CC BY
0
технический сер вис в апк
ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ УДК 665.11:621.89.09 DOI: 10.26897/2687-1149-2023-2-41-45
Противоизносная присадка к смазочным материалам, полученная из жиросодержащих отходов мясоперерабатывающих предприятий
Сергей Михайлович Гайдар, д-р техн. наук, профессор
[email protected]; https://orcid.org/0000-0003-4290-2961; Scopus Author ID: 57191589797; Researcher ID: I-4723-2018 Оксана Михайловна Лапсарьш, аспирант
Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева; 127434, Российская Федерация, г Москва, ул. Тимирязевская, 49
Аннотация. Жиросодержащие отходы мясоперерабатывающей промышленности, представляющие собой жир-сырец, являются недорогим возобновляемым сырьем для производства ПАВ (поверхностно-активного вещества). Предложена технология переработки жира-сырца в поверхностно-активные вещества, включающая в себя два технологических процесса: деэмульгирование жиросодержащей водной эмульсии и получение технического жира (триглицерида); переработку технического жира в поверхностно-активное вещество (амидожирные кислоты). Представлена технологическая схема переработки жира-сырца в технический жир. Технология переработки триглицеридов реализована на лабораторной пилотной установке. Синтез поверхностно-активных веществ происходил при нагревании технического жира, моноэтаноламина и борной кислоты до температуры 180°С в течение 1,5 ч при соотношении (мас.%): технический жир - 65,3...72,4; моноэтаноламин -14,5.. .170; борная кислота - 100. Полученное поверхностно-активное вещество испытано на четырехшариковой машине трения как противоизносная присадка к смазочным маслам. Результаты трибологических испытаний показали высокую эффективность полученного поверхностно-активного вещества при использовании его в качестве противоизносной добавки в базовое масло И-20 в количестве 10%. Износ для контрольного образца (базовое масло) составил 207 мкм, а для смазочной композиции на основе амидожирных кислот - 167 мкм. Разработанная технология переработки жира-сырца в поверхностно-активные вещества может быть рекомендована для производства технической продукции: ингибиторов коррозии, противоизносной присадки, эмульгаторов, технических моющих средств и т.д.
Ключевые слова: жиросодержащие отходы мясоперерабатывающей промышленности, синтез поверхностно-активных веществ из технического жира, моноэтаноламин, жир-сырец, триглицерид, ПАВ, амиды жирных кислот, противоизносная присадка
Благодарности. Исследование «Разработка технологии переработки жиросодержащих отходов мясной отрасли» выполнено при финансовой поддержке внутриуниверситетского конкурса «Аспирантский научный контракт» в рамках программы развития университета в соответствии с программой стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Формат цитирования: Гайдар С.М., Лапсарь О.М. Противоизносная присадка к смазочным материалам, полученная из жиросодержащих отходов мясоперерабатывающих предприятий // Агроинженерия. 2023. Т. 25, № 2. С. 41-45. https://doi.org/10.26897/2687-1149-2023-2-41-45
© Гайдар С.М., Лапсарь О.М., 2023
ORIGINAL ARTICLE
Obtaining an anti-wear additive to lubricants based on fat-containing waste
from meat processing enterprises
Sergey M. Gaidar, DSc (Eng), Professor
[email protected]; https://orcid.org/0000-0003-4290-2961; Scopus Author ID: 57191589797; Researcher ID: I-4723-2018 Oksana M. Lapsar, postgraduate student
Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy; 49, Timiryazevskaya Str., Moscow, 127434, Russian Federation
Abstract. Fat-containing waste from the meat processing industry (crude fat) is an inexpensive renewable raw material for the production of surfactants. The authors propose a technology of processing crude fat into surfactants that consists of two
TEXHMEgMfi SEPBig B AM ArpoMHxeHepwa. 2023. T. 25, № 2. C. 41-45
technological processes: demulsification of a fat-containing aqueous emulsion and production of technical fat (triglyceride); technical fat processing into a surfactant (amide-fatty acids). The article presents a technological scheme of processing crude fat into technical fat. The technology of processing triglycerides has been tested in a laboratory pilot plant. Surfactants were synthetized when technical fat, monoethanolamine and boric acid were heated to a temperature of 180°C for 1.5 hours at a ratio (wt.%): technical fat - 65.3 to 72.4; monoethanolamine -14.5 to 170; boric acid - 100. The resulting surfactant was tested on a four-ball friction machine as an anti-wear additive to lubricating oils. The results of tribological tests have shown the high efficiency of the obtained surfactant when used as an anti-wear additive in the base oil I-20 in an amount of 10%. Wear for the control sample (base oil) amounted to 207 microns, and that for a lubricant composition based on fatty acid amides -to 167 microns. The developed technology of processing crude fat into surfactants can be recommended for obtaining technical products: corrosion inhibitors, anti-wear additives, emulsifiers, technical detergents, etc.
