Изопропиловые эфиры льняного масла как потенциальные добавки к топливу Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ Том 7 N 3 2017

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ / BRIEF COMMUNICATION Оригинальная статья / Original article УДК 665.7.038.3

DOI: 10.21285/2227-2925-2017-7-3-178-182

ИЗОПРОПИЛОВЫЕ ЭФИРЫ ЛЬНЯНОГО МАСЛА КАК ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ДОБАВКИ К ТОПЛИВУ

© О.З. Турсунов, А.А. Лычкина, Е.В. Карасёв, О.В. Белозерова

Иркутский национальный исследовательский технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Цель - изучение влияния изопропилового эфира льняного масла на характеристики дизельного топлива и автомобильного бензина, так как использование эфиров растительного сырья в качестве биодобавки, как к дизелю, так и к бензину, может значительно улучшить характеристики топлива. Систематические исследования различных объемных соотношений добавки и топлива позволили найти оптимальное значение. На основе полученных истинных температур кипения (ИТК) был проведен анализ фракционного состава топлива без добавления изопропилового эфира льняного масла и с добавлением его от 1 до 3% об. Установлена возможность применения изопро-пиловых эфиров льняного масла в качестве цетаноповышающей и октаноповышающей добавок. Ключевые слова: добавки, октановое число, цетановое число, льняное масло, топливо, биодобавки.

Формат цитирования: Турсунов О.З., Лычкина А.А., Карасёв Е.В., Белозерова О.В. Изопропиловые эфиры льняного масла как потенциальные добавки к топливу // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. Т. 7, N 3. C. 178-182. DOI: 10.21285/2227-2925-2017-7-3-178-182

ISOPROPYL ESTER OF LINSEED OIL AS A POTENTIAL FUEL ADDITIVES

© O.Z. Tursunov, A.A. Lychkina, E.V. Karasev, O.V. Belozerova

Irkutsk National Research Technical University,

83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation

Use of esters of vegetable raw materials as supplements, both diesel and gasoline fuel can greatly improve performance. Purpose - to study the effect of isopropyl ester of linseed oil on the characteristics of diesel fuel and motor gasoline. Systematic study of various volume ratios of fuel additives and allowed to find the optimal value. On the basis of the true boiling point (CTI) was conducted fractional analysis of the fuel composition without the addition of isopropyl ester of linseed oil and adding it with from 1 to 3% (vol.). The possibility of using isopropyl ether as linseed oil tsetanopovyshayuschey and octane additives. Keywords: additives, octane number, cetane number, linseed oil, fuel supplements

For citation: Tursunov O.Z., Lychkina A.A., Karasev E.V., Belozerova O.V. Isopropyl ester of linseed oil as a potential fuel additives. Izvestia Vuzov. Prikladnaya Khimia i Biotekhnologiya [Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology]. 2017, vol. 7, no. 3, pp. 178-182 (in Russian). DOI: 10.21285/22272925-2017-7-3-178-182

ВВЕДЕНИЕ

Двигатели внутреннего сгорания являются основным энергетическим средством и производят до 80% энергии. Дизельные двигатели в свою очередь находят более широкие области применения, чем карбюраторные, так как они являются более экономичными. В России главными потребителями дизельного топлива является сельское хозяйство. Если верить прогнозам экспертов, то к 2030 г в сельском хо-

зяйстве прогнозируется увеличение потребления дизельного топлива в 4 раза1

1

Энергетическая стратегия России на период до 2030 г.: утв. Правительством РФ 13.11. 2009 г. № 1715-р). М., 2012. 120 с. Energy Strategy of Russia for the period up to 2030: approved by the Government of the Russian Federation 13.11. 2009 № 1715-p). Moscow, 2012. 120 p.

Не стоит забывать, что нефтепродукты, в том числе и дизельное топливо, относятся к невозобновляемым источникам энергии. В последнее время темпы добычи дешевой легкой нефти значительно снижаются, а разведка с последующей переработкой труднодоступных тяжелых высокосернистых и высоковязких нефтей требуют больших капиталовложений. Количество новых открываемых геологоразведкой нефтяных месторождений на порядок меньше объема добываемой нефти. Кроме того, их месторасположение находится в труднодоступных местах, как, например, за полярным кругом, что требует дополнительные средства на транспортировку, а добываемая нефть имеет недостаточное качество, что влечет за собой дополнительную очистку. Все вышеперечисленные проблемы привели к тому, что во многих индустриально развитых странах начался поиск альтернативных возобновляемых источников сырья и топлива.

