Перспективи впровадження фізичних методів очищення відпрацьованих мастил в системі захисту навколишнього середовища від забруднення нафтопродуктами
Роботу виконав:
Бошель Костянтин Ігорович,
учень 11 класу комунального
закладу «Ліцей 13»
Кам’янської міської ради.
Кам’янське – 2022
Мета роботи:дослідити сучасні методи переробки мастила або його регенерації з використанням екологічно-безпечних технологій, визначити ефективність очищення відпрацьованого мастила в струменеві-інжекційному апараті.
Об’єкт дослідження:відпрацьовані моторні мастила.
Актуальність: питання поводження з відпрацьованими технічними мастилами (оливами) в Україні можна віднести до одних з актуальних та надважливих. Звісно, що утилізація мастила — річ доволі складна. За законодавством України такі оливи відносяться до небезпечних відходів, поводження з якими потребує наявність відповідної ліцензії для здійснення переробки чи утилізації.
Зазначені відходи становлять серйозну небезпеку для навколишнього природного середовища. Утилізація мастила–економічно невигідна, а от очистка дозволяє отримати із 1,6 літрів непридатного продукту в середньому 1 літр нового мастильного матеріалу. Згідно зі статистичними відомостями, в Україні збирається лише 25% від загального обсягу споживання мастил, із яких регенерується (переробляється) тільки 15%, що становить приблизно 3% від загального обсягу споживання. В індустріально розвинених країнах частка регенерованих мастил (від загального обсягу їх виробництва), наприклад країни Великої Британії, Японії, США тощо, становить близько 30%. У Німеччині, Бельгії та Італії здійснюється збір та використовується близько 55% від усього обсягу свіжих мастил.
Крім цього, в деяких країнах запроваджена практика, коли при здачі відпрацьованого масла особа, яка його здає, отримує знижку на нове.У багатьох випадках діючі підприємства, що мають відповідні ліцензії на роботу з відпрацьованими маслами, здебільшого зводять свою діяльність до їх збирання. При цьому відпрацьоване мастило не утилізується і нікуди не зникає, а зі слів клієнтів найчастіше використовують для систем опалення та обігріву в приміщеннях, що теж говорить про загрозу для людства та навколишнього середовища. Як відомо, один літр такої оливи отруює тисячі тонн ґрунтових вод та знищує наші родючі ґрунти, знижуючи їх екологічний стан та показники якості, забруднюючи важкими металами тощо [12].
Отже,основною метою роботи є пошук екологічно безпечнихшляхів поводження з відпрацьованими мастилами та розв`язань цих проблем. Одним з таких рішень є переробка відпрацьованого мастила.
ЗМІСТ
ВСТУП 4
1 МЕТОДИ УТИЛІЗАЦІЇ ВІДПРАЦЬОВАНИХ МАСТИЛ 6
2 методи переробки (регенерації) відпрацьованих мастил 8
2.1 Попереднє оброблення відпрацьованих мастил 9
2.2 Відстоювання відпрацьованих мастил 9
2.3 Відцентрове очищення відпрацьованих мастил 9
2.4 Фільтрація відпрацьованих мастил 9
2.5 Загальна схема регенерації відпрацьованих 9
3 Основні характеристики мастильних матеріалів та методи їх дослідження 10
3.1 Загальні показники мастильних матеріалів за стандартом 10
3.2 Кислотне число мастильних матеріалів 11
3.3 Дослідження кислотного числа при регенерації мастильних матеріалів 12
4 Регенерація відпрацьованого мастила в струменевО- інжекційному апараті 13
4.1 Струменево – інжекційні апарати 14
4.3 Результати досліджень 16
4.4 Оцінка результатів досліджень 18
ВИСНОВКИ 20
Література 21
ВСТУП
Переробка відпрацьованого мастила – це його очистка. Очищене мастило використовується повторно і додається у свіжі мастила. Технології переробки функціонують тільки останні 40 років: раніше продукт утилізувався шляхом спалювання для отримання енергії . Утилізація мастила – економічно невигідна, а от очистка дозволяє отримати із 1,6 літра непридатного продукту в середньому 1 літр нового мастильного матеріалу.
