатый воздух из магистрали, подсоединенной к штуцерам 1 и 10, подается во внутренний объем камеры и за- полняет ресивер 9 и полость хвостовика 5. Поршень 7 находится в положении, разъединяющем выхлоп- ные окна 8 корпуса излучателя и ресивер 9. На кольцевой поршень 4, соединенный хвостовиком 5 с поршнем 7, действует сила давления сжатого воздуха в демпферной полости 3. При дальнейшем повы- шении давления воздуха в пневмокамере сила давления на торец поршня 7 превышает сумму сил давле- ния воздуха на другой торец поршня и давление воздуха, находящегося в демпферной полости, на коль- цевой поршень 4. В результате этого поршень 7 перемещается из исходного положения влево, происхо- Приготовление эмульсий на основе отработавших пластичных смазок Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 65 дит разгерметизация полости переходника 6 по уплотнительному кольцу 12 и сила давления воздуха в полости ресивера 9 на примыкающий к нему торец поршня 7 намного превышает противодействующую ей силу давления воздуха на кольцевой поршень 4, что ускоряет движение поршня влево. При этом от- крываются выхлопные окна 8 в корпусе и сжатый воздух из ресивера 9 устремляется наружу. Вследствие падения давления в ресивере пневмокамеры и под действием давления воздуха в демпферной полости поршень возвращается в исходное положение, разъединяя выхлопные окна и ресивер. После этого про- цесс выхлопа повторяется. Частота выхлопов пневматического излучателя регулируется в пределах 10 - 100 мин–1. Рис. 2 – Пневматический излучатель: 1 – воздушный ресивер; 2 – корпус; 3 – переходник; 4 – корпус демпферной полости; 5 – золотник; 6 – штуцер; 7 – поршень двухфланцевый; 8 – поршень кольцевой; 9 – хвостовик; 10 – заглушка; 11 – штуцер; 12, 13 – кольца уплотнительные Работа пневматического излучателя сопровождается выхлопами сжатого воздуха с частотой, за- висящей от расхода воздуха. При выхлопе сжатого воздуха в жидкость на глубине 0,5 - 0,8 м образуется воздушная полость, которая при всплытии резко расширяется и совершает до четырех постепенно зату- хающих по амплитуде пульсаций. Затем происходит схлопывание воздушного пузыря в дисперсионной среде с давлением на фронте в 2,5 - 3,0 раза превышающим давление в излучателе вследствие не сжи- маемости жидкости. Вся жидкость перемешивается одновременно всплывающими пузырьками. Если срок хранения эмульсии превышает установленной время, то во избежание ее расслоения материал обрабатывают повторно. Эмульсии представляют дисперсную систему, в которой роль среды выполняет отработавшая ПС, а фазой является вода в виде капель микронных размеров. Размеры и распределение водяных капель по размерам (дисперсность) могут быть различными (от единиц до сотен микрон) и зависят от техноло- гии приготовления. Размер и дисперсность водной фазы оказывают влияние на стабильность эмульсии. В связи с этим при хранении, транспортировании необходимо контролировать размер, дисперсность и ста- бильность водной фазы в эмульсии. Определение допустимого количества топливных фракций в эмульсии для ее нанесения на по- верхности форм при изготовлении железобетонных конструкций. В ходе первичных экспериментов с отработавшими ПС было отмечено серьезное негативное явление: топливные фракции, оказавшиеся в отходе, отстаивались в верхней части эмульсии. При дальнейших испытаниях эмульсионного покрытия на бетонных формах эти фракции оставляли темные жирные пятна на бетоне. Кроме того, они отрица- тельно влияют на стабильность эмульсии. Поэтому были проведены экспериментальные исследования, цель которых заключалась в опре- делении максимально возможного содержания топливных фракций в эмульсии, существенно не влияю- щего на выпадение воды и на качество железобетонный изделий. Для достоверности эксперимента топливные фракции добавлялись в отработавшие ПС, в кото- рых они до начала эксперимента отсутствовали. Исследование было проведено в две стадии: - на первой стадии количество топливных фракций изменялось от 0 % до 30 % от количества от- работавшей ПС в эмульсии с шагом 10 %; - на второй стадии, когда был определен интервал, в котором находится допустимый объем топ- ливных фракций, проводились исследования с шагом 2 %. За допустимое количество топливных фракций в эмульсии принималось то количество, при ко- тором выделение воды в эмульсии за 30 дней не превышает 2 % от объема эмульсии, а для эмульсии используемой непосредственно на предприятии – за одну неделю не превышает 2 % от объема эмульсии. Кроме того эмульсия, используемая для нанесения на поверхности форм при приготовлении железобе- тонных