Несмотря на то, что дизельные двигатели являются более экономичными, они имеют ряд недостатков, которые негативно сказываются на состоянии окружающей среды. В процессе эксплуатации дизельные двигатели выбрасывают отработанные газы, а вместе с ними выбрасываются и загрязняющие вещества. К этим веществам относятся: оксиды углерода (0,2%), углеводороды (0,01%), оксиды азота (0,25%), альдегиды (0,002%), диоксид серы (0,03%), сажа, бенз-а-пирен [2]. Европейские стандарты жестко регламентируют содержание вредных веществ в отработанных газах (табл.1).

С ужесточением требований к защите окружающей среды от вредных выбросов с отработавшими газами двигателя внутреннего сгорания (ДВС) возникла серьезная проблема с обеспечением качества моторного топлива. Процесс обессеривания дизельных топлив привел к потере ряда потребительских свойств. [3]

Основные методы улучшения качества дизельного топлива направлены на сокращение массовой доли углеводородов, серы, азота и монооксида углерода в отработанных газах. Сокращение массовой доли серы будет оказывать влияние на снижение смазывающей способности дизельного топлива, что может привести к выходу из строя топливных насосов, а также приведет к увеличению коррозионной активности, уменьшается ресурс двигателя.

Для улучшения характеристик как дизельных, так и автомобильных топлив необходимо добавлять в них противоизносные присадки. В настоящее время потребность в противоиз-носных присадках в России составляет свыше

6200 т/год. На сегодняшний день на рынке присадок к топливам ведущие места занимают зарубежные фирмы, а объем отечественных присадок и добавок к дизельному топливу с каждым годом практически не изменяется, что приводит к зависимости российского производителя топлив от зарубежных поставщиков. Поэтому достаточно остро стоит вопрос расширения ассортимента присадок отечественного производства, которые позволят улучшить качество дизельных топлив и решить задачи импортозамещения.

Таким образом, имеется актуальная проблема, которая заключается в растущей потребности экологически чистого дизельного топлива. Один из вариантов решение данной проблемы является использование растительной биомассы в качестве присадок и добавок к дизельному топливу. Добавки к дизельному топливу из растительных масел пищевого назначения во многих развитых странах уже используются, в нашей стране этот вопрос изучен еще недостаточно глубоко. Использование эфиров растительного сырья в качестве биодобавки, как к дизельному топливу, так и к автомобильному бензину может привести к быстрому развитию биоэнергетики в нашей стране. Поэтому исследование эффективности применения данных добавок для улучшения свойств дизельного топлива является весьма актуальным.

В современном производстве биологические присадки и добавки для дизельного топлива получают из масел растительного происхождения реакцией переэтерификации, которая не требует сложного оборудования и высоких температур. Дизельное топливо с такими присадками обладает лучшими экологическими и смазывающими характеристиками. Также снижается выброс твердых веществ, угарного и углекислого газа.

В РФ основными производителями биологических присадок и добавок к дизельному топливу является Новокуйбышевский завод масел и присадок. В мире наиболее популярными марками биологических противоизнос-ных присадок являются Kerokorr LA99C (BASF) и Dudilube 4940 (Clariant). В качестве компонентов данных добавок являются кислоты таловых масел. Внедрение кислот таловых масел позволяет удешивить технологию и стоимость товарного продукта, но наличие кислот не желательно, так как происходит образование отложений в топливе.

В качестве основных компонентов, призванных улучшать смазывающую способность топлива, чаще всего используются карбоновые кислоты и их производные (эфиры и амиды).

Таблица 1

Европейские стандарты содержания вредных веществ в отработанных газах

Table 1

Harmful substance content in waste gases. European standards

Показатели качества топлива Стандарты

Евро 1 Евро 2 Евро 3 Евро 4 Евро 5

Монооксид углерода, % 2,72 1 0,64 0,50 0,50

Углеводороды,% 0,97 0,90 0,56 0,30 0,23

Сера, мг/кг - 500 350 50 10

Оксид азота,% - - 0,50 0,25 0,18

Состав зависит от природы перерабатываемого сырья. Жирные кислоты - это смесь нормальных насыщенных и преимущественно ненасыщенных кислот с углеродной целью С16-С24 (олеиновая, линоленовая, линолевая и т.д.) [4]

