孫 偉,陳文華,劉大學(xué),陳建良,許瑋瓏

(浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,杭州 311112)

0 引 言

近年來,隨著石油資源的日益減少以及對(duì)石油污染問題的重視和保護(hù)環(huán)境的呼聲日益強(qiáng)烈,世界各國對(duì)廢機(jī)油的回收和凈化再生利用工作十分支持。中國在廢機(jī)油凈化再生方面也做了不少工作,商業(yè)、鐵道、部隊(duì)、機(jī)械工業(yè)等部門都不斷地進(jìn)行廢機(jī)油的凈化再生工藝研究,找出了一些適合中國國情的廢機(jī)油凈化再生方法。但總的來說,中國在這個(gè)領(lǐng)域還比較落后,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求,因此研究機(jī)油劣化的原因、積極探索新型高效、低污染的廢油凈化再生工藝方法,對(duì)于緩解中國石油資源緊張狀況、減少廢棄油液對(duì)環(huán)境的污染有著重要的意義。

世界各國對(duì)廢機(jī)油的處理、再生先后研究開發(fā)出了很多處理工藝。目前全球正在使用的再生工藝主要有：蒸餾-酸洗-白土精制;蒸餾-乙醇抽提-白土精制;蒸餾-糠醛精制-白土精制;沉降-絮凝-白土精制;沉降-酸洗-白土蒸餾;沉降-蒸餾-酸洗-鈣土精制;白土高溫接觸無酸再生;硫酸精制-堿中和-白土吸附-過濾;水玻璃絮凝法等。但根據(jù)油的品質(zhì)、種類、污染程度的不同,所使用的方法也不盡一樣。以污染度為例,污染較輕的潤滑油 (比如齒輪油等)只要經(jīng)過脫水、沉淀、吸附精制、過濾等物理凈化過程即可恢復(fù)其原有品質(zhì);污染嚴(yán)重的潤滑油 (比如發(fā)動(dòng)機(jī)油等)則需要經(jīng)過化學(xué)精制去除變質(zhì)后生成的酸類、酚類及膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等,然后補(bǔ)充一定數(shù)量的添加劑,也可成為再次使用的潤滑油。如果凈化再生工藝條件得當(dāng),完全可以能把用過的廢潤滑油再生成為質(zhì)量接近或達(dá)到新油標(biāo)準(zhǔn)的潤滑油。

本文選取了某汽車4S店和長途客車運(yùn)輸公司共2種類型的廢機(jī)油。針對(duì)廢機(jī)油在預(yù)處理前后的粘度、機(jī)械雜質(zhì)、密度、開口閃點(diǎn)、自燃點(diǎn)、抗磨性等部分理化指標(biāo)進(jìn)行了研究,旨在找出汽車廢機(jī)油預(yù)處理前后理化指標(biāo)變化的規(guī)律。

1 常見廢機(jī)油預(yù)處理方法

廢機(jī)油的預(yù)處理主要是脫除潤滑油中的水分與機(jī)械雜質(zhì)。沉降、離心、過濾是最常用的方法,也是作為再凈化工藝的主要部分,或作為各種再生工藝的第一個(gè)步驟。沉降、離心、過濾等機(jī)械分離方法是除去廢油中不溶于油的機(jī)械雜質(zhì)的方法。但它并非在一切情況下都能把機(jī)械雜質(zhì)除盡。廢發(fā)動(dòng)機(jī)油由于清凈分散劑的存在,許多固體粒子以膠體狀態(tài)分散在油中,形成分散相。分散相的粒子很小,能夠透過過濾材料的孔隙,也不能被重力或離心力所分離。這樣的油去蒸餾時(shí),在蒸餾的熱處理作用下破壞了清凈分散劑之后,這些膠體狀態(tài)的固體粒子就凝聚沉降下來,附著于爐管及蒸餾塔的塔板上,結(jié)垢生焦。因此,有必要采取比機(jī)械分離更有效的方法進(jìn)行蒸餾前的廢油預(yù)處理。絮凝及抽提絮凝就是這樣的方法。

常見的預(yù)處理方法及其主要原理介紹如下：

(1)沉降方法及原理

沉降是從油中除去機(jī)械雜質(zhì)和水分的最簡(jiǎn)單方法,利用油與機(jī)械雜質(zhì)和水分的密度差進(jìn)行分離,當(dāng)油中懸浮的機(jī)械雜質(zhì)及水分顆粒的直徑在0.05～10μ m時(shí),其沉降速度服從斯托克斯定律,用下式表示：

式中,W0為機(jī)械雜質(zhì)及水分顆粒的沉降速度,m/s;D為機(jī)械雜質(zhì)及水分顆粒的直徑,m;d1為機(jī)械雜質(zhì)及水分顆粒的密度,kg/m3;d2為油的密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2;η為油的絕對(duì)黏度 ,Pa?s。