конструкций не должна оставлять темных пятен на бетоне. Результаты первой стадии исследований представлены на рисунке 3. При содержании воды в эмульсии 30 % требуемой стабильности соответствует эмульсия без топливных фракций. При содержа- нии топливных фракций 10 % (объем выделившейся воды за 30 дней – 4,0 %). Приготовление эмульсий на основе отработавших пластичных смазок Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 66 Рис. 3 – Зависимость выделившейся воды y от времени t при содержании воды в эмульсии 30 % Было установлено, что при содержании топливных фракций 20 % не получается эмульсия с тре- буемой стабильностью (см. рисунок 3). Таким образом, наиболее близкий результат к требуемой ста- бильности получается при содержании топливных фракций в отработавшей ПС 10 % и меньше. На второй стадии были проведены эксперименты с содержанием топливных фракций 0, 2, 4, 6, 8 и 10 % от массы отработавшей ПС при содержании воды 20 и 30 %. Результаты представлены на рисун- ках 4 и 5. Рис. 4 – Зависимость выделившейся воды y от времени t при содержании воды в эмульсии 20 % Из рис. 4 видно, при содержании воды в эмульсии 20 % требуемая стабильность будет обеспече- на при любом содержании топливных фракций до 10 %. При содержании воды в эмульсии 30 %, из эмульсии выделится за 30 дней воды не более 2 % при содержании топливных фракций не более 6 % от объема отработавшей ПС (рис. 5). Для оценки возможности использования полученных эмульсий в качестве противоадгезионного покрытия форм при изготовлении железобетонных изделий были проведены испытания эмульсий раз- личных составов как с использованием термической сушки в печи, так и при сушке в естественных усло- виях при комнатной температуре. При исследовании были проанализированы два основных параметра: характер отлипания при разборке формы и извлечения готового бетонного образца и наличие черных жирных пятен на бетоне, которые осложняют дальнейшую обработку поверхности и портят внешний вид изделия. С целью сравнительной оценки эффективности разрабатываемых эмульсий были проведены ис- следования в одинаковых условиях как эмульсий, полученных на основе отработавшей пластичной смаз- ки ЛЗ-ЦНИИ, так и товарных эмульсолов и эмульсий, используемых для противоадгезионного покрытия форм при приготовлении железобетонных изделий. Опыты были проведены при изготовлении бетонных образцов в лаборатории строительных материалов кафедры строительного производства. Все образцы изготавливались в форме параллелепипеда из бетона одинакового состава при помощи сборных сталь- ных форм для лабораторных работ. Эмульсия, полученная на основе отработавшей пластичной смазки ЛЗ-ЦНИИ, бралась для испытаний после месяца отстоя со дня приготовления. Приготовление эмульсий на основе отработавших пластичных смазок Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 67 Рис. 5 – Зависимость выделившейся воды y от времени t при содержании воды в эмульсии 30 % В результате испытаний было установлено, что характер отлипания при разборке формы и изъя- тии готовых бетонных образцов практически не отличается при использовании товарных продуктов для противоадгезионного покрытия форм и эмульсии полученной на основе отработавшей пластичной смаз- ки ЛЗ-ЦНИИ. На всех образцах после испытания отсутствовали сколы бетона и темные жирные пятна. Выводы 1. Проведенные исследования показали, что до сих пор для малых и средних предприятий акту- альна проблема организации сбора отработавших ПС и формулирования требований к их качеству для последующей переработки и использования. 2. Анализ проблем экологии, связанных с вредным воздействием ПС на окружающую среду, по- казал, что в настоящее время практически отсутствуют реализуемые в условиях предприятия, техноло- гии утилизации пластичных смазок. 3. Доказана возможность приготовления водомасляной эмульсии на основе отработавших ПС (на примере смазки ЛЗ-ЦНИИ) с помощью ударных волн, генерируемых пневматическим излучателем. Литература 1. Бежанова, М.П. Ресурсы, запасы, добыча и потребление важнейших видов полезных ископае- мых мира на начало 2012 г. : справочник / М. П. Бежанова, Л. И. Стругова; ВНИИЗАРУБЕЖГЕОЛОГИЯ. – М., 2013. – 150 с. 2. Капустин, В.М. Технология переработки нефти : учеб. пособие для вузов. В 4 т. Т. 3 : Произ- водство нефтяных смазочных материалов / В. М. Капустин, Б. П. Тонконогов, И. Г. Фукс. – М. : Химия, 2014. – 326 с. 3. Евдокимов, А. Ю. Экологические проблемы утилизации отработанных смазочных материалов / А. Ю. Евдокимов, И. Г. Фукс. – М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1989. – 64 с. 4. Евдокимов, А. Ю. Экологические проблемы утилизации отработанных смазочных материалов: дис. … д-р техн. наук / А. Ю. Евдокимов. – М.: ГАНГ им. И. М. Губкина, 1997. – 321 с. 5. Ищук, Ю. Л. Технология пластичных смазок / Ю. Л. Ищук – К.: Наукова думка, 1986.