Kiểm soát sự phân hủy trong mỡ có thể phân hủy sinh học trong quá trình hoạt động của chất bôi trơn, nhiệt độ, áp suất và tải trọng là những yếu tố chính ảnh hưởng đến sự xuống cấp. Để theo dõi quá trình phân hủy này trong dầu bôi trơn, ngành công nghiệp đã xác định các phương pháp thử nghiệm cụ thể liên quan đến kỹ thuật lấy mẫu và phân tích chính xác để cung cấp thông tin hiệu quả về khoảng thời gian thay dầu chính xác. Việc áp dụng các phương pháp giám sát điều kiện này cho mỡ bôi trơn phức tạp hơn nhiều, đặc biệt khi chúng là mỡ bôi trơn phân hủy sinh học gốc este. Điều này giải thích tại sao ngành công nghiệp dựa vào các khoảng thời gian dựa trên thời gian (bảo trì phòng ngừa) cho các quy trình hệ thống bôi trơn bằng mỡ.
Để thiết lập một quy trình bảo dưỡng chính xác, điều quan trọng là phải hiểu quá trình suy thoái xảy ra như thế nào trong mỡ tự nhiên và phân hủy sinh học, đồng thời xác định các thông số kiểm soát thích hợp, giới hạn và tần suất lấy mẫu (hoặc tần suất lấy lại).
Tóm tắt nội dung
Quá trình oxy hóa
Để đánh giá các kỹ thuật khác nhau, một loại mỡ khoáng và một loại mỡ phân hủy sinh học đã được oxy hóa trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp oxy hóa mới. Một kg mỗi loại dầu mỡ được oxy hóa trong bể phản ứng ở 140 độ C với luồng không khí và khuấy liên tục. Mười mẫu của mỗi loại mỡ ở các thời điểm oxy hóa khác nhau được lấy.
Hình 1. Một lò phản ứng trong bể được sử dụng để oxy hóa các mẫu dầu mỡ.
Phương pháp phát hiện xuống cấp
Trong số các phương pháp thử nghiệm được sử dụng để phát hiện sự phân hủy dầu mỡ sớm là số axit (AN), quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), nhiệt lượng quét vi sai (DSC), RULER (thời hạn sử dụng còn lại) và lưu biến (ứng suất năng suất). Một số kỹ thuật được áp dụng trực tiếp với dầu mỡ, trong khi những kỹ thuật khác được áp dụng cho dầu chiết xuất từ mỡ.
Số axit
Cả trong chất bôi trơn mới và chất bôi trơn đang sử dụng, các thành phần có tính axit sẽ xuất hiện, ở dạng phụ gia hoặc do kết quả của quá trình oxy hóa chất bôi trơn. Phương pháp kiểm tra số axit là phép đo số lượng của các thành phần axit đó trong chất bôi trơn. Đối với nghiên cứu điển hình này, phép đo đã được hoàn thành theo tiêu chuẩn ASTM D974-04 (một phép chuẩn độ ước tính lượng kali hydroxit cần thiết để trung hòa các hợp chất axit của dầu) và được áp dụng trực tiếp vào mỡ bôi trơn và cả dầu chiết xuất từ mỡ bôi trơn.
Bảng 1. Kết quả từ các phép đo số axit được liệt kê trong bảng này.
Hình 2 minh họa xu hướng tính axit của mỡ khoáng với thời gian oxy hóa tương ứng. Xu hướng của cả dầu mỡ và dầu chiết xuất là rất giống nhau. Có một khu vực cao nguyên mà độ chua gần như không đổi và sau đó bắt đầu tăng lên (lúc 264 giờ).
Hình 2. Biểu đồ này cho thấy xu hướng số lượng axit đối với mỡ khoáng.
Xu hướng axit đối với dầu mỡ phân hủy sinh học với thời gian oxy hóa tương ứng có thể được nhìn thấy trong Hình 3. Một lần nữa, xu hướng đối với cả dầu mỡ và dầu chiết xuất là tương tự. Ngoài ra còn có một khu vực cao nguyên nơi nồng độ axit không đổi và sau đó bắt đầu tăng lên (lúc 392 giờ).