由上式可見,機(jī)械雜質(zhì)和水分的密度越大、顆粒越大、油與機(jī)械雜質(zhì)和水分的密度差越大,就越易沉降;而油的黏度越大,沉降也就越困難。所以對(duì)于黏度較大的油要適當(dāng)加溫以降低其黏度,從而加快沉降速度。但即使對(duì)于黏度較大的油,也不宜把溫度加到80℃～90℃以上。這是因?yàn)橛驮?0℃以下時(shí),黏度隨溫度變化較快,在80℃以上時(shí)黏度隨溫度變化較慢;而溫度太高,反而會(huì)增加油的自動(dòng)氧化速度。油自動(dòng)氧化速度一般是溫度每升高10℃左右就增加一倍,所以加溫到90℃以上的溫度,從加快沉降速度上獲得的好處有限,而在油的氧化變質(zhì)上比較嚴(yán)重。而且當(dāng)油中含有水分時(shí),加熱至100℃以上,就會(huì)由于水的汽化使油激烈翻騰。這時(shí)機(jī)械雜質(zhì)根本不能沉降,甚至原來已沉降下去的機(jī)械雜質(zhì)還會(huì)被翻起來。

常用重力沉降分離的最小粒徑為30～40μ m;用離心沉降分離的最小粒徑為5～10μ m。更小的顆粒則用電除塵、超聲波除塵等分離方法。

(2)離心方法及原理

當(dāng)含有細(xì)小顆粒的懸浮液靜置不動(dòng)時(shí),由于重力場(chǎng)的作用使得懸浮的顆粒逐漸下沉。粒子越重,下沉越快,反之密度比液體小的粒子就會(huì)上浮。微粒在重力場(chǎng)下移動(dòng)的速度與微粒的大小、形態(tài)和密度有關(guān),并且又與重力場(chǎng)的強(qiáng)度及液體的粘度有關(guān)。像紅血球大小的顆粒,直徑為數(shù)微米,就可以在通常重力作用下觀察到它們的沉降過程。

此外,物質(zhì)在介質(zhì)中沉降時(shí)還伴隨有擴(kuò)散現(xiàn)象。擴(kuò)散是無條件的,絕對(duì)的。擴(kuò)散與物質(zhì)的質(zhì)量成反比,顆粒越小擴(kuò)散越嚴(yán)重。而沉降是相對(duì)的,有條件的,要受到外力才能運(yùn)動(dòng)。沉降與物體重量成正比,顆粒越大沉降越快。對(duì)小于幾微米的微粒如病毒或蛋白質(zhì)等,它們?cè)谌芤褐谐赡z體或半膠體狀態(tài),僅僅利用重力是不可能觀察到沉降過程的。因?yàn)轭w粒越小沉降越慢,而擴(kuò)散現(xiàn)象則越嚴(yán)重。所以需要利用離心機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力,才能迫使這些微?？朔U(kuò)散產(chǎn)生沉降運(yùn)動(dòng)。

離心就是利用離心機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強(qiáng)大的離心力,加快液體中顆粒的沉降速度,把樣品中不同沉降系數(shù)和浮力密度的物質(zhì)分離開。

常見的離心設(shè)備有：過濾式離心分離設(shè)備和沉降式離心分離設(shè)備。

(3)絮凝方法及原理

以膠體形態(tài)分散在油中的雜質(zhì)粒子帶有同類電荷 (正電荷或負(fù)電荷),因而粒子間有兩種作用力：相斥的電性力和相引的萬有引力。每個(gè)粒子的周圍都有一個(gè)一定半徑的球形引力場(chǎng)。為使分散的粒子能夠結(jié)合,也就是實(shí)現(xiàn)凝聚,必須使這些粒子之間的距離縮小到小于其引力場(chǎng)半徑,而這只有在使這些粒子喪失其所帶電荷的情況下才有可能做到。加入絮凝劑就是為了中和這些粒子的電荷。

絮凝劑所起的作用主要是一種物理化學(xué)作用,而不是化學(xué)反應(yīng)。絮凝所除去的東西是分散在廢油中的固體雜質(zhì),包括炭粒子、金屬磨屑以及深度氧化產(chǎn)生的瀝青質(zhì)與瀝青酸。當(dāng)然,有些堿性絮凝劑同時(shí)還有化學(xué)中和作用,能使廢油的酸值下降。

抽提絮凝是選用低分子量的極性溶劑,稀釋廢油。一部分溶解于廢油中的相對(duì)分子質(zhì)量高的物質(zhì)與分散于其中的固體粒子一起沉淀出來。因?yàn)檫@些物質(zhì)在低分子量極性溶劑中的溶解度很小。經(jīng)抽提絮凝處理過的油,灰分下降、金屬含量下降,但未能完全除去金屬及生灰化合物,仍有顯著量的存留。不過已能保證不在以后的蒸餾設(shè)備中結(jié)焦,因此也作為蒸餾前的預(yù)處理步驟。

