2 .1 Cơ sở của phương pháp
2.3.2. Xác định nhiệt độ chớp cháy cốc hở theo ASTM-D.93
Đổ một lượng dầu theo mức cho phép, đặt vào máy đo độ chớp cháy, nối máy với bình ga, sau đó chỉnh ngọn lửa có đường kính 3,2 đến 4,8mm và điều chỉnh nhiệt độ của mẫu sao cho từ 14oC đến 17oC/phút. Khi nhiệt độ của mẫu thấp hơn điểm chớp lửa dự đoán 56oC giảm tốc độ xuống còn 5 - 6oC/phút, cho đến khi nhiệt độ dự đoán xuống còn 28oC thì giảm xuống 2oC châm lửa một lần. Cứ thế cho đến khi phát hiện và kết thúc nhiệt độ chớp cháy.
2.3.3. Xác định trị số axit theo phương pháp ASTM-D.664 [3]
Trị số axit là số mg KOH dùng để trung hòa hết lượng axit có trong một gam dầu.
Nguyên tắc chuẩn độ: Hòa tan mẫu thử trong dung môi hỗn hợp, sau đó chuẩn độ bằng dung dich KOH trong etanol.
Cách thức tiến hành: Cân chính xác một lượng mãu vào bình nón (từ 3 - 5g), thêm vào đó 200ml hỗn hợp ete etylic và một phần etanol rồi lắc mạnh cho tan hết. Trong trường hợp dầu không tan hết phải vừa đun cách thủy trên bếp vừa lắc cho đến khi tan hoàn toàn, sau đó làm nguội đến 20oC. Cho vào bình 5 giọt chỉ thị phenolphthalein và chuẩn độ bằng dung dịch KOH 0,1N cho đến khi xuất hiện màu hồng nhạt bền trong 30 giây.
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
Trị số axit được tính theo công thức:
m C V X 56,1. . Trong đó:
- X: Độ axit, mgKOH/mg mẫu.
- V: Số ml dung dịch chuẩn KOH dùng để chuẩn độ, ml. - C: Nồng độ của dung dịch KOH chuẩn, N.
- m: Lượng mẫu thử, g.
2.3.4. Xác định hàm lượng cặn Conradson theo ASTM-D.189 [3]
Nguyên tắc của phương pháp là: mẫu được nung nóng ở nhiệt độ nhất định trong một quả cầu thủy tinh có lỗ nhỏ để cho các thành phần bay hơi hết. Phần cặn nặng trong cốc sứ tiếp tục cracking và cốc hóa. Phần còn lại đem cân và xác định hàm lượng cặn cacbon theo Conradson. Các bước được tiến hành như sau:
- Cân cốc sứ sau khi đã được làm sạch và sấy khô, ghi kết quả m1. - Cân 5 (g) dầu cần phân tích vào trong cốc sứ đã cân ở trên. - Đặt cốc sứ chứa dầu vào trong bộ thiết bị đốt rồi đậy nắp lại.
- Tiến hành quá trình đốt mẫu bằng đèn cấp nhiệt đến khi không có khói bay ra ở phía trên bộ thiết bị thì đốt thêm khoáng 30 phút nữa thì dừng lại và để nguội.
- Khi thiết bị nguội, dùng kẹp mở nắp và lấy chén sứ ra đặt vào trong bình hút ẩm, để nguội rồi cân ghi kết quả m2.
- Hàm lượng cặn Conradson được tình theo công thức sau: % 100 5 % 2 1 m m KL
2.3.5. Xác định hàm lượng tạp chất cơ học ASTM-D.473 [3]
Quá trình xác định được tiến hành như sau:
- Cân ống lót sứ sau khi đã được làm sạch và khô (m1). - Lấy 10g dầu cần đo cho vào ống lót sứ.
- Cho ống lót sứ vào bộ trích ly có chứa 100ml xylen, cho nước chảy qua ống ngưng tụ.
- Tiến hành trích ly đến khi thấy dung môi nhỏ xuống từ ống sứ không có màu thì tiếp tục trích ly thêm 30 phút.
- Sau khi trích ly xong, sấy khô ống lót sứ ở 115 - 120oC trong 1 giờ. Sau đó làm nguội trong bình hút ẩm trong 1 giờ rồi đem cân (m2).
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
- Hàm lượng tạp chất cơ học được tính theo công thức: % 100 10 % 2 1 m m KL
2.3.6. Xác định hàm lượng lưu huỳnh ASTM-D.4294 [3]
Mẫu dầu được đặt trên đường hấp thụ của nguồn tia X-quang. Năng lượng được hoạt hóa từ nguồn phóng xạ, hoặc từ ống phát tia X-quang. Độ phóng xạ của tia X-quang có đặc tính riêng sẽ được đo, và giá trị tích lũy sẽ được so sánh với giá trị của các mẫu chuẩn đã được chuẩn bị trước để ra được nồng độ lưu huỳnh ở % khối lượng. Kết quả sẽ được hiển thị trên màn hình.
