Оптимизация состава эмульсола с учетом закономерностей регулирования свойств технологических жидкостей ультразвуковым воздействием

При производстве железобетонных изделий в формах, а также при монолитном строительстве одной из операций является смазка форм для разборной опалубки. В год по самым скромным оценкам тратится на импорт смазки порядка 10,8 млн. $. Для Республики Беларусь проблема импортозамещения актуальна, так как имеются все условия для собственного производства, несмотря на ограниченность сырьевой базы Республики.

Прогрессивным способом получения эмульсола из имеющегося в наличии местного сырья является целенаправленный способ модификации свойств его технологических компонентов с использованием эффектов кавитации при ультразвуковом воздействии [1, 2].

Цель настоящей работы – это ценовая оптимизация состава эмульсола на основе нефтехимических продуктов промышленных предприятий Республики Беларусь с учетом закономерностей модификации свойств технологических жидкостей, входящих в его состав, ультразвуковым воздействием.

Обзор сырьевой базы в пределах Республики показал, что наиболее дешевым источником для производства смазки могут служить продукты переработки нефти на республиканских предприятиях, в частности, Новополоцкого нефтеперерабатывающего завода, а эмульгаторами – техническая олеиновая кислота и жирные кислоты растительных масел производства ОАО «Гомельский жировой комбинат». В табл. 1 приведена стоимость компонентов, взятых за основу для производства антиадгезионных смазок по результатам предварительных исследований [1, 2]. Отметим, что важна не абсолютная цена технологической составляющей компоненты эмульсола, а соотношение между ними, которое не зависит от курса доллара.

Таблица 1 – Стоимость технологических компонентов, пригодных для приго товления эмульсола

№	Название компонента	Цена за 1т, белорусские рубли (тысяч руб.)
1	Масло ВД-2	1307
2	Масло И-40	2325
3	Нефтяной экстракт (НЭ)	1248
4	Жирные кислоты растительных масел (ЖКРМ )	1600
5	*Оксиэтилировнный алкилбензол неонол АФ9-12	8000
6	Олеиновая к-та (техническая)	4000

*Продукт, не производящийся в РБ

В качестве жирной кислоты использовались образцы жирных кислот для промышленной переработки ТУ РБ 190239501.035 с различной глубиной содержания олеиновой кислоты и влаги (№ 1 – 92,75 %, № 2 – 87,98 %, № 3 – 85,54 %) и олеиновые кислоты различной степени очистки, вплоть до химически чистых. На первом этапе для достижения поставленной цели проводилась работа по получению устойчивой эмульсии на основе минерального масла ВД-3, И40А производства Новополоцкого нефтеперерабатывающего завода, неонола АФ9-12 и полученных образцов жирных кислот производства ОАО «Гомельский жировой комбинат».

Исследования показали, что эмульсии, приготовленные из смеси минерального масла и жирной кислоты, обладают высокой седиментационной устойчивостью. Эмульсия, приготовленная на основе масла ВД-3 и И-40, неонола и жирной кислоты устойчива в течение более месяца, на поверхности не образуется после отстоя слоя масла, а слой сливок, если и образуется, то небольшой.

Установлено, что при смешении указанных компонентов образуется эмульсол, при растворении которого в воде при 10 % концентрации образуются устойчивые прямые эмульсии (типа «масло в воде»).

Проведенное испытание 10 % эмульсии на основе масла ВД-3, жирной кислоты и неонола в качестве антиадгезионной смазки при производстве бетонных изделий показало, что приготовление ее из эмульсола растворением в воде имеет отрицательную сторону, так как этот эмульсол хуже растворяется в воде. При недостаточно хорошем перемешивании или при низкой температуре воды образуются хлопья, в результате чего на поверхности изделия образуются жирные пятна.

Экспериментально было доказано, что ультразвуковым воздействием можно изменять свойства эмульгатора, в частности жирной кислоты [3]. Были проведены дополнительные исследования по влиянию ультразвукового воздействия на структуру эмульсии на основе масла ВД-3, И-40, экстракта нефтяного, жирной кислоты и неонола и на качество приготовленной эмульсии. В процессе исследований установлено, что ультразвуковое воздействие активирует олеиновую кислоту, что позволяет получить микроэмульсию даже на основе нефтяного экстракта, что невозможно без применения эффектов кавитации [2].

Важным показателем является цена исходного продукта. Исходя из стоимости компонентов (табл. 1), проведены исследования по получению эмульсола на основе экстракта нефтяного и жирных кислот растительных масел как самых дешевых компонентов и изучению устойчивости полученных эмульсий к расслоению.

Следует отметить, что ультразвуковому воздействию подвергалась смесь технологических компонентов эмульсола, а при получении эмульсии размешивание эмульсола проводилось чисто механически, лопаткой в холодной водопроводной воде.

Получить устойчивую эмульсию без неонола АФ9-12 на основе экстракта нефтяного и жирных кислот растительных масел даже под действием ультразвука не удалось.

Экспериментально была установлена минимальная концентрация неонола АФ9-12, как самого дорого компонента, для получения устойчивой эмульсии. В табл. 2 приведены результаты исследований.

Для ответа на вопрос, что происходит со смесью при ультразвуковом воздействии, был проведен рефрактометрический анализ [4] и исследовано изменение коэффициента поверхностного натяжения технологических жидкостей и их смесей в различной комбинации для оптимального состава под № 3 и № 4 из табл. 2.

