An environmentally friendly and cost-effective approach: obtaining lubricants from waste oils

Full Text

Введение Актуальность исследования проблемы регенерации, утилизации и использования отработанных технических масел обусловлена совокупностью факторов современного технологического развития. В настоящее время актуализация данного вопроса определена ужесточением нормативно-правовой базы в сфере обращения с отходами производства, а также императивами ресурсосбережения и рационального природопользования. Экологический аспект проблемы утилизации отработанных масел представляет собой фундаментальную значимость в контексте сохранения экосистем. Неадекватные методы утилизации данных отходов производства способны инициировать необратимые изменения в биосфере и антропосфере, что обусловливает необходимость разработки и внедрения инновационных технологий переработки. Цель исследования - разработка комплексного подхода к переработке отработанных масел, обеспечивающего получение качественных смазочных материалов при соблюдении принципов экологической безопасности и экономической целесообразности. Объекты и методы Объектами исследования выступают отработанные технические масла с их физико-химическими характеристиками и особенностями состава, современные технологические процессы их переработки, а также ассортимент товарных смазочных материалов, получаемых в результате переработки, с учетом их практического применения в различных отраслях промышленности. Методологическая база исследования предполагает комплексный подход, интегрирующий принципы экологической безопасности, экономической целесообразности и технологического прогресса. Исследование компонентного состава отработанных технических масел базируется на проведении комплексного анализа их физико-химических характеристик, что реализуется посредством применения современной методологической базы. Аналитическая платформа исследования интегрирует широкий спектр диагностических методов, обеспечивающих детальное изучение структурных особенностей и функциональных свойств исследуемых образцов. Углеводородная основа отработанных масел демонстрирует сохранение базовой структуры, генетически связанной с исходным сырьем, при этом характеризуется присутствием до 15-20 % растворимых продуктов окислительных процессов, представленных смолистыми соединениями и оксикислотами. Присадочный комплекс демонстрирует гетерогенную природу, включающую как растворимые, так и нерастворимые компоненты, часть которых сохраняет потенциал для вторичного использования в процессе переработки. Многокомпонентная структура отработанных масел формируется за счет взаимодействия базовых масляных композиций с измененной структурой продуктов окисления углеводородных соединений, металлосодержащих элементов (включая свинец, железо, кальций, фосфор, цинк, магний), функциональных присадок различного назначения, а также механических включений и продуктов износа. Диагностический инструментарий комплексного анализа базируется на применении спектроскопических методов для структурно-составного анализа, хроматографического исследования компонентного состава, масс-спектрометрического определения элементной составляющей и фотометрической оценки уровня загрязненности образцов. Результаты и обсуждение Ресурсный потенциал отработанных масел в рамках концепции рационального природопользования характеризуется высокой степенью утилитарности как вторичного сырьевого ресурса. Инновационные технологические решения обеспечивают продуктивную трансформацию их в компоненты для производства новой продукции, что способствует оптимизации потребления первичных природных ресурсов и минимизации энергоемкости производственных процессов смазочных материалов. Композиционный состав отработанных технических масел демонстрирует их поликомпонентную природу, включающую как ценные технологические составляющие, так и потенциально экотоксичные компоненты. Химическая структура отражает гетерогенность, обусловленную спецификой базового масла (моторные, трансмиссионные, индустриальные масла) и условиями их эксплуатационного цикла. Токсикологический профиль отработанных масел характеризуется присутствием полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), полигалогендифенилов, серо- и хлорсодержащих присадок, металлоорганических (свинец, барий, сурьма, цинк) и нитритных соединений [1]. Трансформация физико-химических характеристик отработанных масел в процессе их эксплуатационного применения демонстрирует существенное изменение реологических параметров под воздействием как экзогенных, так и эндогенных факторов. Экзогенное воздействие реализуется