Hình 3. Xu hướng số lượng axit đối với dầu mỡ phân hủy sinh học được thể hiện trong biểu đồ này.
CÁI THƯỚC
Thử nghiệm RULER (voltammetric) được tiến hành để xác định mức tiêu thụ chất chống oxy hóa. Phương pháp này dựa trên phân tích điện tích như một phương pháp phân tích điện trong đó một mẫu được trộn với chất điện ly và dung môi, sau đó được đặt trong một tế bào điện phân. Với điện áp tăng lên mẫu trong tế bào, các chất chống oxy hóa hòa tan khác nhau sẽ oxy hóa điện hóa, dẫn đến phản ứng oxy hóa có thể được sử dụng để dự đoán thời gian sử dụng hữu ích còn lại của mỡ và dầu.
Hai loại mỡ này được tạo thành từ các amin thơm, là chất chống oxy hóa chính. Chúng hoạt động bằng cách tặng một nguyên tử hydro cho gốc peroxy. Sự suy giảm chất chống oxy hóa amin đối với dầu mỡ khoáng và phân hủy sinh học khi thời gian oxy hóa tăng lên được thể hiện trong Hình 4 và 5.
Hình 4. Biểu đồ này mô tả kết quả kiểm tra RULER đối với mỡ khoáng.
Hình 5. Kết quả kiểm tra RULER đối với mỡ có thể phân hủy sinh học được vẽ trong đồ thị này.
Bảng 2. So sánh tuổi thọ hữu ích còn lại (%) của dầu mỡ khoáng và dầu mỡ phân hủy sinh học.
Hình 6. Biểu đồ xu hướng RULER đối với mỡ khoáng và mỡ phân hủy sinh học minh họa cách các chất chống oxy hóa giảm theo cùng một cách.
FTIR
FTIR là một kỹ thuật nổi tiếng để phân tích các đặc tính hóa học của dầu, bao gồm các sản phẩm oxy hóa và các chất phụ gia. Trong nghiên cứu này, FTIR đã được áp dụng cho mỡ và dầu, nhưng chỉ thảo luận về kết quả của dầu, vì phổ hồng ngoại của mỡ không cung cấp nhiều thông tin.
Hình 7. Phổ hồng ngoại này cho thấy các loại dầu chiết xuất từ mỡ khoáng ở các thời điểm oxy hóa khác nhau.
Một vùng (3.500 đến 3.350 cm -1 ) của quang phổ dầu mỡ khoáng đã được nghiên cứu để xác định mức độ phù hợp của dải này đối với việc định lượng chất chống oxy hóa amin. Kết quả thu được cho lĩnh vực này được thể hiện trong Bảng 3.
Bảng 3. Thời gian oxy hóa cho khu vực đo được liệt kê trong bảng này.
Sau đó, một vùng thứ hai (1,615 đến 1,592 cm -1 ) của phổ được kiểm tra để thiết lập sự phù hợp của dải này đối với việc định lượng chất chống oxy hóa amin thơm. Kết quả thu được cho lĩnh vực này được thể hiện trong Bảng 4.
Bảng 4. Bảng này cho thấy kết quả thu được đối với diện tích đo được.
Một trong những khu vực điển hình nhất để kiểm soát sự suy thoái của dầu khoáng là ở đỉnh 1.700 cm -1 . Trong trường hợp này, dải tần này không được định lượng vì có một chất phụ gia xuất hiện ở cùng bước sóng, điều này gây khó khăn cho việc rút ra bất kỳ kết luận nào.
Hình 8. Đây là phổ hồng ngoại của các loại dầu chiết xuất từ mỡ bôi trơn phân hủy sinh học ở các thời điểm oxy hóa khác nhau.
Trong quang phổ dầu mỡ phân hủy sinh học, một vùng (3.660 đến 3.100 cm -1 ) được định lượng để xác định mức độ phù hợp của dải này đối với việc kiểm soát suy thoái. Kết quả thu được cho lĩnh vực này được thể hiện trong Bảng 5.
Bảng 5. Thời gian oxy hóa cho diện tích đo được liệt kê trong bảng này.
Một khu vực khác (1.100 đến 1.200 cm -1 ) đã được định lượng để thiết lập sự phù hợp của dải này đối với việc kiểm soát sự xuống cấp của mỡ có thể phân hủy sinh học. Kết quả thu được cho lĩnh vực này được thể hiện trong Bảng 6.