В залежності від ступеню забруднення і характеру домішок, використовують одну із наступних технологій переробки :
- фізичні методи: промивання, фільтрація, дистиляція, випарювання, відцентрована очистка;
- хімічні способи: введення реагентів в відпрацьоване мастило і нейтралізація домішок шляхом хімічної взаємодії.
В якості реагентів використовують сірчану кислоту, водень і металевий натрій. Для того щоб переробка мастила і його очищення були ефективними, використовують установки з комбінованими технологіями. Поєднання фізичних, хімічних і фізико-хімічних методів в очисній установці робить процес переробки універсальним для будь-яких видів мастил і змащувальних матеріалів. Економічна ефективність такої утилізації мастил висока, але витрати на попередню підготовку – збирання, зберігання, перевезення – є суттєвими. Саме тому поряд з вторинною переробкою як і раніше використовують спалювання [1] або незаконне скидання відходів. При спалюванні 1 т ВМ утворюється близько 7 тис. м3 димових газів, у яких містяться оксиди азоту й сірки, хлористий водень, поліароматичні вуглеводні, хлорбензол й важкі метали. Важкі метали, які сортуються частками леткої золи, у середньому містять:
- алюмінію – 3,1 мг/м3;
- цинку – 2,7мг/м3;
- свинцю – 1,6мг/м3;
- міді – 0,15мг/м3;
- хрому– 1,4 мг/м3,
Таким чином, пошук методів переробки мастила або його регенерація з використанням екологічно-безпечних технологій дозволять зменшити вплив на довкілля і повернути його в технологічний цикл.
1 МЕТОДИ УТИЛІЗАЦІЇ ВІДПРАЦЬОВАНИХ МАСТИЛ
На підприємствах машинобудівного профілю різні мінеральні мастила широко застосовуються для змащування двигунів, транспортних та інших механізмів. Значна частина мінеральних мастил використовується для технологічних цілей в якостізмащувально-охолоджуваної рідини (МОР)[2]. В зв’язку з великою витратою різних мастил та великою вартістю процес регенерації їх завжди актуальний. Регенерація відпрацьованих олеїнових речовин є тривалим процесом, який відбувається на спеціальних станціях. На вибір технології регенерації відпрацьованих мастил впливають такі фактори як: марка мастила, вміст домішок, склад і кількість мастила. Для централізації первинної переробки, спрощення технології збирання з мінімальними втратами і скорочення технологічного циклу усі відпрацьовані нафтопродукти в залежності від призначення поділені на 3 основні групи: перша група-мастила, моторні відпрацьовані і їх суміші з індустріальними при 50°С; друга група-мастила, індустріальні відпрацьовані і їх суміші, а також турбінні і компресорні, які призначені для регенерації; третя група-суміш нафтопродуктів відпрацьованих в тому числі і мастил, бензину, гасу, дизельного пального. Технологічний процес первинної переробки для кожної групи відпрацьованих мастил більш економний в порівнянні з індивідуальними для кожної марки, однак загальні витрати повертаються тільки на спеціалізованих регенераційних підприємствах. Особливі вимоги до ділянок збору відпрацьованих мастил наступні. Ці ділянки (мал. 1) повинні мати спеціальні складські приміщення з сучасними засобами сигналізації і пожежогасіння, де встановлені окремі для кожної групи відпрацьованих речовин і нафтопродуктів спеціальні марковані резервуари або ємності об’ємом 4-5м3.