посредством загрязнения масляной основы продуктами пиролиза углеводородного топлива, атмосферной пыли, водной составляющей и абразивными металлическими частицами, а также посредством влияния климатических параметров окружающей среды, в частности температурного режима, при котором наблюдается снижение вязкостных характеристик масла с последующим ухудшением его защитных функциональных свойств. Эндогенные процессы характеризуются комплексом деструктивных изменений, включающих окислительные реакции масляной основы, деградацию функциональных присадок (детергентных, диспергирующих, нейтрализующих компонентов), каталитическое воздействие контактирующих металлических поверхностей, а также реологические модификации, обусловленные испарением легких фракций и аккумуляцией продуктов неполного окисления углеводородного топлива. Комплексный анализ последствий ненадлежащей утилизации отработанных масляных материалов демонстрирует существенную угрозу экосистемному балансу и антропогенному здоровью токсикологическими компонентами и металлосодержащими соединениями. Гидроэкологическое загрязнение характеризуется формированием липидной пленки на акваториях, что существенно нарушает процессы газообмена и приводит к гипоксии водных биоценозов. Данное явление становится катализатором гибели ихтиофауны и прочих гидробионтов. Почвенно-экологические нарушения обусловлены проникновением масляных субстанций в почвенный профиль. Это приводит к нарушению аэрационных процессов в ризосфере, что делает территорию нефункциональной для агропромышленного использования и подавляет развитие растительных организмов. Антропогенное влияние отработанных технических масел инициирует комплекс неблагоприятных реакций в организме, среди которых первостепенное значение имеет канцерогенный эффект, обусловленный присутствием в составе масел ПАУ и прочих мутагенных веществ. Токсичность также затрагивает нервную систему, вызывая полиморфные неврологические расстройства с поражением как периферических, так и центральных структур [2]. Актуальные аспекты обеспечения экологической безопасности обуславливают необходимость разработки и применения инновационных технологий утилизации отработанных масел с целью минимизации негативного воздействия на экосистему и здоровье человека. Традиционная методология регенерации отработанных масел базируется на трех фундаментальных подходах: фильтрационной обработке, центрифугировании и адсорбционной очистке с применением активированного угля. Фильтрационный метод реализуется посредством пропускания контаминированного масла через специализированные фильтрующие материалы. В качестве фильтрующих матриц применяются металлические и полимерные сетки, керамические композиции и композитные материалы [3]. Двухстадийная фильтрация представляет собой последовательную обработку масляной субстанции: первичная очистка осуществляется через фильтр грубой очистки, последующая - через фильтр тонкой очистки. Центрифугальный метод реализуется в специализированных сепарационных установках. Механизм разделения компонентов базируется на действии центробежных сил, при котором более тяжелые частицы (механические примеси, шлам, водная фаза) мигрируют к периферии, формируя самостоятельный фракционный слой [4]. Адсорбционный метод с применением активированного угля обусловлен его уникальными физико-химическими характеристиками. Развитая пористая структура и значительная удельная поверхность обеспечивают эффективное поглощение органических соединений, тяжелых металлов, шламовых включений и прочих веществ. Современные подходы к очистке отработанных масел характеризуются интеграцией комбинированных технологий, включающих предварительную обработку (центробежная сепарация и механическая фильтрация) и мембранное разделение посредством ультрафильтрации. Ультрафильтрационная технология представляет собой высокоэффективный метод очистки масляных композиций от механических примесей и загрязнений с применением специализированных ультрафильтров, обеспечивающих высокую степень очистки [5]. Мембранные технологии позволяют осуществлять глубокую очистку масла на молекулярном уровне, что делает их особенно эффективными в процессе регенерации смазочных материалов [5]. Перспективы развития мембранных технологий связаны с совершенствованием материалов для изготовления мембран, повышением их селективности и долговечности. Полимерные мембраны лидируют благодаря универсальности и экономичности, керамические - благодаря стойкости к агрессивным средам, а металлические - из-за высокой механической прочности [5]. Особую ценность представляет возможность многократного использования