– 146 с. 6. Белов, П. С. Экология производства химических продуктов из углеводородов нефти и газа / П. С. Белов, И. А. Голубева, С. А. Низова. – М.: Химия, 1991. – 254 с. 7. Дронченко, В.А. Влияние содержания воды на стабильность эмульсии на основе отработав- ших нефтесодержащих продуктов / В.А. Дронченко // Вестн. Полоц. гос. ун-та. Сер. В. Промышленность. Прикладные науки. – 2015. № 11 . – С. 82–86. 8. Иванов, В.П. Разрушение поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей при эмуль- гировании / В.П. Иванов, В.А. Дронченко // Вестник БрГТУ. – 2014. – № 4 (88): Машиностроение. – С. 38 – 42. 9. Leslie, P. A water reuse system for pikes peak. / P. Leslie, T. Sanders, E. Marybeth. – Colorado : Abstr. 4th International Conference on Life Sopport and Biosphere Science, Baltimore, Md, Aug. 6 – 9, 2000. – Life Support and Bios, Sci. № 1, 2000. – 133 p. 10. Soliman, M.M. Oil recovery by flotation from waste water as a source of lubricating grease / M.M. Soliman, A.M. A. Omar, R.A. El-Adly, H.I. Nabih. – Triblogy and Lubrication Engineering : 14 International Colloquium Tribology, Ostfildern, Jan. 13-15, 2004; Vol. 3. – Ostfildern: Techn. Akad. Esslingen, 2004. – P. 1533 - 1543. 11. Jürgen, M. Gesetze, Verordnugen, Regelwerke fur den Umgang mit Kühlschimierstoffen – restriktiv oder Chance zur Innvation 3.4.l. M. Jürgen; 50. – Mineralöl-Mineralölrdsh, 2002. – №11. – P. 161 - 167. Приготовление эмульсий на основе отработавших пластичных смазок Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 68 Ivanov V., Donchenko V., Lopata V. Preparation of emulsions based on emulsions based on spent greases. The possibility is shown, for example, grease LZ-TSNII, the preparation of oil-water emulsions using shock waves generated by a pneumatic transducer. Asked to use the emulsion as anti-adhesion coating forms in the production of concrete products, instead of commodity amorsolo and emulsions. Determined the maximum content of fuel fractions in the emulsion. Keywords: exhaust grease, ecology, recycling, emulsion. References 1. Bezhanova, M.P. Resursy, zapasy, dobycha i potreblenie vazhnejshih vidov poleznyh is-kopaemyh mira na nachalo 2012 g. : spravochnik. M. P. Bezhanova, L. I. Strugova; VNIIZARUBEZhGEO-LOGIJa. M., 2013. 150 p. 2. Kapustin, V.M. Tehnologija pererabotki nefti : ucheb. posobie dlja vuzov. V 4 t. T. 3 : Proizvodstvo neftjanyh smazochnyh materialov. V. M. Kapustin, B. P. Tonkonogov, I. G. Fukp. M. : Himija, 2014. 326 p. 3. Evdokimov, A. Ju. Jekologicheskie problemy utilizacii otrabotannyh smazochnyh materialov. A. Ju. Evdokimov, I. G. Fukp. M.: CNIITJeneftehim, 1989. 64 p. 4. Evdokimov, A. Ju. Jekologicheskie problemy utilizacii otrabotannyh smazochnyh mate-rialov: dip. … d-r tehn. nauk. A. Ju. Evdokimov. M.: GANG im. I. M. Gubkina, 1997. 321 p. 5. Ishhuk, Ju. L. Tehnologija plastichnyh smazok. Ju. L. Ishhuk. Kiev: Naukova dumka, 1986. 146 p. 6. Belov, P. P. Jekologija proizvodstva himicheskih produktov iz uglevodorodov nefti i gaza. P. P. Be- lov, I. A. Golubeva, P. A. Nizova. M.: Himija, 1991. 254 p. 7. Dronchenko, V.A. Vlijanie soderzhanija vody na stabil'nost' jemul'sii na osnove otrabo-tavshih nefte- soderzhashhih produktov. Vestn. Poloc. gop. un-ta. Ser. V. Promyshlen-nost'. Prikladnye nauki. 2015. № 11. P. 82–86. 8. Ivanov, V.P. Razrushenie poverhnosti razdela dvuh nesmeshivajushhihsja zhidkostej pri jemul'giro- vanii. V.P. Ivanov, V.A. Dronchenko. Vestnik BrGTU. 2014. № 4 (88): Mashinostroenie. P. 38 – 42. 9. Leslie, P. A water reuse system for pikes peak. P. Leslie, T. Sanders, E. Marybeth. Colorado : Abstr. 4th International Conference on Life Sopport and Biosphere Science, Baltimore, Md, Aug. 6 – 9, 2000. Life Support and Bios, Sci. № 1, 2000. 133 p. 10. Soliman, M.M. Oil recovery by flotation from waste water as a source of lubricating grease. M.M. Soliman, A.M. A. Omar, R.A. El-Adly, H.I. Nabih. – Triblogy and Lubrication Engineering : 14 International Colloquium Tribology, Ostfildern, Jan. 13-15, 2004; Vol. 3. Ostfildern: Techn. Akad. Esslingen, 2004. P. 1533 – 1543. 11. Jürgen, M. Gesetze, Verordnugen, Regelwerke fur den Umgang mit Kühlschimierstoffen – restriktiv oder Chance zur Innvation 3.4.l. M. Jürgen; 50. Mineralöl-Mineralölrdsh, 2002. №11. P.161 – 167. _Toc59964547 i93422