CC BY
41
УДК 544.77:544.3
DOI 10.25513/1812-3996.2018.23(3).111-117
СТРУКТУРНО-ВЯЗКОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СМЕСЕЙ ТРАНСМИССИОННОГО И ГИДРАВЛИЧЕСКОГО МАСЛА С ТАЛЬКОМ
Ш. К. Амерханова1, Р. М. Шляпов2, А. С. Уали1, М. К. Каппар2
1Евразийский национальный университет им. Л. Н. Гумилева, г. Астана, Казахстан 2Карагандинский государственный университет им. Е. А. Букетова, г. Караганда, Казахстан
Информация о статье
Дата поступления 27.02.2018
Дата принятия в печать 28.06.2018
Дата онлайн-размещения 29.10.2018
Ключевые слова
Минеральные добавки, структурно-вязкостные свойства, тальк, нефтепродукты
Аннотация. В работе исследовано влияние состава, количества, а также температуры на структурно-вязкостные свойства смесей трансмиссионного и гидравлического масел с минеральным и медицинским тальком. Рассчитаны физико-химические параметры вязкого течения трансмиссионного и гидравлического масел при содержании минерального и медицинского талька в пределах 0,1-2 % (мас.). Показано, что повышение температуры способствует уменьшению энтальпии активации, что указывает на снижение активационного барьера для процессов взаимодействия тальк - масло. Рассчитаны величины энергии активации кластеров, отвечающей прочности междукластерной связи в качестве критерия подбора минеральных добавок для сбора нефтепродуктов.
STRUCTURAL-VISCOUS CHARACTERISTICS OF MIXTURES OF TRANSMISSION AND HYDRAULIC OIL WITH TALK
Sh. K. Amerkhanova1, R. M. Shlyapov1, ^ S. Uali1, М. K Kappar2
1Eurasian National University n. a. L. N. Gumilyov, Astana, Kazakhstan 2Karaganda State University n. a. Ye. A. Buketov, Karaganda, Kazakhstan
Article info
Received 27.02.2018
Accepted 28.06.2018
Available online 25.09.2018
Keywords
Mineral additives, structural-viscous properties, talc, oil products
Abstract. In the paper the influence of composition, quantity and temperature on structural-viscous properties of mixtures of transmission and hydraulic oils with mineral and medical talc has been investigated. The physicochemical parameters of viscous flow of the transmission and hydraulic oils are calculated in the content of mineral and medical talc in the range of 0,1-2 % (by weight). It has been shown that an increase of temperature contributes to the reduction the enthalpy of activation. This indicates a decrease of activation barrier for interaction processes of talc-oil. The activation energy values of clusters in charge of the strength of intercluster bond as a criterion of mineral additives selection for the collection of oil products are calculated.
1. Введение
Основными источниками поступления масел в
окружающую среду, в большей степени в водные объекты, являются автотранспорт, станции технического осмотра, танкеры, перевозящие нефтепродукты, либо трансатлантические морские суда. Среди первых источников можно выделить отработанные масляные фильтры, которые вследствие не-
организованного сбора представляют значительную угрозу окружающей среде. Например, приводятся сведения [1] о расходе 140 млн масляных фильтров/год для российского автопарка. Поскольку в каждом фильтре содержится до 500 г отработанного масла, то общее количество поступающего в почву и воду загрязнителя составляет 14 000 м3/год. Проводя сравнительный анализ загруженности город- 111
ских магистралей автотранспортом в г. Алматы, отметим, что по состоянию на 2009 г. она составила 554 тыс. автомобилей, при приросте в 40 тыс. ед./год, этот показатель в 2017 г. составил 874 тыс. [2]. Тогда загрязненность нефтепродуктами при утилизации 3-4 фильтров/год на автомобиль составит 1748 т/год. При эксплуатации моечных установок станций технического осмотра с одного легкового автомобиля в год поступает 50 кг нефтепродуктов, с грузового - 150 кг, в среднем - 100 кг [3]. Для уменьшения влияния нефтепродуктов на экологию регионов применяются механические, химические, физико-химические, биологические и термические методы очистки сточных вод до необходимого качества, зависящего от вида производства [4]. Указанные методы очистки подразделяются на рекуперационные и деструктивные. Рекуперационные методы предусматривают извлечение из сточных вод и дальнейшую переработку всех ценных веществ. При использовании деструктивных методов вещества, загрязняющие воды, подвергаются разрушению путем окисления или восстановления. Продукты разрушения удаляются из воды в виде газов или осадков [5].
