Tổng quan nghiên cứu

Dầu bôi trơn là nguyên liệu thiết yếu trong nhiều ngành công nghiệp và giao thông vận tải, với mức tiêu thụ tại Việt Nam trên 300 ngàn tấn mỗi năm và tốc độ tăng trưởng khoảng 10-15% hàng năm. Qua quá trình sử dụng, dầu bôi trơn bị biến đổi về tính chất cơ lý hóa, dẫn đến suy giảm hiệu quả bôi trơn và phải thay thế bằng dầu mới. Dầu thải sau sử dụng chứa nhiều tạp chất và kim loại nặng, đặc biệt là chì, gây nguy hại nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người. Theo Nghị định 115 của Chính phủ, dầu thải được xếp vào nhóm chất thải nguy hại, đòi hỏi phải có quy trình xử lý và tái sinh phù hợp.

Mục tiêu nghiên cứu là phân tích và đánh giá chất lượng dầu bôi trơn động cơ qua quá trình sử dụng, từ đó xây dựng quy trình phân tích sơ bộ nguyên liệu đầu vào cho quá trình cracking xúc tác nhằm sản xuất nhiên liệu diesel từ dầu thải. Nghiên cứu tập trung vào các chỉ số quan trọng như độ nhớt, chỉ số axit tổng (TAN), hàm lượng cặn cacbon, lưu huỳnh, nước, cặn không tan và hàm lượng chì. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam trong giai đoạn 2013-2014, với các mẫu dầu thải thu thập từ nhiều nguồn động cơ khác nhau.

Nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc nâng cao hiệu quả xử lý dầu thải, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đồng thời góp phần phát triển công nghệ tái sinh dầu thải thân thiện và hiệu quả, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của ngành công nghiệp dầu khí và giao thông vận tải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Lý thuyết cracking xúc tác: Quá trình cracking xúc tác là kỹ thuật chuyển hóa các phân đoạn dầu nặng thành các phân đoạn nhẹ hơn dưới tác dụng của xúc tác và nhiệt độ cao. Các phản ứng chính bao gồm cracking parafin, olefin, xycloparafin và các phản ứng phụ như chuyển dịch hydro, isome hóa, tái phân bố nhóm alkyl. Sản phẩm chính gồm khí (10-25%), xăng (30-55%), dầu chu trình nhẹ (LCO), dầu chu trình nặng (HCO) và dầu gạn.

  • Chỉ số đánh giá chất lượng dầu bôi trơn: Bao gồm chỉ số độ nhớt (VI), chỉ số axit tổng (TAN), hàm lượng cặn cacbon Conradson (CCR), hàm lượng lưu huỳnh, nước, cặn không tan và hàm lượng chì. Các chỉ số này phản ánh mức độ biến chất, khả năng bôi trơn và ảnh hưởng đến quá trình tái sinh dầu.

  • Phương pháp phân tích chì bằng phổ hấp thụ phân tử UV-VIS với thuốc thử đithizon: Phức chì-đithizon tạo màu đỏ được chiết xuất và đo hấp thụ quang tại bước sóng 520 nm, cho phép xác định hàm lượng chì với giới hạn phát hiện khoảng 1 ppm.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Mẫu dầu bôi trơn động cơ đã qua sử dụng được thu thập từ nhiều loại động cơ khác nhau tại các địa phương trong nước. Tổng số mẫu khoảng 20-30 mẫu, đại diện cho các điều kiện sử dụng và mức độ nhiễm bẩn khác nhau.