2.3.3. Xác định hàm lượng nước theo ASTM-D.95 [3]
Thiết bị kiểm tra nhanh nước trong dầu nhờn, theo tiêu chuẩn ASTM D95 tại trung tâm kỹ thuật 3. Quy trình kiểm tra đơn giản, Đọc kết quả ngay trong vòng 10 phút, không cần nhiều kỹ năng phân tích.
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
Chương 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐIỀU KIỆN TÁI SINH
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tái sinh dầu nhờn bằng axit H2SO4 và NaOH là nhiệt độ, tỷ lệ axit/dầu, hàm lượng kiềm, thời gian khuấy được khảo sát để xác định điều kiện tối ưu nhất.
3.1.1. Nồng độ axit
Nồng độ axit cũng là một yếu tố quan trọng trong quá trình tái sinh dầu nhờn. Khi nồng độ axit thấp thì axit chỉ khử được một phần các hydrocacbon không no cũng như các hợp chất khác. Đồng thời khi nồng độ axit thấp thì về lĩnh vực hoá keo là không đủ để hạ thấp hàng rào năng lượng tạo khả năng keo tụ. Khi tăng nồng độ axit thì sẽ tăng sự tạo thành axit sunforic. Thông thường, quá trình tái sinh dầu nhờn bằng axit thì nồng độ axit hợp lý nhất là trong khoảng từ 92 - 98% [7].
Trong nghiên cứu này tôi dùng axit H2SO4 98% để nghiên cứu và cố định nồng độ axit này là trong suốt quá trình nghiên cứu.
3.1.2. Tỷ lệ axit/dầu
Để xác định lượng axit H2SO4 98% đưa vào thích hợp cho quá trình xử lý dầu, tôi đã khảo sát với các tỷ lệ axit/dầu khác nhau ở nhiệt độ 40oC. Mẫu cố định là 200 ml dầu thải sau khi đã khử nước, thời gian khuấy là 30 phút và thời gian để lắng cho mỗi mẫu dầu là như nhau là 12 giờ. Kết quả thu được ở bảng dưới.
Bảng 3.1: Ảnh hưởng của tỷ lệ a xít/dầu đến quá trình xử lý dầu thải bằng a xít
Mẫu Dầu thải,
ml
H2SO4,
% tỷ lệ Nhận xét
1 200 6 Khả năng đông tụ kém, cặn đông tụ ít. 2 200 8 Có đông tụ.
3 200 10 Đông tụ tương đối tốt, dầu có độ trong hơn. 4 200 12 Đông tụ tốt và màu dầu sạch hơn.
5 200 14 Đông tụ tốt nhất, dầu trong nhất. 6 200 16 Khả năng đông tụ giảm.
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
Từ bảng trên ta thấy khi tăng lượng axit thì khả năng đông tụ và tách các chất nhựa, asphalt ra khỏi dầu nhờn tăng lên, nhưng chỉ tăng đến một giá trị nhất định thì khả năng đông tụ lại giảm xuống. Nếu tỷ lệ axit/dầu thấp thì axit không đủ để khử hết các chất có hại trong dầu nhờn. Ngược lại, axit/dầu cao thì nó không chỉ khử được khử sạch những chất có hại mà còn khử cả những chất có lợi trong dầu nhờn.
Kết luận: tỷ lệ axit/dầu tối ưu nhất là 14%. Bởi vì, với tỷ lệ này ta thu được và dầu có màu trong nhất.
3.1.3. Nhiệt độ xử lý axit
Nhiệt độ xử lý vô cùng quan trọng trong việc làm sạch dầu nhờn thải bằng axit sunfuric. Nhiệt độ phụ thuộc vào độ nhớt của dầu nhờn cần làm sạch. Tôi tiến hành khảo sát các giá trị nhiệt độ với tỷ lệ axit/dầu là 14% và thời gian khuấy là 50 phút cho kết quả như bảng 3 sau:
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình xử lý dầu thải bằng axit
Mẫu H2SO4, % tỷ lệ Tphảnứng, oC Nhận xét
1 14 20 Không đông tụ. 2 14 30 Có đông tụ.