常用的絮凝劑種類有：無機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑。無機(jī)絮凝劑按金屬鹽可分為鋁鹽系及鐵鹽系兩大類。鋁鹽以硫酸鋁、氯化鋁為主,鐵鹽以硫酸鐵、氯化鐵為主。有機(jī)高分子絮凝劑有天然高分子和合成高分子兩大類。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上可以分為以下3種類型：①聚胺型-低分子量陽離子型電解質(zhì);②季銨型-分子量變化范圍大,并具有較高的陽離子性;③丙烯酰胺的共聚物-分子量較高,可以是幾十萬到幾百萬甚至幾千萬,均以乳狀或粉狀的劑型出售,使用上較不方便,但絮凝性能好。

2 試驗(yàn)材料

(1)試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用的主要試驗(yàn)原料見表1。

表1 主要實(shí)驗(yàn)原料

(2)試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用的主要儀器設(shè)備見表2。

表2 主要實(shí)驗(yàn)儀器

3 試驗(yàn)方法

本文考察了過濾、離心、絮凝等方法,經(jīng)過對(duì)預(yù)處理的效果進(jìn)行比較,最終決定對(duì)兩類廢機(jī)油分別處理。對(duì)于某長途客車運(yùn)輸公司的廢機(jī)油采用機(jī)械過濾的方法,而對(duì)某汽車4S店的廢機(jī)油則采用絮凝加過濾的方法。

廢機(jī)油預(yù)處理的具體方法為：

(1)對(duì)于某長途客車運(yùn)輸公司的廢機(jī)油,經(jīng)過24小時(shí)的沉降去水后,用工業(yè)濾紙壓濾,壓力為3個(gè)大氣壓。

(2)對(duì)于某汽車4S店的廢機(jī)油,經(jīng)過24小時(shí)的沉降去水后,加入5%～10%的變色硅膠,攪拌20min,靜置12小時(shí)后用工業(yè)濾紙壓濾,壓力為3個(gè)大氣壓。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在正式進(jìn)行預(yù)處理前對(duì)某長途客車運(yùn)輸公司的廢機(jī)油 (以下簡(jiǎn)稱試樣1)和某汽車4S店的廢機(jī)油 (以下簡(jiǎn)稱試樣2)實(shí)測(cè)了一些原始質(zhì)量指標(biāo),見表3。另外,預(yù)處理后的廢機(jī)油實(shí)測(cè)質(zhì)量指標(biāo),見表4。

表3 廢機(jī)油預(yù)處理前質(zhì)量指標(biāo)

表4 廢機(jī)油預(yù)處理后質(zhì)量指標(biāo)

對(duì)比上述兩表可知：

(1)閃點(diǎn)：預(yù)處理前后,試樣1的閃點(diǎn)基本上無變化;試樣2的閃點(diǎn)降低幅度較大,說明試樣2經(jīng)絮凝處理后,除去了大部分的膠質(zhì),使得閃點(diǎn)降了下來;

(2)密度：預(yù)處理前后,試樣1的密度基本上無變化;試樣2由于除去了機(jī)械雜質(zhì)、膠質(zhì)水分,預(yù)處理后的試樣2的密度大幅下降。

(3)機(jī)械雜質(zhì)：預(yù)處理前,試樣1的機(jī)械雜質(zhì)較試樣2的多,主要原因是試樣1混入了許多碳煙顆粒;但預(yù)處理后,兩試樣機(jī)械雜質(zhì)都下降效果明顯。

(4)40℃運(yùn)動(dòng)粘度：預(yù)處理前后,試樣1的運(yùn)動(dòng)粘度基本無變化;試樣2粘度下降,說明試樣2經(jīng)絮凝后,除去了油中的膠質(zhì),使得試樣2粘度下降顯著。

(5)磨斑面積：預(yù)處理前后,試樣1由于除去了機(jī)械雜質(zhì),使抗磨性得到提高;試樣2經(jīng)絮凝后出去了機(jī)械雜質(zhì)、膠質(zhì),使得油的粘度下降,從而導(dǎo)致抗磨性變差。

(6)分散指數(shù)：預(yù)處理前后,試樣1由于除去了機(jī)械雜質(zhì),使得清凈分散劑的功能得到充分的發(fā)揮,所以分散指數(shù)變大;試樣2經(jīng)絮凝處理,中和了一部分清凈分散劑的電荷,使得分散指數(shù)變小。

5 結(jié) 語

(1)經(jīng)過了預(yù)處理,不管是來自某汽車4S店還是來自某長途客車運(yùn)輸公司的廢機(jī)油機(jī)械雜質(zhì)明顯下降,達(dá)到了預(yù)期效果。某汽車4S店的機(jī)械雜質(zhì)從0.358%下降到0.086%,某長途客車運(yùn)輸公司的機(jī)械雜質(zhì)從0.611%下降到0.031%,效果顯著。

(2)從效果看,絮凝過濾比單純過濾更好,但是絮凝會(huì)破壞清凈分散劑的性能。

(3)廢機(jī)油預(yù)處理前后指標(biāo)的變化與機(jī)油使用時(shí)間,處理所采用的方法等有一定的關(guān)系,但使廢機(jī)油最終達(dá)到正常潤滑油的品質(zhì),需對(duì)廢機(jī)油采用更深工藝的處理。

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