самих фильтрующих мембран, что способствует формированию замкнутого цикла переработки [6], минимизируя образование отходов. К перспективным методам глубокой переработки относят также гидрокрекинг, вакуумную перегонку, каталитические процессы. Гидрокрекинг - высокотехнологичный химический процесс, в ходе которого тяжелые углеводородные фракции преобразуются в более легкие с использованием водорода. Результатом является производство высококачественного базового масла [7]. Вакуумная перегонка позволяет получать промежуточные продукты - вакуумный газойль и гудрон [7], которые впоследствии подвергаются дальнейшей переработке. Каталитические процессы демонстрируют высокую эффективность благодаря способности ускорять химические реакции и обеспечивать получение целевых продуктов. Примером служит каталитический крекинг - процесс разложения тяжелых нефтяных фракций с использованием катализатора для производства высокооктанового бензина и дизельного топлива [8]. Следует отметить, что при определении оптимального способа утилизации и переработки отработанного масла необходимо учитывать комплекс целевых критериев. Это позволит выбрать наиболее эффективную и экологически безопасную технологию обработки из доступных на данный момент решений. Основные критерии при выборе метода включают экологическую безопасность, экономическую эффективность, техническую реализуемость, качество получаемых продуктов и соответствие современным стандартам переработки (рис.1). При выборе метода осуществляется комплексный учет также требований территориального планирования, нормативно-правовой базы, социально-экономических преимуществ, включая создание рабочих мест, а также учет мнений представителей общественности. Рис. 1...Критерии.выбора.метода.переработки. Источник:.составлено.Д.В..Волковым,.А.В..Маркеловым. Figure 1..Criteria.for.choosing.a.processing.method Source:.compiled.by.D.V..Volkov,.A.V..Markelov.. Производство товарных смазочных материалов из отработанных масел включает несколько этапов переработки и последовательность технологических операций [9] (рис. 2). • Предварительная подготовка: • Pre-treatment: Suitability testing, тестирование на пригодность, dehydration process процесс обезвоживания • Вакуумная дистилляция: • Vacuum distillation: separation выделение фракций of fractions • Гидроочистка: удаление • Hydrotreating: removal of residual остаточных полимеров и других polymers and other chemical химических соединений compounds • Фракционирование: разделение • Fractionation: Separating oil масла на классы into classes • Финальная обработка: смешивание • Final processing: mixing additives присадок с различными фракциями with various fractions of petroleum нефтепродуктов products Рис. 2..Этапы.технологических.операций.переработки Источник:.составлено.Д.В..Волковым,.А.В..Маркеловым. Figure 2...Stages.of.technological.operations.of.processing Source:.compiled.by.D.V..Volkov,.A.V..Markelov.. В современной технологии производства смазочных материалов широко применяются различные типы функциональных присадок, каждая из которых выполняет строго определенные задачи. Модифицирующие присадки направлены на оптимизацию физико-химических характеристик смазочных материалов и повышение индекса вязкости базового масла [10]. Защитные присадки формируют комплекс добавок, обеспечивающих сохранность как самого масла, так и элементов двигателя и механизмов, подавляя агрессивное воздействие окислителей [9]. Очищающие присадки предотвращают формирование углеродистых отложений, способствуют растворению существующих загрязнений. Комплексное применение указанных присадок позволяет создавать высокоэффективные смазочные материалы с оптимальным сочетанием эксплуатационных характеристик. Основные виды продукции, получаемые из регенерированного масла: - моторное и трансмиссионное масло, в том числе базовые компоненты для производства моторных масел различных классов, трансмиссионные масла с добавлением необходимых присадок, специальные масла для промышленного оборудования [3]; - пластичные смазки: мыльные смазки (гидратированные кальциевые и литиевые), углеводородные пластичные смазки, консервационные материалы для защиты техники от коррозии; - топливные продукты: дизельное топливо (основной продукт, 80-85 % от объема переработки), бензин (4-5 % от объема переработки), котельно-печное топливо [3]; - нефтехимическое сырье: фракции для производства нефтяного кокса, компоненты для получения дорожных и строительных битумов, сырье для коксования угольной шихты; - специализированные продукты: флотореагенты для обогащения полезных ископаемых, композиционные составы