Выбор метода очистки и конструктивное оформление процесса производятся с учетом следующих факторов: 1) санитарных и технологических требований, предъявляемых к качеству очищенных вод с учетом дальнейшего их использования; 2) количества сточных вод; 3) наличия у предприятия необходимых для процесса обезвреживания энергетических и материальных ресурсов (пар, топливо, сжатый воздух, электроэнергия, реагенты, сорбенты), а также необходимой площади для сооружения очистных установок; 4) эффективности процесса обезвреживания. Процесс отстаивания используют и для очистки производственных сточных вод от нефти, масел, смол, жиров и др. Очистка от всплывающих примесей аналогична осаждению твердых веществ. Различие заключается в том, что плотность всплывающих частиц меньше, чем плотность воды. Для улавливания частичек нефти используют нефтеловушки. Для улавливания жиров применяют жиро-ловушки. В этом плане рекуперационные методы являются более экологичными, так как в процессе их эксплуатации в окружающую среду не выделяются токсичные продукты распада нефтепродуктов, которые служат источником вторичного экологического загрязнения [6]. Для достижения поставленной цели используют природные и синтетические неорганические и органические сорбенты [7-15].
Анализ приведенных выше источников [7-15] показал, что по частоте использования в очистке сто-
ков от нефтепродуктов сорбенты могут быть расположены в ряд: угольные сорбенты, сорбенты на основе природного сырья, синтетические сорбенты, сорбенты животного и растительного происхождения. Однако число работ, посвященных использованию природных силикатов для очистки от нефтепродуктов, весьма ограниченно. Так, например, приводятся сведения о сорбционных характеристиках алюмосиликатов по отношению к нефтепродуктам, исследованы пористость, сорбционная емкость [16]. Поэтому актуальность работы, предполагающей исследование влияния талька на реологическое поведение нефтепродуктов, достаточно высока с научно-теоретической и практической точки зрения. Также следует отметить, что использование слоистых силикатов затруднено вследствие высокой адгезионной способности по отношению к воде, поэтому для усиления сорбционной способности слоистых силикатов, а именно вермикуллита, применяют модификацию органическими соединениями на основе кремния [17].
Целью данной работы является оценка влияния состава смеси, количества минеральной добавки и температуры на структурно-вязкостные свойства суспензии талька с нефтепродуктами.
2. Экспериментальная часть
Объектами исследования служили образцы трансмиссионного масла марки TAD-17, гидравлического масла марки ВМГЗ ПАО, минеральный тальк, медицинский тальк.
Химический анализ минерального талька проведен на рентгенофлуоресцентном спектрометре марки Theseus SCI TS-RFS-1091.
При вискозиметрическом методе исследования измеряют время истечения раствора [18]. Среднее значение времени истечения раствора воспроизводилось с точностью до 0,2-0,3 с. Кинематическую вязкость раствора рассчитывали (в мм2/с) по уравнению:
A ■ g-х
v (1)
980,7
где А - постоянная вискозиметра, g - ускорение свободного падения, т - время истечения раствора, с.
Термодинамические характеристики вязкого течения рассчитывались по температурной зависимости кинематической вязкости смеси согласно формуле
Ea
•П = -Ло ■ eRT, (2)
где п - вязкость динамическая, Па-с, Еа - энергия активации вязкого течения, кДж/моль, Т - абсолютная
температура, К, по - предэкспонента уравнения Френкеля, Па-с, R - универсальная газовая постоянная, R = 8,314 кДж/(моль-К) [19]. 3. Обсуждение результатов Результаты рентгенофлуоресцентного анализа образца талька приведены в табл. 1.