Однако данный процесс имеет ряд недостатков: присутствующие в масле свободные жирные кислоты взаимодействуют с основным катализатором с образованием мыл и при достаточной концентрации могут полностью его нейтрализовать. При наличии даже небольших количеств влаги происходит омыление эфи-ров. Образующиеся мыла способствуют образованию устойчивых эмульсий, что вызывает серьезные затруднения на стадии очистки присадки. [5]

Также достаточно известным компонентом для получения экологически чистых присадок и добавок для дизельного топлива стала смесь метиловых эфиров жирных кислот, которую получают из растительного сырья - рапсового, соевого, подсолнечного масел. Их можно использовать в исходном виде или после химической переработки (облагораживания). Причем интересны не сами эти масла, а их метиловые эфиры, получаемые как из отходов производства пищевых продуктов, так и из растительных масел. Основными компонентами добавок представленных масел являются сложные эфиры жирных кислот, содержащихся в растительных маслах.

С помощью хромато-масс-спектрометра Agilent 5973 в неполярной колонке DB-Petro длиной 100 метров был получен количественный и качественный состав. Количество эфи-ров составило 77,78%(масс.) [6-8].

Целью настоящего исследования явилось изучение влияния изопропиловых эфиров льняного масла на характеристики дизельного топлива и бензин, а также получение предварительной информации о возможности использования эфиров данного масла в качестве

октаноповышающих и цетаноповышающих биологических добавок топливу.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В ходе проведения исследования нами было изучено влияние изопропилового эфира льняного масла (ИПЭЛМ) на дизельное топливо и автомобильный бензин. Систематически исследовали различные объемные соотношения добавки и топлива с целью нахождения оптимальных результатов. В процессе смешения различных объемов изопропилового эфира с топливом более оптимальные показатели были получены при смешении ИПЭЛМ с топливом в процентном соотношении 1:99, 2:98 и 3:97 соответственно. Показатели изменения октановых и цетановых чисел были измерены с помощью прибора «Октанометр».

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

При добавлении от 1 до 3 % об. ИПЭЛМ к дизельному топливу цетановое число (ЦЧ) увеличилось на 10 единиц, а при добавлении к автомобильному бензину увеличилось октановое число по моторному методу (ОЧММ) примерно на 1,7 единицы, а октановое число по исследовательскому методу (ОЧИМ) увеличилось более чем на 3 единицы. Влияние ИПЭЛМ на цетановые и октановые числа исходных топлив представлены в табл. 2.

Согласно ГОСТ 11011-85 были построены кривые истинных температур кипения (ИТК) для исследования фракционного состава бензина без добавления добавки и с добавлением добавки от 1 до 3% об. В ходе работы нами обнаружено, что полученные результаты совпадают с характеристиками бензина марки АИ - 92.

Льняное масло отличается заметно большими плотностью и вязкостью, поэтому работа дизельного двигателя на топливе с добавлением эфиров данного масла достаточно целесообразна.

Следует также отметить, что среди расти-

Таблица 2

Влияние ИПЭЛМ на цетановые и октановые числа исходных топлив

Table 2

Isopropyl ether of linseed oil effect on cetane and octane number of initial fuel

ИПЭЛМ, % (об) 0 1 2 3

ЦЧ 31 46 54 64

ОЧММ 80 82 84 85

ОЧИМ 86 91 94 95

тельных масел льняное имеет наилучшие низкотемпературные свойства (температура застывания tз=-20 0С). Эти характеристики необходимо учитывать при организации зимней эксплуатации транспортных средств, работающих на топливах, содержащих данное масло.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведение исследования показало, что изопропиловый эфир льняного масла может быть использован в качестве октаноповыша-

1. Данилов A.M., Каминский Э.Ф., Хавкин В.А. Альтернативные топлива: достоинства и недостатки. Проблемы применения // Российский химический журнал. 2003. T. XLVII, N 6. С. 4-11.

2. Данилов А.М. Применение присадок в топливах. М.: Химиздат, 2010. 368 с

3. Варфоломеев С.Д., Ефременко Е.Н., Крылова Л.П. Биотоплива // Успехи химии. 2010. Т. 79, N 6. С. 544-564

4. Ишбаева А.У., Талипова Л.А., Шахмаев Р.Н., Вершинин С.С., Спирихин Л.В., Зорин В.В. Получение биодизеля кислотно-катализируемой переэтерификацией подсолнечного масла изопропиловым спиртом // Башкирский химический журнал. 2009. N 3. С. 5-9.