Малюнок 1 – Ділянка збору відпрацьованих мастил:
1-насос; 2-воронка; 3-оглядова яма; 4-проміжна ємність;
5 - накопичувальна ємність
В роботі [2] наведено опис установки «Віта-Р» (мал. 2), яка функціонує наступним чином. Відпрацьовані мастильно-охолоджувальні рідини (МОР) накопичуються в ємності 3, насосом 4 подаються в ємність 5, в якій змішуються з деемульгатором ДОР-22, який знаходиться в ємності 7 і контролюється витратоміром 8, регулювання відбувається запірною арматурою 6.
Малюнок 2 – Установка «Віта-Р» [2]
Суміш МОР нагрівається в ємності 1 до температури 110-120˚С і направляється в електролізер 5. Масло з поверхні видаляється барабаном. Відстояна вода збирається в ємність окремо і після очистки в блоці флотації повертається в оборот. Осілі у відстійнику частки механічних домішок за допомогою скребків видаляються в тару.
За думкою автора [2], якщо відпрацьовані МОР не можна регенерувати, то методом їх утилізації залишається - спалювання. Типова установка для спалювання наведена на рис. 3. Масло через форсункуподається в камеру згоряння печі, яка обкладена з середини вогнетривом. При температурі 900˚С відбувається випаровування вологи. Тепла спалювання мастила не вистачає для випаровування усіє суспензії, тому в піч додатково подають рідке або газоподібне паливо.
Малюнок 3 - Піч для спалювання відпрацьованих мастил[2]
1-димова труба; 2-піч; 3-мембрана; 4-боров; 5-повітропідігрівач
Таким чином, на даний момент на підприємствах організований наступний цикл поводження з мастильними матеріалами та мастильно-охолоджувальними матеріалами[3]:
централізований збір відпрацьованих мастил;
передача відпрацьованих мастил компаніям, які мають ліцензію на їх збір та утилізацію;
утилізація мастильних матеріалів в залежності від ступеню їх відпрацювання або виду (регенерація, виробництво паливних сумішей та спалювання).
2 методи переробки (регенерації) відпрацьованих мастил
2.1 Попереднє оброблення відпрацьованих мастил
На стадії попередньої обробки відпрацьованих мастил проводять зневоднення (видалення води), видалення пального (видалення легких фракцій нафтопродуктів і слідів палива, таких як бензинова фракція) і видалення механічних осадів. Воду і відкладення видаляються за допомогою фізичних або механічних методів, осадженням або використовують фільтрувальні центрифуги [4]. Далі очищені мастила проходять стадію утилізації (регенерації) [5].
2.2 Відстоювання відпрацьованих мастил
Використовується для очищення відходів мінеральних мастил всіх видів. Відстоювання ґрунтується на поділі масла, води і механічних домішок під дією сили тяжіння[4]. Даний метод широко використовують на залізничному транспорті [6].
2.3 Відцентрове очищення відпрацьованих мастил
Використовується для очищення відходів мінеральних мастил всіх видів. Відцентрове очищення є найбільш ефективним і високопродуктивним методом видалення механічних домішок і води з відпрацьованого масла[4]. Авторами [7] запропоновано використовувати для відцентрового очищення мастила струменеві насоси.
2.4 Фільтрація відпрацьованих мастил
Використовується для очищення відходів мінеральних мастил всіх видів. Фільтрація - процес видалення частинок механічних домішок і смолистих з'єднань шляхом пропускання масла через сітчасті або пористі перегородки фільтрів[4].