Таблица 1 Результаты химического анализа
Анализ табл. 1 показал, что ионы магния частично замещены на ионы железа (II), следовательно, образец талька представляет собой зеленовато-серый «миннесотаит». Согласно данным, приведенным в работе [20], кристаллическая структура талька сложена из двумерных слоев ^40ш]4". Остовом структуры слоистых силикатов являются сетки кремнекислородных тетраэдров. Они располагаются параллельно друг другу и чередуются с плоскими сетками другого состава, включающими ионы магния (II) и железа (II), образуя пакеты слоёв. Следовательно, активные центры поверхности представлены атомами кислорода, на которых сорбируются молекулы воды. Однако, гидрофобность талька обусловлена превышением теплоты взаимодействия молекул воды в объеме раствора над теплотой адсорбции молекул воды на поверхности минерала [21]. Данный механизм сорбции воды характерен для активированных углей. На рис. 1-4 приведены результаты реологических исследований смеси тальк - масло при различных температурах и содержаниях талька.
Из рис. 1-2 видно, что кинематическая вязкость трансмиссионного масла при 298 К и содержании талька 0,5 % ниже, чем для исходного образца, но выше, чем при содержании 0,1-0,3 %, это связано с уменьшением взаимодействия между частицами талька и трансмиссионным маслом. При более высоких температурах влияние талька на вязкость сни-
жается за счет ослабления водородных связей между углеводородами и активными центрами кремнекислородных тетраэдров.
V, мм2/с V, мм2/с
ш, %
Рис. 1. Зависимость кинематической вязкости трансмиссионного масла от содержания минерального талька в смеси при различных температурах: 1 - 298 К, 2 - 308 К, 3 - 318 К
V, мм2/с V <™2/с
%
Рис. 2. Зависимость кинематической вязкости трансмисионного масла от содержания медицинского
талька в смеси при различных температурах: 1 - 298 К, 2 - 308 К, 3 - 318 К
Для медицинского талька максимум вязкости при 298 К наблюдается для смеси трансмиссионного масла, содержащей 0,1 % минерального компонента. Тогда как при более высоких температурах максимум вязкости смещается в область более высоких содержаний, что обусловлено большей реакционной способностью талька.
Анализ данных, приведенных на рис. 3-4, показал, что для смеси гидравлическое масло - минеральный тальк при 298 К максимум вязкости наблюдается при содержании 0,1 % минеральной добавки, для медицинского талька при 298 К максимум также
Компонент Мас. доля, % Стандартное отклонение, S
AI2O3 2,012 0,016
SiO2 11,506 0,027
P 0,0374 0,0025
S 0,04508 0,00028
MnO 0,0941 0,0012
Fe2O3 5,0534 0,0099
Cu 0,01667 0,00026
K 0,0808 0,0087
Ca 7,852 0,024
Ti 0,1433 0,0023
наблюдается при содержании 0,1 %, однако при 308 и 318 К максимальные значения вязкости имеют место при 0,5 %.
V, мм2/с V, мм2/с
ш, %
Рис. 3. Зависимость кинематической вязкости гидравлического масла от содержания минерального талька в смеси при различных температурах: 1 - 298 К, 2 - 308 К, 3 - 318 К
ш, %
Рис. 4. Зависимость кинематической вязкости гидравлического масла от содержания медицинского
талька в смеси при различных температурах: 1 - 298 К, 2 - 308 К, 3 - 318 К
Следовательно, тальк оказывает существенное влияние на вязкость при низких температурах, поэтому его влияние будет проявляться в максимальной степени при температуре застывания смесей (табл. 2). Температура застывания смесей рассчитывалась по формулам, приведенным в работе [22].
На основании данных рис. 1-4 были выбраны оптимальные значения содержания талька, отражающие максимальную структурирующую способность. Рассчитанные физико-химические параметры (табл. 3-6) показывают, что повышение температуры способствует уменьшению энтальпии актива-
ции, что указывает на снижение активационного барьера для процессов взаимодействия тальк - масло.
Таблица 2 Результаты расчета температуры застывания
трансмиссионного и гидравлического масел
Wтальк, % Тз, К
ТАД-17 ВМГЗ ПАО
0,1 247,99 228,99
0,2 247,97 228,97
0,3 247,96 228,96
0,5 247,93 228,94
0,75 247,90 228,90
Высокие значения энтальпии активации для медицинского талька обусловлены значительным энергетическим барьером. Относительно низкие значения ДН# для минерального (природного) талька позволяют предположить существование плотного поверхностного слоя ассоциатов.