ющей и цетаноповышающей добавки. Добавление 1-3% об. изопропилового эфира льняного масла к дизельному топливу привело к росту цетанового числа в среднем на 10 ед., а добавление к бензину привело к росту октанового числа по исследовательскому методу на 3 ед., по моторному методу около 2 ед.

Требуются дополнительные исследования для более глубокого анализа полученных топлив, а также для подбора оптимальных дозировок биодобавки.

КИЙ СПИСОК

5. Loizzo M.R., Tundis R., Conforti F., Saab A.M., Statti G.A., Menichini F., Comparative chemical composition, antioxidant and hypogly-caemic activities of Juniperus oxycedrus ssp. Ox-ycedrus L. berry and wood oils from Lebanon // Food Chem. 2007. N 105. P. 572-578.

6. Haider N., Karlsson S., Loss of Chimas-sorb 944 from LDPE and identification of additive degradation products after exposure to water, air and compost // Polym. Degrad. Stab. 2001. N 74. P. 103-112.

7. Okumura T. Retention indices of environmental chemicals on methyl silicone capillary column // Journal of Environmental Chemistry (Japan). 1991. N 1 (2). P. 333-358.

1. Danilov A.M., Kaminskii E.F., Khavkin V.A. Alternative fuel: advantages and disadvantages. Application problems Rossiaskii khimicheskii zhurnal [Russian Journal of General Chemistry]. 2003, vol. 48, no. 6, pp. 4-11. (in Russian)

2. Danilov A.M. Primenenie prisadok v top-livakh [The use of additives in fuels]. Moscow: Khimizdat Publ., 2010, 368 p.

3. Varfolomeev S.D., Efremenko E.N., Krylo-va L.P. Biofuels Uspekhi khimii [Russian Chemical Reviews]. 2010, vol. 79, no. 6, pp. 544-564. (in Russian)

4. Ishbaeva A.U., Talipova L.A., Shakhmaev R.N., Vershinin S.S., Spirikhin L.V., Zorin V.V. Production of biodiesel acid catalyzed transesteri-fication of vegetable oil with isopropyl alcohol.

Bashkirskii khimicheskii zhurnal [Bashkir chemical journal]. 2009, no. 3, pp. 5-96. (in Rusian)

5. Loizzo M.R., Tundis R., Conforti F., Saab A.M., Statti G.A., Menichini F., Comparative chemical composition, antioxidant and hypogly-caemic activities of Juniperus oxycedrus ssp. Ox-ycedrus L. berry and wood oils from Lebanon, Food Chem. 2007, no. 105, pp. 572-578.

6. Haider N., Karlsson S., Loss of Chimas-sorb 944 from LDPE and identification of additive degradation products after exposure to water, air and compost. Polym. Degrad. Stab. 2001, no. 74, pp. 103-112.

7. Okumura T. Retention indices of environmental chemicals on methyl silicone capillary column. Journal of Environmental Chemistry. no. 1(2), pp. 333-358.

Критерии авторства

Турсунов О.З., Лычкина А.А., Карасёв Е.В., Белозерова О.В. выполнили экспериментальную работу, на основании полученных результатов провели обобщение и написали рукопись. Турсунов О.З., Лычкина А.А., Карасёв Е.В., Белозерова О.В. имеют на статью равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации

Отабек З. Турсунов

Иркутский национальный исследовательский

технический университет

Магистрант

[email protected]

Contribution

Tursunov O.Z., Lychkina A.A., Karasev E.V., Belozerova O.V. carried out the experimental work, on the basis of the results summarized the material and wrote the manuscript. Tursunov O.Z., Lychkina A.A., Karasev E.V., Belozerova O.V. have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.

AUTHORS' INDEX Affiliations

Otabek Z. Tursunov

Irkutsk National Research Technical University

Undergraduate Aspireone121 @gmail.com

Анастасия А. Лычкина

Иркутский национальный исследовательский

технический университет

Бакалавр

[email protected] Евгений В. Карасёв

Иркутский национальный исследовательский

технический университет

Бакалавр

karas 1494@yandex. т Ольга В. Белозерова

Иркутский национальный исследовательский технический университет К.х.н., доцент [email protected]

Поступила 03.12.2016

Anastasia A. Lychkina

Irkutsk National Research Technical University

Bachelor

[email protected]

Evgenii V. Karasev

Irkutsk National Research Technical University

Bachelor

[email protected] Olga V. Belozerova

Irkutsk National Research Technical University

Ph.D. (Chemistry), Associate Professor [email protected]

Received 03.12.2016