2.5 Загальна схема регенерації відпрацьованих
Такі методи або як відстоювання, відцентрове очищення, фільтрація за допомогою фільтрувальних елементів різного виду використовуються як попередні або фінішні стадії регенерації відпрацьованих мастил. Найбільш повною є наступні схеми, запропоновані автором в роботі [4]:
1) відстій і фільтрація;
2) відстій, зневоднення і фільтрація;
3) відстій, обробка адсорбентами і фільтрація, в тому числі з відгоном води;
4) відстій, відгін пального, обробка адсорбентом і фільтрація;
5) відстій, обробка адсорбентом, відгін пального і фільтрація;
6) відстій, обробка ПАР, відгін пального, обробка адсорбентом і фільтрація;
7) відстій; обробка ПАР, адсорбентом, відгін пального і фільтрація;
8) відстій, обробка лугом (або іншими лужними реагентами), адсорбентом і фільтрація;
9) відстій, обробка кислотою, адсорбентом і фільтрація;
10) відстій, обробка кислотою, лугом, адсорбентом і фільтрація;
11) відстій, обробка кислотою, лугом, відгін пального, обробка
адсорбентом і фільтрація;
12) відстій, відгін пального, обробка кислотою, адсорбентом і фільтрація.
3 Основні характеристики мастильних матеріалів та методи їх дослідження
3.1 Загальні показники мастильних матеріалів за стандартом
До загальних показників мастильних матеріалів відносять:
1. Кінематична в'язкість при 40°С, мм/с (ГОСТ 33);
2. Кислотне число мг KОН на 1 г олії, (ГОСТ 5985, ГОСТ 11362);
3. Зольність, %, (ГОСТ 1461);
4. Масова частка сірки в оліях із сірчистих нафт, %, (ГОСТ 1437);
5. Зміст механічних домішок (ГОСТ 6370)
6. Зміст води (ГОСТ 2477)
7. Щільність при 20 ° С, кг/м (ГОСТ 3900)
8. Температура застигання ° С, (ГОСТ 20287);
9. Колір на колориметрі ЦНТ, одиниці ЦНТ (ГОСТ 20284);
10. Температура спалаху, що визначається у відкритому тиглі, °С (ГОСТ 4333);
11. Стабільність проти окислення: збільшення кислотного числа окисленої олії, мг KОН на 1 г олії; збільшення смол, % (ГОСТ 18136, ГОСТ 15886);
12. Вміст розчинників у оліях селективного очищення (ГОСТ 1057; ГОСТ 1520);
13. Вміст водорозчинних кислот та лугів у оліях лужного очищення (ГОСТ 6307).
У відповідності до марки мастила та його призначення, відповідними стандартами регламентується його якість. При регенерації мастильних матеріалів головною метою є наближення регенерованих мастил до базових показників мастила відповідної марки. При дослідженні методів регенерації мастильних матеріалів використовують деякі з наведених показників, як базові для визначення ефективності запропонованої методики. Одним з таких параметрів є кислотне число.
3.2 Кислотне число мастильних матеріалів
Кислотне число — кількість міліграмів гідроксиду калію (КОН), витраченого на нейтралізацію вільних кислот, що містяться в 1 г нафтопродукту (мастила). При старінні мастила кислотне число зростає і часто саме воно є основним критерієм для заміни мастила у циркуляційних мастильних системах.
Кислотне число (КЧ) для мастил визначають за ГОСТ 5985-79 [8]. Формула для визначення кислотного числа наступна
,де 56,1 — молярна маса KOH, г/моль;
CM — молярна концентрація розчину KOH, моль/л;
V — об'єм розчину KOH, що пішов на титрування досліджуваної проби, мл;
m — маса наважки досліджуваної речовини, г.
3.3 Дослідження кислотного числа при регенерації мастильних матеріалів
При дослідженні очищення відпрацьованої індустріальної оливи методом адсорбції [7]. З метою дослідження можливості регенерації відпрацьованих індустріальних олив нами були використані відпрацьований сумішний сорбент (АВ + К) очищення цукрового сиропу виробництва безалкогольних напоїв (ВФ «Панда», м. Вінниця). До складу зазначеного сумішного сорбенту (АВ + К) входили природні сорбенти марки Бекогур/ Becogur 3500 і Бекогур/ Becogur 200 та активоване вугілля марки Деколар А. Кислотне число відпрацьованої олії становило 0,81, після очищення - 0,09..0,37 в залежності від комбінації адсорбентів.
