С началом индустриальных революций проблема утилизации отходов производства и жизнедеятельности человека постепенно приобретает все большую значимость, становясь в отдельных случаях основной и даже жизненно необходимой. Поэтому, для решения этой проблемы необходимо предусмотреть использование совершенно новых подходов к организации производства. Результаты производственной деятельности промышленных отраслей, помимо «традиционных» задач (обеспечение необходимым количеством продовольственных товаров, достижение рентабельности производства и т.п.), существенным образом влияют также и на саму возможность ведения отдельных отраслей производства. Отмеченная возможность формируется как воздействие конечных результатов каждой технологической операции последовательности на условия выполнения остальных (рисунок 1). Причем последействие подобного влияния проявляется практически на каждой технологической операции и может длиться несколько лет.
На примере сельского хозяйства наибольшую опасность представляют техногенные воздействия, носящие откровенно разрушительный характер на почвенно-климатические характеристики зоны аграрного производства, такие, как засорение почвы высокотоксичными и слабо утилизируемыми элементами удобрений, ядохимикатов, отходами деятельности технических средств механизации и особенно солями тяжелых металлов, засоление полей вследствие нерационального использования принудительного полива, подверженность пахотных массивов ветровой и прочим видам эрозии и т. п.
Рисунок 1 - Взаимосвязь технологических процессов в растениеводстве
Негативные последствия индустриального ведения сельскохозяйственного производства проявились уже во второй половине ХХ-го века, а их полное устранение (к примеру, истощение и эрозия почв) в обозримом будущем возможным не представляется.
Еще одной особенностью аграрного производства является необходимость
учета крайне медленных процессов восстановления уровня плодородия почв, которые могут протекать десятилетиями, причем последствия наиболее катастрофических разрушений почвенно-климатических условий могут проявляться веками [1].
Для учета и устранения возможных нежелательных проявлений техногенной деятельности человека в области агропромышленного сектора, существуют критерии оценки экологических последствий работы сельскохозяйственного производства как, содержание гумуса в почвенном слое, затраты денежных, трудовых средств и энергии на утилизацию производственных отходов, общие затраты на восстановление выведенных из производства сельскохозяйственных угодий и т.п.
Если эти взаимосвязи представит в виде модельной функции, тогда в виде выходной функционал ψ оценки качества работы системы технических средств (или всего аграрного производства) можно описывать таким образом
Кэк - региональные экологические факторы ужесточения условий аграрного производства (функционирования системы технических средств), например, степень прогрессирования эрозии почв, интенсивность вырабатывания гумусного компонента и т.п.
Негативное влияние, выражающееся в загрязнении сельскохозяйственных угодий, можно разделить по видам и оказываемому воздействию на естественные (пожары), физические (дым, радиоизлучение), физико-химические (аэрозоли), химические (внесение пестицидов) и антропогенные (схема 1).
Восемьдесят восемь процентов приходятся на антропогенные загрязнения, приводящие к необратимым (катастрофическим) последствиям, которые также приводят к потере экологической устойчивости сельскохозяйственного производства. Антропогенное воздействие в наибольшей степени оказывается нарушением технологии возделывания, техническими средствами и используемыми топливо - смазочными материалами [2].
Схема 1 - Виды и воздействие загрязнений на окружающую среду
Развитие более мощного двигателестроения потребовало значительного улучшения качества выпускаемых моторных масел и расширения их ассортимента, вызвало необходимость многочисленных исследований в области режимов работы масел в масляных системах и оценки их качества.
Эти исследования широко представлены трудами отечественных ученых: А.В. Виппера, Н.И. Черножукова, В.Р. Вильямса, Н.А. Рогозина, Г.П. Лышко, Б.В. Лосикова, К.С. Рамайя, А.В. Николаенко, А. П. Картошкина и др. [3,4].
Большой вклад в теоретическое исследование применения и оценки
работы масла в двигателе внесли Г.П. Белянчиков, И.Ф. Благовидов, Н.Г. Пучков, Д.М. Аронов, С.Г. Арабян, В.В. Чанкин, А.В. Непогодьев, М.А. Григорьев, Г.А. Морозов, В.Н. Сторожев, И.П. Полканов, Г.П. Шаронов, В.Г. Гончаренко, и др. [5], а также зарубежные исследователи Verley G., Ovist Е., Clark G.H., Muller P. и др. [6].
Для обеспечения надежной работы двигателей, применяемые в них масла должны обладать определенными эксплуатационными свойствами.