Изменения в сольватном окружении, которые играют существенную роль в процессах адсорбции, отражаются на термодинамических характеристиках вязкого течения (табл. 3-4). Анализ данных показал, что при взаимодействии углеводородов с поверхностью минерального талька изменение энтропии активации минимально, тогда как в случае медицинского талька приращение энтропии активации выше в 1,5 раза. Увеличение энтропии активации вязкого течения связано с увеличением числа возможных термодинамических состояний системы и уменьшением числа активных компонентов. Следовательно, реакционная способность углеводородов по отношению к медицинскому тальку ниже, чем к минеральному за счет различия в величине краевого угла смачивания. В случае медицинского (очищенного) талька угол смачивания водой приобретает значение 65° [23], в случае минерального (природного) талька угол смачивания равен 73° [24]. Повышение температуры приводит к увеличению энтропии, что говорит о сорбции отдельных ассоциатов за счет образования водородных связей с активными центрами поверхности талька.
Также рассчитаны величины приведенной энергии активации кластеров, отвечающей прочности междукластерной связи (таблицы 3-6). Показано, что интервал изменения величин составляет 1,99-6,42 кДж/кластер, который характерен для энергии притяжения ван-дер-ваальсовых сил. Поэтому вязкое течение сопровождается преодолением самых слабых сил, что указывает на разруше-
ние ассоциатов на поверхности, но не кластеров [25]. Увеличение средней энергии междукластерной связи при переходе от минерального талька к медицинскому для трансмиссионного и гидравлического масел свидетельствует о низкой стабильности ассоциатов на поверхности минерального
талька. Следовательно, подбор минеральных добавок для усиления ассоциатообразования необходимо проводить по средней энергии междукластерной связи. Таким образом, приведенная энергия активации является критерием подбора добавок для сбора нефтепродуктов.
Таблица 3
Термодинамические характеристики вязкого течения трансмиссионного масла при содержании минерального талька 0,5 % (мас.)
Т, К Еа, кдж/моль AS#, Дж/мольК AH#, кДж/моль U/a, кДж/кластер
247,93 396,68 55,87 2,12
288 397,93 55,21 2,96
298 60,00 398,21 55,05 3,19
308 398,49 54,88 3,44
318 398,75 54,71 3,69
Таблица 4
Термодинамические характеристики вязкого течения трансмиссионного масла в присутствии медицинского талька 0,1 % (мас.)
Т, К Еа, кДж/моль AS#, Дж/мольК AH#, кДж/моль U/a, кДж/кластер
247,99 571,89 109,47 1,99
288 573,13 108,8 4,03
298 113,59 573,42 108,63 4,73
308 573,69 108,47 5,52
318 573,96 108,3 6,42
Таблица 5
Термодинамические характеристики вязкого течения гидравлического масла при содержании минерального талька 0,1 % (мас.)
Т, К Еа, кДж/моль AS#, Дж/моль К AH#, кДж/моль U/a, кДж/кластер
228,96 365,03 42,37 2,08
288 366,93 41,39 3,20
298 46,17 367,22 41,23 3,41
308 367,49 41,06 3,62
318 367,76 40,89 3,85
Таблица 6
Термодинамические характеристики вязкого течения гидравлического масла при содержании медицинского талька 0,1 % (мас.)
Т, К Еа, кДж/моль AS#, Дж/моль К AH#, кДж/моль U/a, кДж/кластер
228,99 439,65 65,10 2,04
288 441,56 64,11 4,05
298 68,90 441,84 63,95 4,49
308 442,12 63,78 4,96
318 442,38 63,62 5,46
4. Выводы
Таким образом, в работе проведены измерения реологических характеристик смесей трансмиссионного и гидравлического масел с минеральным и медицинским тальком. Исследовано влияние содержания талька в смеси, выбран оптимальный состав смеси, отвечающий максимуму кинематической вязкости. Рассчитаны термодинамические параметры вязкого течения суспензии, энергия актива-
ции, энтальпия активации, энтропия активации. Показано, что низкие величины энтальпии активации указывают на высокую прочность адсорбционного слоя, тогда как высокие значения энтропии активации свидетельствуют о формировании надмолекулярной структуры. Впервые установлено использование средней энергии междукластерной связи в качестве критерия подбора минеральных добавок для сбора нефтепродуктов.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Новые химические технологии : аналитический портал химической промышленности. URL: http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=7381 (дата обращения: 24.01.2018).
