Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.3. Thử nghiệm đánh giá khả năng phụ gia copolyme giảm nhiệt độ đông đặc của dầu mỡ bôi trơn và các dầu khác
3.3.1. Thành phần phụ gia copolyme
Như đã phân tích trong phần tổng quan, cấu trúc hóa học của một PPD giống như một cái lược. Các mạch phụ sáp dài được ghép vào mạch chính polyme và xen vào giữa các mạch phụ ngắn trung tính (mạch tương tác không sáp).
Các mạch phụ sáp dài tương tác với sáp trong dầu bôi trơn. Những mạch phụ này có thể là mạch thẳng hoặc mạch nhánh và phải chứa ít nhất 14 nguyên tử cacbon để cho PPD tương tác với sáp trong dầu. Các mạch phụ ngắn trung tính hoạt động với tư cách là cấu tử “pha loãng” trơ và giúp kiểm soát mức độ tương tác của sáp. Việc phân bố các mạch phụ hydrocacbon dài cũng giúp cho sự tương tác với sáp trong dầu tốt nhất bởi vì sáp chứa các phân tử có độ dài mạch khác nhau. Với cách tiếp cận đó, đã sử dụng các ancol với mạch alkyl dài khác nhau (từ C10 đến C18) cũng như hỗn hợp của chúng để điều chế hỗn hợp alkyl acrylat. Hỗn hợp ankyl acrylat này với tỷ lệ thành phần nhất định được đồng trùng hợp với nhau cũng như với metylmetacralat để thu được sản phẩm đồng trùng hợp khác nhau làm phụ gia giảm nhiệt độ đông đặc cho dầu bôi trơn và một số loại dầu khác (Metylmetacrylat, MMA) đóng vai trò mạch phụ ngắn trong copolyme). Thành phần các copolyme được trình bày trong bảng 3.3 dưới đây :
Bảng 3.3. Thành phần phụ gia copolyme làm phụ gia hạ điểm đông cho dầu bôi trơn
Mẫu
Este của các ancol C10
(Mol)
C12 (Mol)
C14 (Mol)
C16+C18 (1/1) (Mol)
MMA (Mol)**
1P* 1 1 1 0 0
2P 0,5 1 1 1 0,5
3P 1 0,5 1 1 0,5
4P 1 1 0,5 1 0,5
5P 1 1 1 0,5 0,5
*) P: viết tắt của từ “phụ gia”; **):MMA là viết tắt của “ Metylmetacrylat”
Theo dừi bảng 3.3 ta thấy phần mol của cỏc alkyl acrylat chứa cỏc mạch dài từ C10 đến C18 lần lượt được thế bằng một phần mol của metylmetacrylat (MMA).
3.3.2. Nhiệt độ đông đặc của dầu bôi trơn TCT xác định bằng máy Newlab 1300/1 và bằng phương pháp thủ công
Mục đích của thí nghiệm này là so sánh kết quả nhiệt độ đông đặc của dầu TCT không có và có phụ gia, xác định bằng hai phương pháp: bằng máy Newlab 1300/1 (phương pháp I) và bằng thủ công (phương pháp II). Các mẫu dầu TCT có các phụ gia khác nhau đều có nồng độ 1000ppm, được giữ trong chai đậy bằng nút nhám, để trong phòng có nhiệt độ 25oC, độ ẩm 60-65%. Sau ngày thứ 20 tiến hành đo nhiệt độ đông đặc.
Kết quả được trình bày trong bảng 3.4.
Bảng 3.4. Nhiệt độ đông đặc của dầu bôi trơn TCT xác định bằng hai phương pháp
Phương pháp
Nhiệt độ đông đặc (oC) Không
phụ gia
Có phụ gia, 1000ppm
1P 2P 3P 4P 5P
Phương pháp I*
16 4 -1 -1 0 5
Phương pháp II**
16,5 3 -2 -1 0 4
*) Đo bằng máy Newlab 1300/1
**) Đo bằng phương pháp thủ công
Từ bảng 3.4 ta thấy hai phương pháp đo cho ta kết quả rất gần nhau. Cần chú ý một điều là do người đo mẫu phải quan sát khả năng chảy của dầu trong cả hai phương pháp, nên một người đo mẫu phải tự đo cả hai phương pháp để so sánh với nhau.
3.3.3. Sự phụ thuộc của khả năng giảm nhiệt độ đông đặc của dầu bôi trơn TCT vào thời gian lưu giữ mẫu
Để làm thí nghiệm này chúng tôi sử dụng các mẫu copolyme sau 7 giờ phản ứng và xác định khả năng giảm điểm đông của chúng. Nồng độ các phụ gia được dùng là 1000ppm.
Kết quả được trình bày trong bảng 3.5.