Bảng 6. Bảng này cho thấy kết quả thu được đối với diện tích đo được.
Lưu biến học (Áp suất năng suất)
Giá trị ứng suất suất là ứng suất tương ứng với sự chuyển từ biến dạng đàn hồi sang biến dạng dẻo. Đối với giá trị tới hạn này, mạng lưới bên trong của mỡ bôi trơn trở nên không ổn định và quá trình biến dạng bên trong vật liệu đột ngột chuyển thành dòng chảy.
Trong trường hợp nghiên cứu này, một máy đo lưu biến đã được sử dụng để đo ứng suất chảy cùng với một tấm song song 25 mm có khe hở 2 mm. Đối với mỡ có thể phân hủy sinh học, phương pháp để đo ứng suất chảy là Thử nghiệm quét biến dạng. Phép đo ứng suất chảy hiện đang được áp dụng cho mỡ khoáng.
Bảng 7. Ứng suất chảy có xu hướng giảm khi bắt đầu quá trình oxy hóa nhưng sau đó bắt đầu tăng trở lại (dầu mỡ có xu hướng đông cứng lại).
Biến thể DSC
DSC là một kỹ thuật phân tích nhiệt để đo dòng nhiệt liên quan đến những thay đổi vật lý và hóa học nhất định trong chất bôi trơn. Mối quan tâm của kỹ thuật này là tính ổn định đối với quá trình oxy hóa, được thể hiện dưới dạng thời gian trễ để bắt đầu phản ứng tỏa nhiệt oxy hóa. Mẫu được đặt trong tủ sấy nóng đến nhiệt độ cài đặt, và oxy sau đó được đưa qua hai ngăn. Khi chất chống oxy hóa trong mẫu không còn đủ khả năng bảo vệ, quá trình oxy hóa chất bôi trơn diễn ra và được phát hiện bằng sự tăng nhiệt độ trong ngăn chứa mẫu.
Hình 9. Các biểu đồ nhiệt này thu được đối với mỡ khoáng ở các mức độ oxy hóa khác nhau.
Thử nghiệm DSC chỉ được áp dụng cho mỡ khoáng và đang được thử nghiệm với mỡ phân hủy sinh học. Người ta quan sát thấy rằng mỡ khoáng bị phân hủy sớm hơn khi thời gian oxy hóa tăng lên.
Đối với mỡ có thể phân hủy sinh học, số axit, FTIR và đo ứng suất năng suất dường như là những kỹ thuật tốt để phát hiện các giai đoạn sớm của quá trình oxy hóa.
Hình 10. Khi nhóm COO và OH bắt đầu tăng lên, vùng bình nguyên của tính axit của dầu mỡ phân hủy sinh học kết thúc.
Hình 11. Số lượng axit và ứng suất năng suất bắt đầu tăng cùng một lúc .
PHẦN KẾT LUẬN
Cơ chế oxy hóa của dầu nhờn sinh học khác với cơ chế của dầu khoáng. Do đó, khoảng thời gian thay đổi được thiết lập và các thông số là khác nhau đối với chất bôi trơn khoáng và phân hủy sinh học.
Người ta xác định rằng thử nghiệm RULER là một kỹ thuật phù hợp để theo dõi mỡ có thể phân hủy sinh học khi chúng được pha chế với chất chống oxy hóa mà phương pháp thử nghiệm này có thể phát hiện được. Quang phổ hồng ngoại phù hợp hơn với dầu để định lượng sự phân huỷ biogrease. Bằng cách đo diện tích COO và OH, các giai đoạn đầu của quá trình oxy hóa dường như được phát hiện.
Axit số có thể được áp dụng trực tiếp vào dầu mỡ phân hủy sinh học và là một kỹ thuật tốt để kiểm soát sự phân hủy của biogrease. Khi số axit bắt đầu tăng mạnh thì phải thay dầu mỡ.
Cần phải làm thêm để xác định xem DSC có phải là một kỹ thuật phù hợp để kiểm soát mỡ có thể phân hủy sinh học trong quá trình sử dụng hay không.