Процесс эксплуатации масла можно представить в виде химмотологической схемы функционирования системы (рисунок 2). При работе двигателя термохимические превращения моторного масла происходят под воздействием трех основных факторов:
- внутренних, определяемых физико-химическими свойствами масла;
- конструкционных, связанных с устройством и параметрами рабочего процесса двигателя;
- эксплуатационных, определяемых условиями и особенностями эксплуатации
Рисунок 2 - Химмотологическая схема функционирования моторного масла в системе «двигатель - топливо - моторное масло — эксплуатация»
Старение масла в дизеле — это сложный комплекс физических и химических процессов, на скорость которых оказывает влияние различные связанные между собой факторы. Из комплекса этих процессов основными могут быть следующие:
- окисление масла, происходящее под действием кислорода воздуха и высокой температуры;
- загрязнение масла нерастворимыми примесями, которые складываются из твердых углеродистых частиц, проникших в масло в результате неполного сгорания топлива;
- из продуктов окисления самого масла;
- из продуктов износа и загрязнений, поступающих извне (вода, песок, пыль);
- расход присадок в результате нейтрализации кислотных продуктов и на диспергирование углеродистых частиц.
Наиболее интенсивное старение масла происходит в зоне поршневых колец, где подвергается глубокому термическому деструктивному распаду, часть масла полностью сгорает, а часть остаётся в виде углеродистых частиц, карбенов, карбоидов и оксикислот, которые образуют лаковые налеты и дополнительно увеличивают загрязнение масла нерастворимыми примесями. Основным источником нерастворимых примесей в масле является сажа, которая образуются, в результате неполного сгорания дизельного топлива, а также продукты износа, пыль и пр.
К химическим относят: нейтрализацию кислотных соединений присадками (снижение щелочного числа), окисление масла. Скорость этих процессов зависит от концентрации веществ, вступающих в реакцию, и может изменяться в течение периода работы двигателя.
Снижение щелочности является важным процессом, определяющим интенсивность износа и количество нагароотложений. Окислы серы, попадая в картер двигателя с прорвавшимися газами, в присутствии воды образуют сернистую и серную кислоты, а также взаимодействуют с углеводородами масла и продуктами их окисления, образуя сульфоновые кислоты [7].
Другим неизбежным источником загрязнения масла являются продукты износа деталей двигателя (железо, алюминий, медь, свинец и др.). Металлические продукты износа частично растворяются в масле, а частично остаются в виде нерастворимых коллоидных частиц. В результате попадания в масло металлических частиц возрастает неорганическая часть нерастворимых примесей и повышается зольность масла. Повышение неорганических частиц нерастворимых примесей происходит и за счет распада металлосодержащих присадок, содержащихся в масле.
Металлические частицы, попадающие в масло в результате абразивного износа деталей двигателя, частицы сажи и внесенной пыли обволакиваются смолистыми продуктами окисления масла, а также адсорбируют на своей поверхности молекулы присадок. Поэтому в состав частиц нерастворимых примесей входят как органические, так и неорганические вещества.
Органическая часть примесей состоит в основном из карбенов и карбоидов, а также смол, оксикислот и асфальтенов. Неорганическая часть состоит из железа, меди, свинца и других продуктов износа, соединений алюминия и кремния (песок, пыль) и металлов, входящих в состав присадок (барий, кальций и др.).
В результате многих исследований было выявлено, что уменьшение щелочных присадок в масле зависит от содержания серы в используемом топливе и от содержания в масле нерастворимых примесей. То есть, снижение щелочности масла при работе двигателя вызывается расходом щелочного компонента присадки на нейтрализацию кислот и на диспергирование поступающих в масло нерастворимых загрязнений. Поэтому расход присадок в масле легче всего контролировать по снижению щелочного числа и росту кислотного числа.
Выбор метода регенерации отработанных масел определяется характером и количеством поступающих извне загрязнений, образующихся продуктов старения и окисления самого масла. Все используемые методы можно разделить на: физические, физико-химические, химические и комбинированные (схема 2).
Как правило, в практической деятельности, для достижения более высокого эффекта очистки, применяют одновременно несколько методов регенерации. А сами методы очистки выбираются исходя из того, какие физико-химические свойства масла требуют восстановления, т.е., регенерация отработанных моторных масел требует специального подхода.
Схема 2 - Схема использования моторного масла
Самыми распространенными являются физические и физико-химические методы восстановления отработанных масел. При всей своей простоте и доступности данные методы имеют ряд недостатков: низкое качество очистки; длительность процесса; возможность переработки не более 20 ... 30 % образующихся нефтяных отходов.