Keywords: fat-containing waste from the meat processing industry, synthesis of surfactants from technical fat, monoethanolamine, crude fat, triglyceride, surfactants, fatty acid amides, anti-wear additives
Acknowledgements. The research "Development of fat-containing waste processing technology for the meat industry" was carried out with the financial support of the intra-university competition "Postgraduate Research Contract" within the framework of the University development programme in accordance with the "Priority 2030" strategic academic leadership programme.
For citation: Gaidar S.M., Lapsar O.M. Obtaining an anti-wear additive to lubricants based on fat-containing waste from meat processing enterprises. Agricultural Engineering (Moscow), 2023;25(2):41-45. (In Rus.). https://doi.org/ 10.26897/2687-1149-2023-2-41-45
Введение. Жиросодержащие отходы мясоперерабатывающей промышленности представляют собой жир-сырец низкого качества или жиросодержащую эмульсию 4 класса опасности. Такие отходы не подлежат захоронению или утилизации при высоких температурах1,2 [1, 2]. При ежегодной переработке 110.. .115 млн т сельскохозяйственного сырья образуется более 50 млн т побочного сырья [3]. Не все жиросодержащие отходы можно переработать в корма. Жир-сырец может применяться для получения различной технической продукции, используемой в промышленности: пеногасителей, ингибиторов коррозии, флотореагентов, эмульгаторов и т.д3. [3].
Утилизация побочного сырья приводит к экологическому ущербу и снижению рентабельности производства. Исследования показали, что при максимальном использовании побочного сырья экономические показатели могут быть повышены в три раза4 [4].
Государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия предусмотрены мероприятия по развитию переработки продукции животноводства, в том числе планируется увеличить сбор и переработку побочных сырьевых ресурсов для выработки
1 Сизенко Е.И., Комаров В.И. Вторичные сырьевые ресурсы пищевой и перерабатывающей промышленности АПК России и охрана окружающей среды: Справочник / Под общ. ред. Е.И. Сизенко. М., 1999. 68 с.
2 Глубокая переработка отходов животноводства // Агробизнес. ФГБНУ «Росинформагротех»-2018. URL: https://agbz.ru/articles/ glubokaya-pererabotka-othodov-jivotnovodstva/?sphrase_id=2205929.
3 Федоренко В.Ф., Мишуров Н.П., Голубев И.Г., Неменущая Л.А., Коноваленко Л.Ю. Глубокая переработка сельскохозяйственного сырья: научное издание. ФГБНУ «Росинформагротех», 2017. 160 с.
4 Технология переработки жиров / Н.С. Артюнян, Е.А. Аришева, Л.И. Янова, И.И. Захарова, Н.Л. Меламуд. М.: Агропромиздат, 1985. 368 с.
различных видов продукции и довести интегрированный показатель глубины переработки до 90.. ,95%5.
Жиросодержащие отходы мясоперерабатывающей промышленности являются недорогим возобновляемым сырьем для производства ПАВ. Основным исходным сырьем для синтеза ПАВ являются жирные кислоты, получаемые из растительных и животных жиров (три-глицеридов)6,7 [5, 6].