Таблица 2 – Результаты эксперимента по минимизации цены эмульсола

№	Состав	Концентрация	Ультразвуковая обработка	Образец эмульсии (5 объёмных частей воды долито к обработанной смеси)	Фото фазового состава эмульсии
1	2	3	4	5	6
1	Масло ВД-2: Жирные кислоты растительных масел	3:2; 13:7; 7:3	3 минуты смесь ВД-2+ Жкрм	Получить однородную эмульсию не удалось
2	Нефтяной экстракт: Жирные кислоты растительных масел	5:1; 3:1; 1:1	3 минуты смесь НЭ+ Жкрм	Получить однородную эмульсию не удалось

Окончание таблицы 2

1	2	3	4	5			6
3	Нефтяной экстракт: Жирные кислоты растительных масел: Неонол	8:4:3	нет				Верхний с. лой Нижний слой
					h 1 l ) ] | ^ЛиП1 L ।
				Расслоение заметно сразу
4	Нефтяной экстракт: Жирные кислоты растительных масел: Неонол	8:4:3	3 минуты смесь НЭ+ Жкрм+ Неонол	Расслоения нет
5	Нефтяной экстракт: Жирные кислоты растительных масел: Неонол	4:2:1	3 минуты смесь НЭ+ Жкрм+ Неонол	Расслоение заметно сразу

Рефрактометрический анализ основан на измерении показателя преломления (рефракции) n вещества образцов. Показатель преломления вещества n зависит от его природы, а также от длины волны света и от температуры. Для монохроматического света при постоянной температуре коэффициент рефракции n среды зависит от химического состава и структуры вещества. Результаты рефрактометрических измерений показателя преломления (рефракции) n вещества приведены в табл. 3 и проводились на рефрактометре ИРФ-22 методом, основанным на явлении полного внутреннего отражения света (точность порядка 2·10-4).

Таблица 3 – Рефрактометрические измерения показателя преломления

№	Состав	Показатели преломления
		Без ультразвука, n 0	С обработкой ультразвуком, n з	Δ = n з - n 0
1	2	3	4	5
1	Нефтяной экстракт	1,5505	1,5512	7·10-4
2	Жирные кислоты растительных масел	1,4722	1,4714	-8·10-4
3	Неонол	1,4852	1,4844	-8·10-4
4	Смесь нефтяной экстракт + жирные кислоты растительных масел (2:1)	1,5260	1,5236	-24·10-4
5	Смесь нефтяной экстракт + неонол (8:3)	1,5425	1,5390	-35·10-4
6	Смесь жирные кислоты растительных масел + неонол (4:3)	1,4771	1,4768	-3·10-4
7	Смесь нефтяной экстракт + жирные кислоты растительных масел + неонол (8:4:3)	1,5172	1,5150	-22·10-4

Коэффициент поверхностного натяжения определяли методом пластины Вильгельми. Преимущество данного метода – простота и удобство измерений. На рис.1 показана схема, а на рис. 2 – сама установка по определению коэффициента поверхностного натяжения методом пластины Вильгельми.

Рисунок 1 – Схема определения коэффициента поверхностного натяжения методом пластины Вильгельми

Рисунок 2 – Экспериментальная установка по определению коэффициента поверхностного натяжения методом пластины Вильгельми

Эксперимент проводили следующим образом. Пластинка погружается в испытуемую жидкость (рис. 1). Сила, необходимая для извлечения пластинки из жидкости, измеряется до тех пор, пока значения измерения не станут стабильными и максимальными. По измеренной силе определяют поверхностное натяжение.

В методе Вильгельми определяется сила, которая необходима для уравновешивания тонкой пластинки шириной L , погруженной в жидкость; обычно используется полностью смачиваемая жидкостью пластинка, и поверхностное натяжение рассчитывается из выражения: σ = F / 2L , где F – сила, втягивающая пластинку в жидкость, L = 2 см – ширина пластины. Силу F измеряли с помощью весов ВК 300 (ошибка измерений силы составляет ± 0,005 г). Результаты измерений коэффициента поверхностного натяжения представлены в табл. 4.

Таблица 4 – Коэффициенты поверхностного натяжения

№	Состав	Измеряемая сила F , г		Коэффициент поверхностного натяжения, г/см
		Без ультразвука	С обработкой ультразвуком	Без ультразвука	С обработкой ультразвуком
1	Нефтяной экстракт	0,130	0,135	325 10-4	337,5 10-4
2	Жирные кислоты растительных масел	0,125	0,125	312,5 10-4	312,5 10-4
3	Неонол	0,140	0,140	350 10-4	350 10-4
4	Смесь нефтяной экстракт + жирные кислоты растительных масел (2:1)	0,135	0,130	337,5 10-4	325 10-4
5	Смесь нефтяной экстракт + неонол (8:3)	0,140	0,140	350 10-4	350 10-4
6	Смесь жирные кислоты растительных масел + неонол (4:3)	0,135	0,130	337,5 10-4	325 10-4
7	Смесь нефтяной экстракт + жирные кислоты растительных масел + неонол (8:4:3)	0,135	0,140	337,5 10-4	350 10-4

Анализ табл. 3 и 4 показывает, что на коэффициент поверхностного натяжения технологических жидкостей и их смесей обработка ультразвуком практически не влияет, но влияет на показатель преломления. Как видно из табл. 3, существенное влияние ультразвуковое воздействие оказывает на смеси нефтяного экстракта с эмульгаторами – неонолом и жирными кислотами растительных масел, т. е. имеет место какое-то межмолекулярное перестроение ассоциатов.