2. Информационный бюллетень о состоянии окружающей среды Республики Казахстан. 2009. Вып. 1 (111).
3. Владимиров С. Н. Загрязнение окружающей среды при эксплуатации, хранении, техническом обслуживании и ремонте автотранспортной техники // Успехи современного естествознания. 2013. № 3. С. 118119.
4. Маколова Л. В. Проблема снижения негативного воздействия транспортной сферы на окружающую среду на основе функционирования механизма избавления от отработанных масел // Инженер. вестн. Дона. 2013. Т. 26, № 3(26). С. 6-20.
5. Фурсов В. И. Экологические проблемы окружающей среды. Алматы : Ана ™i, 1991. 194 с.
6. Воробьева Е. В., Чердакова А. С., Гальченко С. В. Анализ существующих методов очистки сточных вод от нефтепродуктов // Проблемы механизации агрохимического обеспечения сельского хозяйства. 2016. № 10. C. 112-118.
7. Сютова А. И., Алибеков С. Я., Сютов Н. П. Исследование сорбционной способности углеродных волокнистых материалов для очистки сточных вод // Вестн. Поволж. гос. технолог. ун-та. Серия: Материалы. Конструкции. Технологии. 2017. № 1. С. 22-30.
8. Павлюх Л. И., Матвеева Е. Л., Зубченко А. Н. Анализ эффективности сорбционных методов очистки нефтесодержащих сточных вод // Вкник Нацюнального Авiацiйного Ушверситету. 2006. Т. 4, № 30. С. 169-171.
9. Дремичева Е. С., Лаптедульче Н. К. Торф как сорбент для очистки промышленных сточных вод // Вода: химия и экология. 2015. № 8. С. 63-68.
10. Артемов А. В., Пинкин А. В. Сорбционные технологии очистки воды от нефтяных загрязнений // Вода: химия и экология. 2008. № 1. С. 19-25.
11. Фазуллин Д. Д., Маврин Г. В., Мелконян Р. Г. Очистка сточных вод от нефтепродуктов и фенола композиционными сорбентами в динамических условиях // Химия и технология топлив и масел. 2014. № 1(581). С. 53-56.
12. Ланина Т.Д., Селиванова Е. С., Носов Г. А., Донин С. Н. Применение природных сорбентов для очистки сточных вод промышленных предприятий // Инженер-нефтяник. 2017. № 3. С. 43-47.
13. Лебедев И. А., Комарова Л. Ф., Полетаева М. А., Коценко Е. Г. Очистка нефтесодержащих сточных вод фильтровально-сорбционными методами // Ползуновский вестн. 2006. № 2-1. С. 380-385.
14. Коваленко Т. А., АдееваЛ. Н. Углерод-минеральный сорбент из сапропеля для комплексной очистки сточных вод // Химия в интересах устойчивого развития. 2010. Т. 18, № 2. С. 189-195.
15. Панасенко А. В., Кондратюк Е. В., Комарова Л. Ф. Альтернативные решения проблем очистки производственных и ливневых сточных вод от нефтепродуктов и поверхностно-активных веществ // Ползуновский вестн. 2010. № 3. С. 287-289.
16. Перфильев А. В. Исследование структурно-сорбционных характеристик дальневосточных природных алюмосиликатов // Вестн. Дальневосточ. отд. РАН. 2010. № 5. С. 142-147.
17. Губкина Т. Г., Беляевский А. Т., Маслобоев В. А. Способы получения гидрофобных сорбентов нефти модификацией поверхности вермикулита органосилоксанами // Вестн. Мурм. гос. тех. ун-та. 2011. Т. 14, № 4. С. 767-773.
Вестник Омского университета 2018. Т. 23, № 3. С. 111-117
ISSN 1812-3996-
18. Куренков В. Ф. Практикум по физике и химии полимеров. М. : Химия, 1990. 300 с.