В роботі [5] авторами вивчена можливість хімічної регенерації різних за областю використання відпрацьованих нафтових олив у присутності кристалічного тіокарбаміду. Авторами експериментально встановлено, що оптимальною кількістю тіокарбаміду є 12 % мас. у розрахунку на ВНО; температура – 100 ºС, оптимальна тривалість процесу – 60 хв. Кислотне число відпрацьованого мастила становило 1,93..3,14, після регенерації 0,075..0,45.
Для дослідження ефективності запропонованого метода регенерації мастила доцільним є дослідження зміни кислотного числа, як одного з параметрів ефективності технічного рішення.
4 Регенерація відпрацьованого мастила в струменевО- інжекційному апараті
4.1 Струменево – інжекційні апарати
Струменеві інжекційні апарати широко використовуються в методах очищення води, хімічній технології, технології переробки корисних копалин як апарат для контактування газу та рідини або як елемент флотаційної переробки [7].
4.2 Використання лабораторної установки
Враховуючи те, що відпрацьовані мастильні матеріали мають дуже складний склад, різні механічні домішки, присадки та інше, було виконано припущення що обробка відпрацьованого мастили в струменеві-інжекційному апараті дозволить створити газорідинну суміш з великим вмістом газової фази і таким чином призвести до окислення та розділення.
Для проведення досліджень використано установку (мал. 4) на базі кафедри Інноваційної інженерії ДВНЗ «Український Державний хіміко-технологічний університет» під керівництвом старшого викладача кафедри Ведь В.В.
Установка включала мембранний насос продуктивністю 6,6 л / хв. (1); ємність для мастили (2); змішувач струменевого типу (3); контактну камеру (4) систему визначення витрати повітря (5).
Малюнок 4 – Дослідна установка
Дослідна установка працює наступним чином. Насос 1 подає мастило в камеру змішування струменевого типу 3 де відбувається змішання мастила з повітрям та його захват з утворенням повітря-мастильної суміші. Повітря-мастильна суміш попадає в контакту камеру 4 де утворюється низхідна течія з додатковим захватом повітря і далі утворена суміш попадає в ємність для мастила 2. Витрата повітря, що змішується з мастилом визначали через діафрагму та диференційний манометр системи визначення витрати повітря 5.
4.3 Результати досліджень
Після встановлення режиму циркуляції масло - повітряної суміші, отримали наступні результати (мал. 5-6).
Малюнок 5 – Масло-повітряна суміш в контактній камері
В контактній камері видно утворення дисперсії повітря в мастилі, розмір бульбашок повітря був в діапазоні від 1,0..2,0 мм. Подальша циркуляція мастило-повітряної суміші приводив до утворення ще менших розмірів дисперсної фази.
Після попадання масло повітряної суміші в ємність для мастила, відбувався інтенсивний барботаж повітря з флотаційним ефектом (мал. 6).
Малюнок 6 – Ємність для мастила, флотаційний ефект
Як видно з мал. 6, висота пінного шару становила від 5 до 10 мм. Таким чином в ємності для мастила відбувалось розділення суміші з утворення шарів різного складу.
Для оцінки ефективності використаного методу розділення відпрацьованого мастила, після 30 хвилин роботи було відібрано пробу для визначення кислотного числа (мал. 7).
Малюнок 7 – Відбір проби для досліджень
4.4 Оцінка результатів досліджень
Лабораторні дослідження отриманих зразків, та вихідного матеріалу – відпрацьованого мастила показали, що кислотне число відпрацьованого мастила яке було визначено за методикою[8] - 0,5793, зменшилось до 0,3724. За проведеними розрахунками визначено, що зменшення кислотного числа відбулось в межах 35%-36%.
Також, було виконано порівняння отриманого обробленого мастила з вихідним відпрацьованим мастилом (рис. 8).