Химические и комбинированные методы, несмотря на высокое качество получаемых масел, не нашли широкого применения из-за высокой стоимости реактивов, необходимости последующей утилизации отработанных очистительных материалов и реактивов. Кроме того, использование атмосферной, вакуумной или каталитической перегонки связано с выбросами в атмосферу значительного количества разнообразных полициклических аренов [8] (нафталина, пирена, бенз-а-антрацена, бенз-α-пирена и др.), многие из которых являются канцерогенами (таблица 1).
Таблица 1 - Выделение загрязняющих веществ, при различных способах утилизации и переработки отработанных масел
Как видно из данных таблицы 1, в настоящее время ни одна из существующих технологий утилизации и переработки не отвечает предъявляемым требованиям по ПДК загрязняющих веществ, изложенным в ГН (гигиенические нормативы). Поэтому создание экологически безопасных технологий переработки масел, позволяющих снизить негативное влияние на окружающую среду за счет снижения выбросов, и использовать отходы или побочные продукты одного процесса в качестве сырья или реагентов другого, является в настоящее время актуальной задачей.
Наиболее рациональным направлением в решении современных экологических проблем представляется практическая реализация концепции предотвращения загрязнения. Поскольку, колоссальные затраты на устранение возникших загрязнений и невозможность предвидеть и устранить все их последствия целиком и полностью оправдывают разработку новых более безопасных технологий и создание принципиально новых технических средств по переработке отработанных масел.
Для очистки и восстановления свойств отработанных масел в используемых методах применяют различные технические средства. Наиболее простыми являются отстойники. Одними из наиболее широко распространенных являются технические средства для очистки масел методом сепарирования. Метод основан на том, что под влиянием центробежных сил наиболее тяжелые загрязняющие примеси оттесняются к стенкам сосуда, образуя кольцевой слой. Сепарация предусматривает два способа очистки: центрифугирования и сепарации [9]. Центрифугирование осуществляется в специальных масляных центрифугах [10]. Для улучшения сепарирования применяют адсорберы - вещества, способные удерживать загрязняющие масло вещества на своей поверхности (отбеливающие глины, бокситы, природные цеолиты).
Широко используют различные мобильные станции очистки масел. Принцип действия данных установок основан на предварительном разогреве отработанного масла, обработке адсорберами и последующем отстое или фильтровании. На стационарных установках используют более глубокую очистку с атмосферной или вакуумной перегонкой, обработку различными поверхностно-активными веществами, разделение на фракции и т.д.
Однако необходимо отметить, что при удовлетворительной полноте отсева данные технические средства имеют ряд существенных недостатков: низкую надежность и недолговечность, ввиду наличия деталей вращающихся с высокими скоростями; низкую эффективность очистки высоковязких нефтепродуктов; трудоемкость в обслуживании; необходимость в периодической очистке самих средств; высокую стоимость. Кроме того, для улучшения сепарирования применяют адсорберы, что приводит к возникновению проблем с утилизацией отработанных адсорберов, являющихся сильными канцерогенными веществами.
Менее распространенные различного рода фильтры при высоком качестве очистки имеют сложную конструкцию, высокую стоимость и требуют периодической замены. Кроме того, проблема утилизации фильтрующих элементов до сих пор не решена полностью.
Литература
- Картошкин А.П., Манджиев Ш.Т. Дозированный ввод присадок в регенерируемые масла//Теория и практика повышения качества и рационального использования масел, смазочных материалов и технических жидкостей//Сборник трудов конференции. СПб.: Академия Прикладных Исследований, 2007. - С.204-209.
- Папок К.К. Химмотология топлив и смазочных масел. М.: Воениздат, 1980.-С.
- Папок К.К. Рагозин Н.А. Словарь по топливам, маслам, смазкам, присадкам и специальным жидкостям. М.: Химия, 1975- 392 с.
- Трение, изнашивание и смазка// Справочник М. 1978.- 399 с.
- Григорьев, М.А. Обеспечение надежности двигателей/ М.А. Григорьев, В.А. Долецкий. - М.: Изд. стандартов, 1978. - 324 с.
- ASTM-Standart on Petroleum Products. Philadelphia, 1966. - 108 p.
- Аронов Д.М., Максимов Е.М. Влияние эксплуатационных режимов работы автомобиля на изменение физико-химических свойств работавших масел.//В кн.: Эксплуатация - технические свойства и применение автомобильных топлив, смазочных материалов и спецжидкостей, — вып. 5.-С. 194-205.
- Вернадский В.И. Живое вещество. М., 1978 - 360 с.
- Денисов В.Н. Проблемы экологизации автомобильного транспорта. СПб.,
- Шашкин П.И., Брай И.В. Регененрация отработанных нефтяных масел. М.: Химия, 1970.- 304 с.