Mỡ phân huỷ sinh học và kiểm soát quá trình phân huỷ

Trong quá trình vận hành chất bôi trơn, nhiệt độ, áp suất và tải là những yếu tố chính ảnh hưởng đến sự phân hủy. 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 các kỹ thuật lấy mẫu và phân tích chính xác để cung cấp thông tin hiệu quả về khoảng thời gian thay dầu chính xác. Đặc biệt vấn đề quan tâm hiện nay là mỡ phân huỷ sinh học và kiểm soát quá trình phân huỷ.

Mỡ phân huỷ sinh học là gì?

Mỡ phân huỷ sinh học ( mỡ Bio) là loại mỡ có khả năng phân hủy tự nhiên thông qua hoạt động của các sinh vật và phải đáp ứng các tiêu chuẩn ISO 9439 hoặc OECD 301B. Các tiêu chuẩn này nêu rõ rằng chất bôi trơn bị phân hủy hơn 60% trong vòng 28 ngày là chất bôi trơn dễ phân hủy sinh học .

Các thử nghiệm bao gồm xử lý mẫu chất bôi trơn bằng vi sinh vật khi có oxy và đo CO2 do vi sinh vật tạo ra. Chất bôi trơn gốc dầu mỏ vốn có khả năng phân hủy sinh học, nhưng không dễ phân hủy sinh học vì chúng không đáp ứng các tiêu chuẩn này. Chất bôi trơn gốc dầu mỏ tự nhiên phân hủy ở tốc độ 15-35% trong 28 ngày, thấp hơn mức yêu cầu là 60%.

Ngoài ra, mỡ phân huỷ sinh học phải có “độc tính thấp”. Có nhiều loại xét nghiệm được sử dụng để xác định độc tính. Các xét nghiệm này liên quan đến cá, giáp xác và các sinh vật khác. Ở dạng tinh khiết, dầu khoáng và dầu thực vật cho thấy ít độc tính, nhưng chất bôi trơn không chỉ là dầu tinh khiết. Khi các chất phụ gia được đưa vào công thức, độc tính sẽ tăng lên. Các chất phụ gia được thêm vào để bù đắp cho bất kỳ điểm yếu nào về hiệu suất của các loại dầu gốc phân hủy sinh học.

Kiểm soát sự phân hủy trong mỡ phân hủy sinh học

Trong quá trình vận hành chất bôi trơn, nhiệt độ, áp suất và tải là những yếu tố chính ảnh hưởng đến sự phân hủy. 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 các 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 biện pháp theo dõi tình trạng này vào mỡ bôi trơn phức tạp hơn nhiều, đặc biệt là khi chúng là mỡ phân hủy sinh học gốc este. Điều này giải thích tại sao ngành công nghiệp dựa vào các khoảng thời gian theo thời gian (bảo trì phòng ngừa) cho các quy trình hệ thống bôi trơn bằng mỡ.

Để thiết lập một giao thức bảo trì chính xác, điều quan trọng là phải hiểu quá trình phân hủy diễn ra như thế nào trong mỡ khoáng và mỡ phân hủy sinh học, đồng thời xác định các thông số kiểm soát, giới hạn và tần suất lấy mẫu (hoặc tần suất bôi mỡ lại) phù hợp.

Trong số các phương pháp thử nghiệm được sử dụng để phát hiện sự phân hủy mỡ sớm là thử nghiệm oxy hoá, trị số  axit (AN), quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), phép đo nhiệt lượng quét vi sai (DSC), RULER (thời gian sử dụng còn lại) và lưu biến học (ứng suất chảy). Một số kỹ thuật được áp dụng trực tiếp vào mỡ, trong khi những kỹ thuật khác được áp dụng cho dầu chiết xuất từ ​​mỡ.

Quá trình oxy hóa

Để đánh giá các kỹ thuật khác nhau, mỡ khoáng và mỡ phân hủy sinh học đã được oxy hóa trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp oxy hóa mới. Một kilôgam của mỗi loại mỡ được oxy hóa trong lò phản ứng bồn tắm 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 đã được lấy.

Trị số axit

Trong cả chất bôi trơn mới và chất bôi trơn đang sử dụng, các thành phần có tính axit sẽ xuất hiện, dưới dạng phụ gia hoặc là kết quả của quá trình oxy hóa chất bôi trơn. Phương pháp thử số axit là phép đo lượng các thành phần có tính axit đó trong chất bôi trơn. Đối với nghiên cứu trường hợp này, phép đo được hoàn thành theo 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 và cũng vào dầu được chiết xuất từ ​​mỡ.

Hình 4 minh họa xu hướng axit của mỡ khoáng với thời gian oxy hóa tương ứng. Xu hướng của cả mỡ và dầu được chiết xuất đều rất giống nhau. Có một vùng ổn định mà ở đó độ axit vẫn gần như không đổi và sau đó bắt đầu tăng (ở 264 giờ).

Xu hướng axit của mỡ phân hủy sinh học với thời gian oxy hóa tương ứng có thể được thấy trong Hình 5. Một lần nữa, xu hướng của cả mỡ và dầu được chiết xuất đều tương tự nhau. Cũng có một vùng ổn định mà ở đó độ axit vẫn không đổi và sau đó bắt đầu tăng (ở 392 giờ).