Малюнок 8 – Порівняння відпрацьованого та обробленого мастила
Як видно з мал. 8, відпрацьоване мастило (зліва) має більш темний колір, а верхній шар відстояного обробленого відпрацьованого мастила близький по кольору до невідпрацьованого мастила.
Запропонований метод є альтернативою існуючим методам очищення, екологічно безпечний і може бути використаним для регенерації відпрацьованих мастил. З наведеного методу регенерації відпрацьованих мастил можна зробити висновок, що запропонована мета роботи має перспективи і сучасна з точки зору збереження ресурсів та захисту навколишнього середовища. В подальшому потребує дослідження з сепарації отриманого обробленого мастила для збільшення швидкості розділення регенерованого мастила.
ВИСНОВКИ
Під час проведення досліджень регенерації відпрацьованого мастила був задіян струменево-інжекційний апарат . За допомогою нього були розроблені та впроваджені методи розділення відпрацьованого мастила для збільшення швидкості розділення регенерованих мастил, яке можно використовувати повторно.
Після проведення досліду ми отримали кислотне число відпрацьованого мастила, яке становило 1,93..3,14 після регернерації 0,075..0,45
Під час дослідження було з’ясовано, що очистка із 1,6 літрів непридатного продукту можливо отримати 1літр нової мастильної речовини, а це складає ᴝ 62 %. Саме тому цей метод регенерації мастил несе низьку собівартість, відноситься до екологічно-безпечних технологій, що дозволить зменшити вплив на довкілля.
Спираючись на отриманні знання щодо стану динаміки та тенденцій погіршення екологічних ситуацій в Україні, зокрема відсутності безпечної утилізації відпрацьованих мастил, які за законодавством України є небезпечними відходами, потрібне не тільки належне поводження з ними але й постійний пошук методів переробки відпрацьованих мастил з використанням екологічно-безпечних технологій, які дозволять зменшити вплив на довкілля і повернути його в технологічний цикл.
Література
Поляков П.С., Калейніков Г.Е. Системи опалення на базі відпрацьованих мастил / Вісник НТУ «ХПІ». 2014. № 12(1055). - с. 159-162.
А.С. Черновол, А.П. Мартиненко. Усунення негативного впливу відпрацьованих мастил на довкілля / Наукові записки КНТУ, вип.11, ч.ІІ, 2011. с. 238-241.
Деякі питання збирання, видалення, знешкодження та утилізації відпрацьованих мастил (олив). Постанова Кабінету міністрів України від 17 грудня 2012 р. № 1221
Тарабарова, А.О. Технології утилізації відпрацьованих моторних мастил [Текст]: робота на здобуття кваліфікаційного рівня бакалавр; спец.: 183 – технології захисту навколишнього середовища / А.О. Тарабарова; наук. керівник Д.О. Лазненко. – Суми: СумДУ, 2020. – 56 с.
Рижак В. В., Сигіль Н. М. Способи повторного використання відпрацьованих олив //Збірник тез доповідей ІX Міжнародної науково-технічної конференції молодих учених та студентів „Актуальні задачі сучасних технологій “. – 2020. – Т. 1. – С. 180-180.
Безовська М. С., Зеленько Ю. В. Регенерація відпрацьованих моторних олив підприємств залізничного транспорту. – 2009. (http://ena.lp.edu.ua/bitstream/ntb/4893/1/4.pdf)
Горовий М. В. Струминеві насоси, як елементи підвищення ефективності відцентрового очищення масла [Електронний ресурс ] / М. В. Горовий, А. О. Завялов // Сучасні проблеми землеробської механіки : збірник тез доповідей XIХ міжнародної наукової конференції, присвяченої 120-й річниці з дня заснування кафедри сільськогосподарських машин та системотехніки імені академіка П. М. Василенка та 118-й річниці з дня народження академіка Петра Мефодійовича Василенка, ( м. Київ, 17–19 жовтня 2018 р.). - Київ, 2018. - С. 302-303.