3 14 40 Đông tụ tốt, độ màu sáng. 4 14 50 Có đông tụ, màu tối hơn 5 14 60 Khả năng đông tụ giảm
Kết quả bảng trên cho ta thấy, với cùng tỷ lệ axit/dầu là 14%, nhưng nếu nhiệt độ thấp thì khả năng làm sạch dầu nhờn thải rất thấp. Bởi vì, khi tiến hành xử lý ở điều kiện nhiệt độ thấp thì độ nhớt của dầu lớn đã ngăn cản sự tiếp xúc của dầu với axit cho nên không làm sạch được, đồng thời sự lắng đọng cặn gudron axit bị kéo dài thêm dẫn đến giảm khả năng làm sạch dầu nhờn [1]. Khi nhiệt độ tăng lên thì khả năng làm sạch cũng tăng lên, nhưng cũng chỉ tăng lên đến một giá trị nhiệt độ nào đó thì khi tăng nhiệt độ không làm cho hiệu suất tăng lên mà lại giảm xuống. Bởi vì, dầu nhờn thải có độ nhớt cao thì xử lý nhiệt độ càng cao nhưng nếu nhiệt độ cao quá nhiệt độ tối ưu thì tốc độ phản ứng của H2SO4 với cacbua hydro và nhựa tăng lên đồng thời độ tan của các hợp chất polyme, guđron axit trong dầu nhờn thải cũng tăng lên làm cho màu dầu nhờn đã làm sạch bị tối.
Kết luận: từ bảng trên ta chọn nhiệt độ tiến hành axit ở 40oC, vì tại nhiệt độ này dầu đông tụ tốt và có màu sáng nhất.
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
3.1.4. Thời gian khuấy
Tiến hành khuấy dầu trong cốc thuỷ tinh loại 1000ml với các thông số: tỷ lệ axit/dầu là 14%, nhiệt độ là 40oC với các thời gian khuấy khác nhau. Kết quả có bảng sau đây:
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến quá trình xử lý dầu bằng axit
Mẫu H2SO4, % tỷ lệ Thời gian khuấy, phút Nhận xét
1 14 30 Đông tụ kém.
2 14 40 Đông tụ tương đối tốt. 3 14 50 Đông tụ tốt, dầu màu sáng. 4 14 60 Có đông tụ, màu tối hơn. 5 14 70 Khả năng đông tụ giảm.
Thời gian tiếp xúc có ảnh hưởng đến quá trình xử lý. Khi thời gian xử lý chưa đủ thì axit tiếp xúc chưa hết với dầu thải cho nên hiệu suất thấp. Nhưng thời gian khuấy nhiều thì tạo nhũ, vì khi đó các chất cặn bẩn hoà tan vào trong dầu đã làm sạch và lượng axit dư cũng sẽ tác dụng với dầu nhờn sạch làm cho hiệu suất làm sạch giảm.
Kết luận: Thời gian khuấy tốt nhất của quá trình là 50 phút.
3.1.5. Lượng NaOH
Trong quá trình thí nghiệm, tôi dùng NaOH 40% để trung hòa axit H2SO4 dư và các axit hữu cơ trong dầu. Để xác định lượng NaOH cho vào phù hợp nhất, khảo sát với 200 ml sản phẩm dầu đã xử lý bằng axit, ở nhiệt độ 80oC. Sau đó, cho từ từ NaOH 40% với những lượng khác nhau, kết hợp với khuấy trong 40 phút và để lắng 8 giờ rồi lọc bỏ cặn bẩn. Kết quả thu được trong bảng sau:
Bảng 3.4: Ảnh hưởng của lượng NaOH 40% đến quá trình trung hòa a xít Mẫu Dầu, ml NaOH, ml Nhận xét
1 200 12 Còn axit, quỳ màu đỏ. 2 200 14 Còn axit, quỳ màu đỏ nhạt. 3 200 16 Còn ít axit, quỳ gần trung tính .
4 200 18 Hết axit, không tạo nhũ, quỳ không đổi màu. 5 200 20 Hết axit, tạo nhũ, quỳ màu xanh.
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
Từ kết quả khảo sát ta thấy, lượng NaOH cho vào cần phải vừa đủ, nếu thiếu thì không thể trung hoà hết lượng axit nhưng nếu cho vào nhiều quá thì sẽ tạo nhũ. Ngoài ra, kiềm còn là một chất đông tụ tốt nên khi cho kiềm vào thì nó có tác dụng làm sạch những chất bẩn vẫn còn trong dầu nên khi xử ký trung hoà kiềm ta thấy dầu có màu sáng hơn rất nhiều. Vì vậy, với lượng NaOH thấp hơn 18ml thì dầu vẫn còn axit, cao hơn thì xà phòng bị thủy phân tạo nhũ làm cho dầu thay đổi tính chất.
Kết luận: Ta chọn lượng NaOH là 18ml (nồng độ 40%), vì với lượng NaOH này phản ứng hết axit, dầu không tạo nhũ.
3.1.6. Nhiệt độ xử lý bằng kiềm
Khảo sát ở nhiệt độ khác nhau từ 50oC đến 100 oC với thời gian khuấy là 40 phút với lượng NaOH là 18ml, sau đó để lắng 8 giờ, kết quả thu được ở bảng dưới.