Цель исследований: разработать технологию синтеза поверхностно-активных веществ из жиросодержащих отходов мясоперерабатывающей промышленности.
Материалы и методы. Технический жир представляет собой сложные эфиры трехатомного спирта (глицерин) и высших жирных кислот.
В составе триглицеридов присутствуют насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты8.
Синтез поверхностно-активных веществ из технического жира проводился на основе моноэтанолами-на (МЭА) H2N - CH2 - CH2 - OH9 [7].
Благодаря особенностям строения атома B, имеющего на внешней оболочке 3 электрона и не имеющего в трехвалентных соединениях полного электронного октета, атом бора обладает большим сходством с электронодо-норными реагентами, образуя с ними молекулярные соединения, вследствие чего он становится тетракоордина-ционным и приобретает тетраэдрическую конфигурацию.
5 Файвишеский М.Л. Переработка непищевых отходов мясоперерабатывающих предприятий // СПб.: ГИОРД, 2000. 256 с.
6 Абрамзон А.А. Поверхностно-активные вещества: свойства и применение: Справочник. Л.: Химия, 1981. 304 с.
7 Убой животных на мясокомбинатах, мясохладобойнях, побочные продукты животноводства: ИТС 43-2017.
8 Химия жиров / Б.Н. Тютюнников, З.И. Бухштаб, Ф.Ф. Гладкий и др. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Колос, 1992. 448 с.
9 Шенфельд Н. Неионогенные моющие средства продукты присоединения окиси этилена. М.: Химия, 1965. 487 с.
При получении амидов жирных кислот использовалось соединение бора - борная кислота Н3ВО310.
Метод переработки жиросодержащих отходов мясоперерабатывающей промышленности состоит из двух этапов. На первом этапе жир-сырец отделяется от воды и перерабатывается в технический жир (рис. 1).
На втором этапе из технического жира синтезируются амидожирные кислоты1112. Способ получения амидов жирных кислот включает в себя стадию нагревания технического жира, моноэтаноламина и борной кислоты до температуры 180°С в течение 1,5 ч при соотношении технического жира, моноэтаноламина и борной кислоты (мас.%): 65,3...72,4; 14,5...170; до 100 [8]. Реакция гидролитического расщепления жира и получения амида жирных кислот реализуется по схеме:
_ocor
_ocor 135°c - 150°с _ocor н 2o ocor ocor ocor
ho/
h2c-
b oh + hc
г
hc
h2n_ch2_ch2_o
h2n_ch2_ch2_o/
2|-
b oh + hc
- Г
h2o, h+
\n
h2c-
o"
^o
b_oh + hc_
-o/ hc
o"+ 3h+ + + 3oh"
o"
hc oh 2i— /o
hc oh + 3rc7
i — " 4oh
h c oh
h2n_ch2_ch2_o
^b
h2n_ch2_ch2_o/
r-conh_ch2_ch2_o
h2c-
b_oh + hc_
oh oh
с образованием амидов жирных кислот (АЖК). В готовом продукте получаем смесь амидов жирных кислот и глицерина.
Образец ПАВ синтезирован из жиросодержащих отходов мясоперерабатывающей промышленности на установке (рис. 2).
Трибологические показатели определялись на че-тырёхшариковой машине КТ-2 с помощью температурного метода оценки смазочной способности, в котором реализована низкая скорость относительного перемещения трущихся тел (0,24 мм/с) и практически отсутствие фрикционного нагрева, а температура в узле трения задаётся от внешнего источника тепла [9]. Схема узла трения представлена на рисунке 3. Исследование проводили в диапазоне температур 30.. ,300°C.