для временной защиты техники, спекающие добавки для коксохимической промышленности [4]. Переработка отработанных масел включает как экологические, так и экономические выгоды. Экологические выгоды переработки проявляются в нескольких ключевых аспектах. Во-первых, это улучшение системы утилизации. Применение современных технологий переработки значительно сокращает загрязнение атмосферы, предотвращая выбросы CO2 и токсичных веществ, при этом углерод остается в составе нового продукта. Во-вторых, рациональное использование природных ресурсов. Повторное применение масел существенно снижает потребность в производстве новых смазочных материалов, что минимизирует экологический ущерб на всех этапах - от добычи нефти до ее переработки. В-третьих, создание альтернативных источников энергии. Переработка позволяет получать качественное топливо из отработанных масел, которое эффективно заменяет ископаемые углеводороды и способствует снижению углеродного следа. Особую роль играет концепция замкнутого производственного цикла, где современные технологии регенерации обеспечивают возврат в производство 70-85 % исходного сырья [7]. Это не только снижает потребность в новых материалах, но и формирует устойчивую систему ресурсопользования, где отходы становятся ценным вторичным сырьем. Комплексный экономический эффект от вторичной переработки масел проявляется в нескольких ключевых направлениях: в оптимизации производственных затрат, повышении качества продукции, увеличении срока службы оборудования и ресурсной эффективности. Государство поддерживает предприятия по переработке отработанных масел через систему финансовых мер, таких как налоговые льготы, субсидии на модернизацию, льготные кредиты и гранты на инновационные проекты. Однако внедрение этой практики сталкивается с серьезными препятствиями. Экономические барьеры: высокие затраты на переработку, недоступность оборудования для малых предприятий. Только 4 % потребляемых в России масел (около 8 млн т в год) перерабатывается экологичным способом [1]. Технологические сложности: проблематичность очистки масел из-за их состава и наличия присадок, необходимость разработки индивидуальных технологий для каждого сорта масла. Организационные проблемы: сложности со сбором и транспортировкой отходов, отсутствие эффективной системы сбора у мелких производителей. Нормативные пробелы: недостаточное развитие законодательной базы в сфере переработки. Информационный дефицит: низкая осведомленность населения и малого бизнеса об экологических рисках неправильной утилизации. Многие не знают, что один литр масла загрязняет до миллиона литров воды, что приводит к незаконной утилизации отходов. заключение В результате анализа можно сделать вывод, что производство смазочных материалов из отработанных масел - это перспективное и взаимовыгодное решение для экологии и экономики. Экономическая выгода подтверждается сокращением энергозатрат и уменьшением зависимости от первичной нефтепереработки. Экологическая значимость заключается в предотвращении загрязнения окружающей среды и рациональном использовании ресурсов. Развитие данного направления способствует формированию замкнутого производственного цикла, где отходы становятся ценным сырьем. К перспективным направлениям развития отрасли относятся разработка инновационных фильтрующих материалов, создание высокоэффективных адсорб ентов, применение нанотехнологий в процессе очистки, внедрение автома тизированных систем контроля, интеграция в глобальные экологические проекты и формирование эффективной системы сбора и транспортировки отходов. Авторы считают, что дальнейшее продвижение направления регенерации требует не только научно-технических разработок, но и системной интеграции в нормативную и экономическую среду. Только при условии тесного взаимодействия государства, бизнеса и общества возможно достижение значимых результатов в области переработки отработанных масел, поскольку успешная утилизация должна обеспечивать баланс между экологической безопасностью, экономической эффективностью и социальной ответственностью.

About the authors

Danil V. Volkov

Yaroslavl State Technical University

Author for correspondence.
Email: volkovdv@ystu.ru
postgraduate student of the Department of Infrastructure and Transport 88 Moskovsky Ave., Yaroslavl, 150023, Russian Federation

Alexander V. Markelov

Yaroslavl State Technical University

Email: aleksandr203.37@mail.ru
Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Professor of the Department of Infrastructure and Transport 88 Moskovsky Ave., Yaroslavl, 150023, Russian Federation

References

Supplementary files