Bảng 3.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình xử lý dầu bằng kiềm
Mẫu Nhiệt độ, oC Hiệu suất Nhận xét
1 50 55 Xà phòng tạo thành rất ít. 2 60 57 Cặn axit và xà phòng tạo thành.
3 70 65 Phản ứng tốt, cặn và xà phòng tạo thành nhiều. 4 80 70 Cặn axit và xà phòng tạo thành nhiều nhất. 5 90 60 Dầu tạo nhũ, cặn axit và xà phòng tạo thành ít. 6 100 20 Dầu vẩn đục, không tạo cặn axit và xà phòng.
Hình 3.1: Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất thu dầu tái sinh
Từ kết quả khảo sát trên ta thấy, ở nhiệt độ thấp thě độ nhớt của dầu lớn ngăn cản sự tiếp xúc của dầu với kiềm, nên phản ứng khó xảy ra. Khi nhiệt độ tăng thì
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
khả năng tạo thành xà phòng tăng, nhưng khả năng hòa tan của xà phòng trong nước cũng tăng, dẫn đến tạo nhũ, ảnh hưởng đến quá trình làm sạch dầu [1]. Theo khảo sát thì khoảng nhiệt độ từ 50 - 70oC, tuy cặn và xà phòng đã tạo thành nhưng tốc độ phản ứng còn thấp, dẫn đến cặn có tốc độ lắng chậm hơn, hiệu quả làm sạch dầu chưa cao, nên quá trình lọc cặn sau phản ứng đã làm giảm hiệu suất của dầu và độ màu của dầu còn còn tối. Với nhiệt độ lớn hơn 90oC, lúc này dầu đã bắt đầu thay đổi tính chất do nhiệt độ quá cao đã tạo điều kiện cho cặn hòa tan và thủy phân xà phòng tạo NaOH trở lại nên dầu tạo nhũ. Vì vậy, dầu sau khi để lắng chỉ còn một lớp dầu ít ở phía trên nên hiệu suất thu dầu giảm. Tại nhiệt độ 80oC đã giải quyết tốt nhất hai vấn đề trên, tốc độ lắng cặn và xà phòng nhanh đồng thời cặn chưa hòa tan trở lại vào dầu và xà phòng cũng không bị thủy phân nên dầu được làm sạch tốt nhất, đạt hiệu suất cao nhất và có màu sáng nhất.
Kết luận: nhiệt độ xử lý bằng kiềm tốt nhất để làm sạch dầu là 80oC.
3.2. KẾT QUẢ ĐO CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM
Sau khi tái sinh, để biết được chất lượng của dầu tái sinh, tôi đã tiến hành đo các thông số kỹ thuật quan trọng của dầu, kết quả thu được ở các bảng dưới đây:
Bảng 3.6: Thông số thu được của các mẫu dầu động cơ xe ô tô
Tính chất xác định Dầu trước khi
sử dụng
Dầu tái
sinh Dầu thải
Khối lượng riêng, g/ml 0,897 0,97
Độ nhớt động học ở 400C, cSt 104 85,3 Độ nhớt động học ở 1000C, cSt 13-16 11,4 9,5 Nhiệt độ chớp cháy cốc hở, 0C 200 210 193 Trị số axit, mgKOH/g 0,3 Hàm lượng cặn Conradson, %KL 2 12,8 Hàm lượng tạp chất cơ học, %KL 0,3 0,1 1,86
Hàm lượng kim loại, %KL 0 0
Hàm lượng nước, % thể tích 0,05 0,1
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
Bảng 3.7: Thông số thu được của các mẫu dầu động cơ xe máy
Tính chất xác định Dầu trước khi
sử dụng
Dầu tái
sinh Dầu thải
Khối lượng riêng, g/ml 0,894 0,896
Độ nhớt động học ở 400C, cSt 13-15 126 99,3 Độ nhớt động học ở 1000C, cSt 13,6 11 Nhiệt độ chớp cháy cốc hở, 0C 200 206 174 Trị số axit, mgKOH/g 0,3 Hàm lượng cặn Conradson, %KL 1,2 7,3 Hàm lượng tạp chất cơ học, %KL 0,17 0,1 1,37
Hàm lượng kim loại, %KL 0 0,1
Hàm lượng nước, % thể tích 0,05 0,1
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
3.3. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM TÁI SINH [22, 25]
Để đánh giá kết quả cụ thể hơn, tôi lập biểu đồ so sánh một số tính chất của dầu tái sinh với các tiêu chuẩn của dầu động cơ trước khi sử dụng, dầu FO (theo bảng 3.8) và với dầu thải ban đầu.
3.3.1. Độ nhớt
Hình 3.2: Biểu đồ so sánh độ nhớt động học ở 400C của các loại dầu
Từ kết quả đo được ta thấy độ nhớt dầu tái sinh động cơ ô tô và độ nhớt dầu