Bảng 3.5. Sự phụ thuộc của khả năng giảm nhiệt độ đông đặc của dầu bôi trơn TCT vào thời gian lưu giữ mẫu
Lưu mẫu Mẫu
Nhiệt độ đông đặc (oC)
1h 1ngày 3ngày 5ngày 7 ngày 10 ngày 20ngày 25ngày
1P 9 9 8 5 3 3 3 3
2P 5 5 4 3 2 0 -2 -2
3P 8 5 4 4 3 0 -1 0
4P 8 6 5 5 4 3 0 0
5P 8 7 6 6 5 4 4 4
Từ bảng 3.5 ta thấy hiệu quả giảm điểm đông của các phụ gia thử nghiệm phụ thuộc rất lớn vào thời gian lưu mẫu sau khi chuẩn bị. Càng để lâu thì hiệu quả giảm nhiệt độ đông đặc càng tăng. Thực nghiệm cho thấy giữ lâu 20 ngày các phụ gia giảm điểm đông với hiệu quả cao nhất. Sau 20 ngày khả năng giảm điểm đông hầu như không tốt hơn. Thời gian lưu mẫu trong dầu dài như thế có thể là do phụ gia cần có đủ thời gian để hòa tan và trở thành đồng nhất trong dầu. Ta cũng thấy mẫu 2P là mẫu có khả năng giảm nhiệt độ đông đặc của dầu bôi trơn TCT tốt nhất.
Cụ thể, sau 20 ngày chuẩn bị mẫu, phụ gia này có thể giảm nhiệt độ đông đặc loại dầu bôi trơn TCT đang thử nghiệm xuống đến -2oC, khi sử dụng nồng độ là 1000ppm.
Bảng 3.6 nêu lên kết quả về khả năng giảm nhiệt độ đông đặc của dầu bôi trơn phụ thuộc vào thời gian phản ứng và thời gian lưu mẫu 2P. Ta thấy rằng với mẫu 2P thì thời gian phản ứng 7 giờ và thời gian lưu mẫu 20 ngày là thích hợp nhất.
Bảng 3.6. Sự phụ thuộc khả năng giảm điểm đông dầu bôi trơn TCT của mẫu 2P vào thời gian phản ứng và thời gian lưu giữ mẫu
Nhiệt độ đông đặc (oC) T.gian p.ư, giờ
T.gian lưu mẫu
1 2 4 7 9
1 giờ 5 5 5 5 5
1 ngày 5 5 5 5 5
3 ngày 5 5 4 4 4
5 ngày 5 4 3 3 3
7 ngày 4 4 2 2 2
10 ngày 4 3 1 0 0
20 ngày 4 3 1 -2 -2
25 ngày 4 3 1 -2 -2
3.3.4. Ảnh hưởng của nồng độ phụ gia lên khả năng hạ nhiệt độ đông đặc của chúng
Độ ổn định pha của dầu phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nhiệt độ, áp suất và cấu tử, đặc biệt là parafin mạch dài và phân đoạn asphalt có cực [26]. Sự kết tủa của parafin khỏi dầu là do sự tan hạn chế tạo nên kết tủa parafin-dầu. Để khắc phục vấn đề này của các nồng độ sáp khác nhau trong dầu, các phụ gia đã được thêm vào dầu thử nghiệm. Nồng độ của phụ gia PPD phụ thuộc vào đặc tính của dầu. Sự tương tác giữa PPD và parafin trong dầu là rất quan trọng và các phụ gia làm việc tốt khi chúng phù hợp tốt với sự phân bố của parafin trong dầu [13].
Trong nghiên cứu này, loại dầu bôi trơn TCT của Công Ty dầu và Phụ gia thuộc Tổng Công Ty Hóa Chất Việt Nam cung cấp được dùng để đánh giá tính chất của các phụ gia tổng hợp được. Sự thay đổi nồng độ của các PPD hữu hiệu cho dầu bôi trơn được chi phối bởi thành phần parafin trong dầu (n-parafin, isoparafin và naphten). Người ta biết rằng n–parafin có điểm nóng chảy tương đối cao và sự hiện
diện của chúng làm cho sáp có cấu trúc rắn khỏe. Mặt khác isoparafin có điểm chảy thấp và tan tốt hơn trong dầu và do vậy duy trì sự tan cho đến nhiệt độ thấp.
Việc nữa, khi isoparafin kết tủa thì không tạo ra tinh thể chắc khỏe. Để nghiên cứu tính hữu dụng của các copolyme tổng hợp được, chúng được thêm vào các mẫu dầu với lượng 250 – 2000ppm so với dầu. Ảnh hưởng của nồng độ copolyme lên nhiệt độ đông đặc của dầu bôi trơn được nêu trong bảng 3.7.
Bảng 3.7. Ảnh hưởng nồng độ các phụ gia lên nhiệt độ đông đặc của dầu bôi trơn TCT, thời gian lưu mẫu: 20 ngày
Mẫu Polyme
Nhiệt độ đông đặc (oC) tại nồng độ (ppm) Không
P.G.*
250 500 1000 2000
1P 16 16 14 3 2
2P 16 16 9 -2 -3
3P 16 16 9 -1 -2
4P 16 16 11 0 0
5P 16 16 13 4 3
Ghi chú: *) : Không phụ gia
Từ bảng 3.7 trên ta thấy các phụ gia ở nồng độ 250ppm không có hiệu ứng giảm nhiệt độ đông đặc của dầu bôi trơn TCT. Hiệu ứng giảm nhiệt độ đông đặc của dầu TCT biểu hiện rừ nhất ở nồng độ 1000ppm. Nồng độ cao hơn (2000ppm) hầu như không cải thiện nhiều khả năng giảm nhiệt độ đông đặc của dầu bôi trơn TCT.