175°c - 180°c
Рис. 1. Технологическая схема переработки жира-сырца в технический жир
Fig. 1. Technological scheme of processing crude fat into technical fat
В реактор загружаются сначала аминоспирт и борная кислота. Реакционная масса перемешивается при подогреве до 110°С. В результате образуется гомогенная смесь, в которой протекает реакция конденсации с образованием бората аминоспирта и выделением воды при температуре 135.. .150°С. При введении в реактор триглицеридов параллельно происходит воздействие на жир водяного пара и катализатора, роль которого выполняет борная кислота. Борная кислота дает активный протон, который способствует присоединению молекулы воды в процессе гидролиза триглицери-да. В результате происходит гидролитическое расщепление триглицерида с образованием жирных кислот и глицерина.
При гидролизе триглицеридов происходит разрыв связей ацил-кислород, а не акил-кислород, вследствие чего к спиртовому остатку присоединяется Н+, а к ациль-ной группе - ОН-.
При повышении температуры реакционной массы до температуры 180°С происходит реакция конденсации
10 Арутунян Н.С., Аришева Е.А., Янова Л.И. и др. Технология переработки жиров: учебник. М.: Агропромиздат, 1985. 368 с.
11 Стопский В.С., Ключкин В.В., Андреев Н.В. Химия жиров и продуктов переработки жирового сырья: учебник. М.: Колос, 1992. 286 с.
12 Бор, его соединения и сплавы / Под ред. Г.В. Самсонова. Киев: Издательство АН Украинской ССР, 1960. 591 с.
Рис. 2. Экспериментальная установка, обеспечивающая синтез поверхностно-активных веществ из технического жира:
1 - магнитная мешалка с подогревом; 2 - стеклянная колба; 3 - термометр; 4 - холодильник; 5 - емкость для сбора конденсата
Fig. 2. Experimental installation used to synthetize surfactants from technical fat:
1 - heated magnetic stirrer; 2 - glass flask; 3 - thermometer; 4 - refrigerator; 5 - condensate collection tank
h2n_ch2
:
h2n_ch2
ch
:
+3
■h _o
:
oh
ЕРВИС В
Агроинженерия. 2023. Т. 25, № 2. С. 41-45
Рис. 3. Схема узла трения машины КТ-2:
1 - термопара; 2 - накидная гайка; 3 - шпиндель;
4 - шарик; 5 - масло; 6 - оправка;
7 - масляная чашка; 8 - нагреватель; 9 - торсион
Fig. 3. Diagram of the friction unit of the KT-2 machine:
1 - thermocouple; 2 - cap nut; 3 - spindle; 4 - ball; 5 - oil;
6 - mandrel; 7 - oil cup; 8 - heater; 9 - torsion bar
Температура узла трения ступенчато повышалась со скоростью ~4°C в минуту. Коэффициент трения оценивался в течение 60 с через каждые 10°C. Осевая нагрузка на узел трения составляла 108,4 Н (контактная нагрузка на один шар - 44,2 Н). Для испытаний синтезируемого ПАВ применили стандартные подшипниковые шарики из стали 100Cr6 (аналог отечественной стали ШХ15) диаметром 7,94 мм [10]. В качестве регистрируемых параметров выступали температура смазочного материала и значение момента трения, на основе которого определяли коэффициент трения. Графики зависимости коэффициента трения от температуры строились по результатам трех повторных испытаний.
После трибологических испытаний шарики промывали в растворителе для удаления остатков смазочного материала, на оптическом микроскопе измеряли диаметр пятен износа и делали фотографии для оценки степени повреждения поверхности шариков [11].
Результаты и их обсуждение. Разработанная технология переработки жиросодержащих отходов мясоперерабатывающей промышленности в технический жир позволяет в дальнейшем синтезировать органическое соединение - амиды жирных кислот, являющиеся поверхностно-активным веществом (ПАВ). Полученное на экспериментальной установке ПАВ использовали в качестве противоизносной добавки к базовому маслу И-20. Оптимальная концентрация ПАВ в смазочной композиции, определенная по результатам трибологических испытаний, составила 10% (рис. 4)
Износ образцов, определяемый при температуре 90°С, характерный для режима эксплуатации ДВС, для контрольного образца (масло И-20) составил 207 мкм, а для смазочной композиции - 167 мкм. Результаты представлены на рисунках 5, 6.