19. Дезорцев С. В., Ахметов А. Ф., Теляшев Э. Г., Сабитов Р. С., Загидуллин Т. Р. Термодинамика вязко-текучего состояния в нефтеполимерной системе «Нефтяной гудрон-изотактический полипропилен» // Башкир. хим. журн. 2015. Т. 22, № 1. С. 76-83.
20. Черкасова Т. Ю. Основы кристаллографии и минералогии. Томск : Изд-во Томск. политех. ун-та, 2014. 207 с.
21. Тарасевич Ю. И., Аксененко Е. В. Гидрофобность базальной поверхности талька // Коллоидный журн. 2014. Т. 76, № 4. С. 526-532.
22. Хорошко С. И., Хорошко А. Н. Сборник задач по химии и технологии нефти и газа. Минск : Выш. шк., 1989. 119 с.
23. Миронюк А. В., Сикорский А. А., Караваев Т. А., Свидерский В. А. Реологическое поведение водных суспензий талька// Восточ.-Европ. журн. передовых технологий. 2012. Т. 6, № 6 (60). С. 12-15.
24. Тарасевич Ю. И. Поверхностная энергия гидрофильных и гидрофобных адсорбентов // Коллоидный журн. 2007. Т. 69, № 2. С. 235-243.
25. Малышев В. П., Бектурганов Н. С., Турдукожаева А. М. Вязкость, текучесть и плотность веществ как мера их хаотизации. М. : Научный мир, 2012. 288 с.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Амерханова Шамшия Кенжегазиевна - доктор химических наук, профессор, Евразийский национальный университет им. Л. Н. Гумилева, 010008, Казахстан, г. Астана, ул. Кажымукана, 13; e-mail: amerkhanova_sh@mail.ru.
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Amerkhanova Shamshija Kenzhegazievna - Doctor of Chemical Sciences, Professor, Eurasian National University n. a. L. N. Gumilyov, 13, Kazhymukan str., Astana, 010008, Kazakhstan; e-mail: amerkhanova_sh@mail.ru.
Шляпов Рустам Маратович - кандидат хими-чсеких наук, доцент, Евразийский национальный университет им. Л. Н. Гумилева, 010008, Казахстан, г. Астана, ул. Кажымукана, 13; e-mail: rshljap-22@ mail.ru.
Shlyapov Rustam Maratovich - Candidate of Chemical Sciences, Docent, Eurasian National University n. a. L. N. Gumilyov, 13, Kazhymukan str., Astana, 010008, Kazakhstan; e-mail: rshljap-22@mail.ru.
Уали Айтолкын Сайлаубеккызы - кандидат химических наук, ассоциированный профессор, Евразийский национальный университет им. Л. Н. Гумилева, 010008, Казахстан, г. Астана, ул. Кажымукана, 13; e-mail: ualieva.84@mail.ru.
Uali Ajtolkyn Sajlaubekkyzy - Candidate of Chemical Sciences, Eurasian National University n. a. L. N. Gumilyov, 13, Kazhymukan str., Astana, 010008, Kazakhstan; e-mail: ualieva.84@mail.ru.
Каппар Мухит Кенжалыулы - магистрант, Карагандинский государственный университет им. Е. А. Букетова, 100028, Казахстан, г. Караганда, ул. Университетская, 28; e-mail: kappar_mukhit@ mail.ru.
Kappar Mukhit Kenzhalyuly - Masters Student, Karaganda State University n. a. Ye. A. Buketov, 28, Universitetskaya str., Karaganda, 100028, Kazakhstan; e-mail: kappar_mukhit@mail.ru.
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ
Амерханова Ш. К., Шляпов Р. М., Уали А. С., Кап-пар М. К. Структурно-вязкостные характеристики смесей трансмиссионного и гидравлического масла с тальком // Вестн. Ом. ун-та. 2018. Т. 23, № 3. С. 111-117. Р01:10.25513/1812-3996.2018.23(3).111-117.
FOR QTATIONS
Amerkhanova Sh.K., Shlyapov R.M., Uali A.S., Kap-par M.K. Structural-viscous characteristics of mixtures of transmission and hydraulic oil with talk. Vestnik Omskogo universiteta = Herald of Omsk University, 2018, vol. 23, no. 3, pp. 111-117. DOI: 10.25513/1812-3996.2018.23(3).111-117. (in Russ.).
