2 .1 Cơ sở của phương pháp
2.2. QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM
Nguyên liệu
Mẫu dầu dùng để nghiên cứu là dầu thải động cơ xe ô tô và động cơ xe máy đã được lấy riêng để thuận tiện cho quá trình nghiên cứu và so sánh kết quả.
Hóa chất
- Dầu thải.
- Axit H2SO4 98%. - Dung dịch NaOH 40%. - Qùy chỉ thị.
- Nước cất, nước sôi 1000C.
Dụng cụ chính
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
- Cốc thủy tinh 1000ml, 500ml. - Phễu chiết 500ml.
- Bếp điện,giá đỡ, đũa thủy tinh. - Pipet 10ml.
- Nhiệt kế 200oC.
2.2.2. Lựa chọn phương pháp tái sinh
Trong đề tài này, tôi sử dụng phương pháp làm sạch bằng axit và kiềm kết hợp gia nhiệt, khuấy trộn, lắng để tái chế dầu nhờn thải. Sau đó xác định các tính chất của dầu tái sinh và so sánh với dầu thải, dầu trước khi sử dụng và dầu đốt (FO).
2.2.3. Qúa trình tiến hành
Khử nước
Lắc đều thiết bị đựng dầu thải sau khi để lâu ngày. Lấy 200ml dầu cho vào cốc chịu nhiệt 500ml rồi đun trên bếp điện đến nhiệt độ 130oC trong khoảng 30 phút (Hình 2.1). Sau đó để nguội dầu.
Hình 2.1: Bộ thiết bị khử nước trong dầu nhờn
Xử lý bằng axit
Khi dầu nguội đến khoảng 40oC thì đặt cốc chứa dầu lên máy khuấy từ và dùng pipet hút axit H2SO4 98% rồi cho từ từ vào kết hợp với khuấy (Hình 2.2), lưu ý tốc độ khuấy để dầu không bị bắn ra ngoài. Sau khi khuấy khoảng 40 phút thì cho dầu vào phễu chiết và để lắng dầu một thời gian (12 giờ) để loại bỏ cặn tạo thành sau phản ứng.
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
Trung hòa axit
Sau khi loại bỏ cặn thì cho dầu vào cốc 1000ml và đặt lên máy khuấy từ đồng thời gia nhiệt cho dầu. Khi dầu đủ nóng thì cho từ từ dung dịch NaOH vào để phản ứng hết với H2SO4 dư cùng với axit hữu cơ có trong dầu và dùng giấy quỳ chỉ thị để kiểm tra. Khi dầu hết axit thì cho lên phễu chiết và để lắng một thời gian để loại bỏ phần xà phòng tạo thành sau khi phản ứng (hình 2.3). Xà phòng được tháo ra trước, sau đó, tháo cặn rồi lọc phần cặn còn dư trong dầu ta sẽ thu được dầu đã trung hòa.
Hình 2.3: Bộ thiết bị lắng cặn và xà phòng sau khi trung hòa axit
Rửa kiềm
Sau khi loại bỏ xà phòng thì cho dầu lên phễu lắng, sau đó cho từ từ nước nóng 100oC vào để rửa phần kiềm và xà phòng dư trong dầu với tỷ lệ thể tích nước/dầu là 50%, đồng thời dùng đũa khuấy khuấy nhẹ để rửa đều dầu rồi để lắng khoảng 5 phút cho nước chứa kiềm dư lắng xuống (hình 2.4). Dùng giấy quỳ kiểm tra độ bazơ của nước lắng phía dưới. Cứ như vậy cho tới khi quỳ trung tính thì dừng lại, khi đó dầu đã hết kiềm, ta tháo dầu ra cốc.
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
Khử nước dư
Sau khi rửa kiềm xong, cho dầu vào cốc 1000ml rồi đun dầu trên bếp điện đến 150 - 160oC trong khoảng 20 - 30 phút kết hợp với khuấy trộn để loại bỏ nước còn lẫn trong dầu. Khi bề mặt dầu không còn bọt, để nguội ta sẽ thu được dầu tái sinh.
Quy trình tái sinh dầu được thể hiện trong (hình 2.5).
Sơ đồ 2.1: Quy trình tái sinh dầu nhờn thải
2.3. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT SẢN PHẨM [3] 2.3.1. Đo độ nhớt theo ASTM-D.446 [3] 2.3.1. Đo độ nhớt theo ASTM-D.446 [3]
Cách đo được tiến hành như sau: cho 7ml mẫu dầu cần đo vào nhớt kế mao quản 300mm, để ổn định ở nhiệt độ 40oC, sau đó dùng áp suất đẩy mẫu cần đo lên quá vạch trên của nhớt kế khoảng 5mm, tiến hành đo thời gian chảy (giây) của mẫu từ vạch trên của nhớt kế xuống vạch dưới của nhớt kế.
Độ nhớt tính theo công thức sau: C.t
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
- : độ nhớt động học (mm2/s). -C: hằng số của nhớt kế (mm2/s2). -t: thời gian chảy của mẫu (s).
Ngoài phương pháp trên, với những mẫu dầu tái sinh được, tôi sử dụng thiết bị đo độ nhớt Kittiwake. Nguyên tắc xác định độ nhớt của thiết bị này là dựa vào sự chuyển động của viên bi trong môi trường dầu, kết quả được hiện thị tự động theo nhiệt độ cài đặt ban đầu, các bước tiến hành đo như sau:
- Điền đầy mẫu dầu cần đo độ nhớt vào phần rỗng bên trong thiết bị đo hình chữ V rồi đậy nắp chặt.
- Cài đặt nhiệt độ cần đo 40oC rồi cho chạy nhiệt độ.
- Đến khi nhiệt độ ổn định 40oC thì nghiêng thiết bị để viên bi chuyển động. Khi ổn định thì nghiêng thiết bị trở lại và đọc kết quả hiển thị. Để kết quả được chính xác thì ta nên thực hiện như thế nhiều lần để kết quả độ nhớt ổn định.
2.3.2. Xác định nhiệt độ chớp cháy cốc hở theo ASTM-D.93 [3]
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 .