0.400 0.3500.3000.2500.2000.1500.1000.050-
г
/ /
\ / 1
/ / IjS / / \ / ""vit
гХ-»- у*"
■ И-20
50 100 150 200
Температура
- m-20+2%(riab-g) m-204-5%(nab-g)
250
300
и-2сн-10%(пав-о
Рис. 4. Зависимость коэффициента тренияf от концентрации ПАВ и температуры
Fig. 4. Relationship between the friction coefficientf, the concentration of surfactants, and temperature
1 испытание: И-20 1 испытание: ПАВ - G 10%
2 испытание: И-20 2 испытание: ПАВ - G 10%
3 испытание: И-20 3 испытание: ПАВ - G 10%
Рис. 5. Пятна износа при проведении трибологических испытаний
Fig. 5. Wear spots observed during tribological tests
g 250 a
S 240 ■3 230 220 210 200 190 180 170 160 150
Рис. 6. Гистограмма средних значений диаметров пятен износа при температуре 90°C:
1 - И-20; 2 - ПАВ (10%)
Fig. 6. Histogram of average wear spot diameters at a temperature of 90°C:
1 - I-20; 2 - surfactant (10%)
Результаты трибологических исследований позволяют рекомендовать разработанное ПАВ для производства технической продукции: ингибиторов коррозии, противоизносной присадки, эмульгаторов, технических моющих средств и т.д.
Выводы
1. Разработанная технология переработки жира-сырца в поверхностно-активные вещества является
Библиографический список
1. Технологическая линия переработки жиросодержащих отходов: Патент. RU113270 U1 Российская Федерация, МПК C11B13/00 / А.В. Соловьев, И.В. Карпов, А.А. Червяков. № 2011139445/13. Заяв. 27.09.2011; опубл. 10.02.2012. EDN: JOYWWS
2. Коноваленко Л.Ю. Убой и первичная переработка скота в России: состояние и перспективы // Пищевая промышленность. 2016. № 12. С. 16-19. EDN: XHBLEN.
3. Ланенцкий В.А. Использование отходов масложировой промышленности // Масложировая промышленность. 2008. № 5. С. 14-17. EDN: JUWFCB.
4. Гарзанов А.Л., Клячко А.А., Наумов М.М. Опыт создания очистных сооружений для птицефабрик // Мясная индустрия. 2013. № 1. С. 63. EDN: PXTWUZ.
5. Гарзанов А.Л., Клячко А.А., Наумов М.М., Пелевин Б.П. Очистка сточных вод современного предприятия // Мясная индустрия. 2015. № 9. С. 34-35. EDN: UIOXRH.
6. Горбунова Н.А. Проблемы и перспективы развития технической базы мясной отрасли // Мясной ряд. 2006. № 1 (23). С. 42-45.
7. Гайдар С.М., Карелина М.Ю., Хоанг Д.К., Ершов В.С., Акулов А.А., Волков А.О. Исследования сырья растительного происхождения для синтеза ингибиторов коррозии с целью продления срока службы металлоконструкций и техники в условиях повышенной влажности // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). 2021. № 1 (64). С. 17-23. EDN: YEQRTX.
8. Способ получения моно- и диэтаноламидов жирных кислот: Патент № RU2787477 от 09.01.2023 г / С.М. Гайдар, В.Е. Ко-ноплев, О.М. Лапсарь, Т.И. Балькова, А.М. Пикина, И.А. Посунь-ко. Заяв. № 2022109878 от 13.04.2022 г EDN: BNRHHH.
9. Буяновский И.А., Лашхи В.Л., Самусенко В.Д. Развитие температурного метода оценки смазочной способности масел // Мир нефтепродуктов: Вестник нефтяных компаний. 2017. № 2. С. 28-33. EDN: XVABJP.
10. Буяновский И.А., Лашхи В.Л., Самусенко В.Д., Доцен-ко А.И. Трибологические характеристики сульфонатов кальция как детергентов к моторным маслам // Трение и износ. 2017. Т. 38, № 2. С. 100-106. EDN: YOCWXJ.