Đối với Biodiesel và chất tuyển nổi quặng TQ-VH, đã nghiên cứu khả năng giảm nhiệt độ đông đặc của mẫu phụ gia 2P. Kết quả được trình bày trong bảng 3.8.
Bảng 3.8. Ảnh hưởng nồng độ của phụ gia 2P lên nhiệt độ đông đặc của dầu bôi trơn TCT, biodiesel và chất tuyển nổi quặng TQ-VH,
thời gian lưu mẫu: 20 ngày
Mẫu Dầu Nhiệt độ đông đặc (oC) tại nồng độ (ppm) Không
P.G.*
250 500 1000 2000
Dầu TCT 16 16 9 -2 -3
Biodiesel 16 16 9 -1 -2
TQ-VH 16 16 7 -5 -6
Ghi chú: *): Không phụ gia
Từ bảng 3.8 ta thấy mẫu 2P với nồng độ 1000ppm có khả năng giảm nhiệt độ đông đặc hiệu quả nhất đối với cả ba loại dầu. Điều này có thể được giải thích, ví dụ, đối với đầu bôi trơn TCT thì 1000ppm là nồng độ thích hợp tại đó có sự tương hợp tốt giữa chuôi alkyl acrylat trong polyme mạch chính và số cacbon trung bình của sáp trong dầu. Tất nhiên, như đã giải thích ở trên, khả năng giảm nhiệt độ đông đặc có hiệu quả của phụ gia còn phụ thuộc rất lớn vào cấu trúc gradient của chúng nữa.
Số liệu ở bảng 3.8 còn cho thấy khả năng mẫu phụ gia 2P giảm nhiệt độ đông đặc của Biodiesel và dầu tuyển quặng TQ-VH cũng rất tốt, xuống đến -1oC và -5oC tương ứng. Đây là những kết quả rất ấn tượng, có ý nghĩa ứng dụng cao và cũng là những kết quả đầu tiên đạt được ở Việt Nam trong nghiên cứu chế tạo phụ gia giảm điểm đông cho ba loại dầu này.
3.3.5. Phân tích khí thải từ động cơ diesel sử dụng BDF có phụ gia 2P Trong thí nghiệm này phụ gia 2P cho vào biodiesel với nồng độ 300ppm và 1000ppm, dùng 2 mẫu diesel có phụ gia này chạy động cơ diesel của một máy phát điện. Nhiệt độ nơi thử nghiệm là 17oC. Để so sánh, một mẫu diesel không có phụ gia và một mẫu petrodiesel được thử nghiệm đều ở 17oC. Một mẫu biodiesel không
Hình 3.8: Phân tích khí thải từ động cơ máy phát điện chạy bằng biodiesel chứa phụ gia 2P
có phụ gia khác được đun nóng lên đến 40oC, khuấy đều trong 10 phút rồi đưa vào thử nghiệm. Hàm lượng các khí thải ra từ động cơ diesel được phân tích trực tiếp bằng máy “Gas Analyzer" (Kane International Ltd., UK) (Xem hình 3.8). Kết quả xác định các loại khí thải được trình bày trong bảng 3.9.
Bảng 3.9. Kết quả phân tích khí thải từ động cơ diesel sử dụng BDF có phụ gia 2P
TT Mẫu thử CO,
% Vol.
CO2, % Vol.
NO, ppm
Nhiệt độ môi trường, oC
1 Petrol Diesel 0,14 3,3 88 17
2 BDF không phụ gia 0,1 3,5 91 17
Từ bảng 3.9 ta thấy ở nhiệt độ lạnh 170C, dầu petrodiesel thải khí CO cao nhất (0,14%Vol.), BDF thải ít hơn (0,10%Vol.), thải ít nhất là mẫu BDF có phụ gia 2P (300ppm và 1000ppm) bằng lượng CO do BDF được đun nóng (40oC, 10 phút) thải ra. Ở nhiệt độ lạnh, 17oC, BDF đốt cháy thải ra CO tương đối cao (0,10%Vol.), nhưng vẫn ít hơn petrodiesel, là điều dễ hiểu, do độ nhớt của BDF tăng lên, nó cháy không hoàn toàn trong động cơ. Mẫu BDF (mẫu 5) khi được đun nóng, có độ nhớt thấp, cháy hoàn toàn trong động cơ, nên thải ra lượng CO rất thấp (0,07%Vol.). Tác dụng của phụ gia 2P được nhỡn thấy rừ ngay ở mẫu 3 (300ppm), đó làm giảm độ nhớt của BDF xuống đến mức BDF được đốt cháy hoàn toàn, vì thế thải ra lượng CO cũng thấp nhất (0,07%Vol).