Thử nghiệm RULER (voltammetric)

Thử nghiệm RULER (voltammetric) được tiến hành để xác định mức tiêu thụ chất chống oxy hóa. Phương pháp này dựa trên phân tích voltammetric như một phương pháp phân tích điện trong đó mẫu được trộn với chất điện phân và dung môi, sau đó được đặt trong một cell điện phân. Với điện áp tăng lên đến mẫu trong cell, các chất chống oxy hóa hòa tan khác nhau bị oxy hóa điện hóa, dẫn đến phản ứng oxy hóa có thể được sử dụng để dự đoán tuổi thọ hữu ích còn lại của mỡ và dầu.

Hai loại mỡ này được pha chế với amin thơm, là chất chống oxy hóa chính. Chúng hoạt động bằng cách cung cấp một nguyên tử hydro cho gốc peroxy. Sự suy giảm chất chống oxy hóa amin đối với mỡ khoáng và mỡ phân hủy sinh học khi thời gian oxy hóa tăng lên được thể hiện trong Hình 6 và 7.

Phân tích FTIR

FTIR là một kỹ thuật nổi tiếng để phân tích các tính chất hóa học của dầu, bao gồm các sản phẩm oxy hóa và phụ gia. Trong nghiên cứu này, FTIR được áp dụng cho mỡ và dầu, nhưng chỉ thảo luận về kết quả của dầu, vì quang phổ hồng ngoại của mỡ không cung cấp nhiều thông tin.

Một vùng (3.500 đến 3.350 cm ^-1 ) của quang phổ mỡ khoáng đã được nghiên cứu để xác định tính phù hợp của dải này đối với việc định lượng chất chống oxy hóa amin. Kết quả thu được cho vùng này được thể hiện trong hình11.

Sau đó , một vùng thứ hai (1.615 đến 1.592 cm ^-1 ) của quang phổ được kiểm tra để xác định tính phù hợp của dải này đối với việc định lượng chất chống oxy hóa amin thơm. Kết quả thu được cho vùng này được thể hiện trong hình 12.

Một trong những khu vực điển hình nhất để kiểm soát sự phân hủy dầu khoáng là ở đỉnh 1.700 cm -1 . Trong trường hợp này, dải này không được định lượng vì có một chất phụ gia xuất hiện ở cùng bước sóng, khiến việc trích xuất bất kỳ kết luận nào trở nên khó khăn.

Trong quang phổ mỡ phân hủy sinh học, một vùng (3.660 đến 3.100 cm ^-1 ) đã được định lượng để xác định tính phù hợp của dải này để kiểm soát sự phân hủy. Kết quả thu được cho vùng này được thể hiện trong hình 14:

Một khu vực khác (1.100 đến 1.200 cm ^-1 ) đã được định lượng để thiết lập tính phù hợp của dải này đối với việc kiểm soát sự phân hủy mỡ phân hủy sinh học. Kết quả thu được cho khu vực này được thể hiện trong HÌNH 15:

Lưu biến học (Ứng suất giới hạn)

Giá trị ứng suất chảy là ứng suất tương ứng với sự chuyển đổi 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 nhiên chuyển thành dòng chảy.

Trong nghiên cứu trường hợp này, một máy đo lưu biến được sử dụng để đo ứng suất chảy cùng với một tấm song song 25 mm có khe hở 2 mm. Đối với mỡ phân hủy sinh học, phương pháp đo ứng suất chảy là Thử nghiệm quét biến dạng. Phép đo ứng suất chảy hiện đang được áp dụng cho mỡ khoáng.

Biến thể DSC

DSC là một kỹ thuật phân tích nhiệt đo lưu lượng nhiệt liên quan đến một số thay đổi vật lý và hóa học trong chất bôi trơn. Điểm quan trọng của kỹ thuật này là tính ổn định đối với quá trình oxy hóa, thể hiện qua thời gian trễ đến khi bắt đầu phản ứng tỏa nhiệt oxy hóa. Mẫu được đặt trong lò nung nóng đến nhiệt độ đã đặt và sau đó oxy được truyền qua hai ô. Khi chất chống oxy hóa trong mẫu không còn khả năng bảo vệ, quá trình oxy hóa chất bôi trơn diễn ra và được phát hiện bằng cách tăng nhiệt độ trong ô chứa mẫu.

Thử nghiệm DSC chỉ áp dụng cho mỡ khoáng và đang được thử nghiệm với mỡ phân hủy sinh học. Người ta quan sát thấy mỡ khoáng bị phân hủy sớm hơn khi thời gian oxy hóa tăng lên.

Đối với mỡ phân huỷ sinh học, phép đo số axit, FTIR và ứng suất chảy dường như là những kỹ thuật tốt để phát hiện giai đoạn oxy hóa sớm.

Kết luận

Cơ chế oxy hóa của mỡ phân huỷ sinh học khác với dầu khoáng. Do đó, khoảng thời gian thay đổi cần thiết lập và các thông số 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 phân hủy sinh học khi chúng được pha chế với chất chống oxy hóa mà phương pháp thử nghiệm này có thể phát hiện. Phổ hồng ngoại phù hợp hơn với dầu để định lượng quá trình phân hủy mỡ sinh học. Bằng cách đo diện tích COO và OH, các giai đoạn oxy hóa ban đầu có vẻ như được phát hiện. Chỉ số axit có thể được áp dụng trực tiếp cho mỡ phân hủy sinh học và là một kỹ thuật tốt để kiểm soát sự phân hủy của mỡ sinh học. Khi chỉ số axit bắt đầu tăng mạnh, mỡ phải được thay đổi. Cần phải nghiên cứu thêm để xác định xem DSC có phải là kỹ thuật phù hợp để kiểm soát mỡ phân hủy sinh học trong quá trình sử dụng hay không.