11. Самусенко В.Д., Албагачиев А.Ю., Буяновский И.А. Трибологические испытания при высоких температурах смазок российского производства для космических механизмов // XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, г Уфа, 2019 г Т. 4. Уфа: Башкирский государственный университет, 2019. С. 489-490. EDN: LLYNGP.
С.М. Гайдар, О.М. Лапсарь имеют на статью авторские права и несут ответственность за плагиат. Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Статья поступила в редакцию 01.12.2022; поступила после рецензирования и доработки 01.02.2023; принята к публикации 03.02.2023
безотходной технологией, позволяющей расширить ассортимент технических материалов, получаемых жиросодержащих отходов мясоперерабатывающей промышленности.
2. Противоизносная присадка, добавленная к базовым маслам в количестве 10%, показала высокую эффективность: износ для контрольного образца с базовым маслом составил 207 мкм, а для смазочной композиции -167 мкм.
References
1. Solovyov A.V., Karpov I.V., Chervyakov A.A. Technological line for processing fat-containing waste: Pat. RU113270 U1 Russian Federation, IPC C11B13/00 / No. 2011139445/13; applied on 27.09.2011; issued on 10.02.2012. (In Rus.)
2. Konovalenko L.Y. Slaughter and primary processing of livestock in Russia: state and prospects. Food industry. 2016;12:16-19. (In Rus.)
3. Lanetskiy V.A. The use of waste from the fat-and-oil industry. Fat-and-oil industry = Maslozhirovaya promyshlennost. 2008;5:14-17. (In Rus.)
4. Garzanov A.L., Klyachko A.A., Naumov M.M. The experience of creating treatment facilities for poultry farms. Meat industry. 2013;1:63. (In Rus.)
5. Garzanov A.L., Klyachko A.A., Naumov M.M., Pelevin B.P. Wastewater treatment of a modern enterprise. Meat industry. 2015;9:34-35. (In Rus.)
6. Gorbunova N.A. Problems and development prospects of the technical facilities of the meat industry. Myasnoy ryad. 2006;1(23):42-45. (In Rus.)
7. Gaidar S.M., Karelina M.Yu., Hoang D.K., Ershov V.S., Aku-lov A.A., Volkov A.O. Studies of plant-based raw materials for the synthesis of corrosion inhibitors in order to extend the service life of metal structures and equipment in conditions of high humidity. VestnikMoskovskogo avtomobilno-dorozhnogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta (MADI). 2021;1(64):17-23. (In Rus.)
8. Method of obtaining mono- and diethanolamides of fatty acids: Patent No. RU2787477 dated 09.01.2023 / Gaidar S.M., Ko-noplev VE., Lapsar O.M., Balkova T.I., Pikina A.M., Posunko I.A. Application No. 2022109878 dated 13.04.2022 (In Rus.)
9. Buyanovsky I.A., Lashkhi V.L., Samusenko V.D. Developing a temperature method for assessing the lubricity of oils. World ofPe-troleumProducts. 2017;2:28-33. (In Rus.)
10. Buyanovsky I.A., Lashkhi V.L., Samusenko VD., Dotsen-ko A.I. Tribological characteristics of calcium sulfonates as detergents to motor oils. Friction and wear. 2017;38(2):100-106. (In Rus.)
11. Samusenko VD., Albagachiev A.Yu., Buyanovskiy I.A. Tribological tests at high temperatures of Russian-made lubricants for space mechanisms. XII Vserossiyskiy syezd po fundamentalnym problemam teoreticheskoy iprikladnoy mekhaniki, Ufa, 2019. Ufa: Bashkir State University, 2019;4:489-490. (In Rus.)
S.M. Gaidar, O.M. Lapsar have copyright on the article and are responsible for plagiarism. Conflict of interests
The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.
Received 01.12.2022; revised 01.02.2023; accepted 03.02.2023