  • Phương pháp phân tích:

    • Đo độ nhớt động học ở 40ºC và 100ºC theo TCVN 3171:2011 để tính chỉ số độ nhớt (VI).
    • Xác định chỉ số axit tổng (TAN) bằng phương pháp chuẩn độ với dung dịch KOH 0,1M và chỉ thị phenolphtalein.
    • Đo hàm lượng cặn cacbon Conradson (CCR) bằng phương pháp nung mẫu trong lò đốt mẫu.
    • Xác định hàm lượng lưu huỳnh bằng phổ huỳnh quang tán xạ tia X (LAB-X).
    • Đo hàm lượng nước bằng phương pháp chưng cất hồi lưu với dung môi toluen hoặc xylen.
    • Xác định hàm lượng cặn không tan bằng lọc 100 ml mẫu dầu.
    • Phân tích hàm lượng chì bằng phương pháp trắc quang UV-VIS với thuốc thử đithizon, kết hợp xử lý mẫu bằng các dung dịch amoniac, axit nitric, kali xyanua để loại bỏ ảnh hưởng của các ion kim loại khác.

  • Timeline nghiên cứu:

    • Thu thập mẫu và chuẩn bị mẫu: 3 tháng.
    • Phân tích các chỉ số hóa lý: 4 tháng.
    • Khảo sát điều kiện tối ưu cho phương pháp phân tích chì: 2 tháng.
    • Xử lý dữ liệu và đánh giá kết quả: 3 tháng.
    • Viết báo cáo và hoàn thiện luận văn: 2 tháng.

  • Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Các phương pháp được chọn đều có độ chính xác cao, phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm hiện có, đồng thời cho phép phân tích đồng thời nhiều chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng dầu thải một cách toàn diện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chỉ số độ nhớt (VI) giảm rõ rệt sau quá trình sử dụng:
    Mẫu dầu mới có chỉ số VI trung bình khoảng 130-150, trong khi dầu thải giảm xuống còn khoảng 80-100, tương đương giảm 30-40%. Điều này cho thấy sự suy giảm khả năng duy trì độ nhớt ổn định của dầu khi nhiệt độ thay đổi, ảnh hưởng đến hiệu quả bôi trơn.

  2. Chỉ số axit tổng (TAN) tăng lên đáng kể:
    Dầu mới có TAN khoảng 0,2-0,3 mg KOH/g, trong khi dầu thải tăng lên 1,2-1,5 mg KOH/g, tăng khoảng 4-5 lần. Sự tăng TAN phản ánh quá trình oxy hóa và hình thành các axit hữu cơ trong dầu, làm giảm tuổi thọ dầu và tăng nguy cơ ăn mòn động cơ.

  3. Hàm lượng cặn cacbon Conradson (CCR) tăng gấp 2-3 lần:
    Mẫu dầu mới có CCR khoảng 1-2%, dầu thải lên tới 4-6%. Cặn cacbon tích tụ làm giảm khả năng truyền nhiệt và gây tắc nghẽn các bộ phận động cơ.

  4. Hàm lượng chì trong dầu thải dao động từ 2 đến 8 ppm:
    Hàm lượng chì tăng cao so với dầu mới (gần như không phát hiện được), gây nguy cơ ngộ độc xúc tác cracking và ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người.

Thảo luận kết quả

Sự suy giảm chỉ số độ nhớt và tăng chỉ số axit tổng là hệ quả của quá trình oxy hóa và biến chất dầu trong điều kiện nhiệt độ cao và tiếp xúc với không khí, kim loại động cơ. Hàm lượng cặn cacbon tăng cao do sự tạo thành các sản phẩm không tan từ quá trình cháy không hoàn toàn và phân hủy phụ gia. Hàm lượng chì tăng do mài mòn các chi tiết động cơ chứa chì hoặc do nhiễm bẩn từ nhiên liệu và phụ gia.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả tương đồng với báo cáo của ngành dầu khí về sự biến đổi tính chất dầu thải sau sử dụng. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh chỉ số VI, TAN, CCR giữa dầu mới và dầu thải, cũng như bảng phân tích hàm lượng chì từng mẫu để minh họa rõ ràng mức độ biến đổi.

Kết quả nghiên cứu khẳng định tầm quan trọng của việc xử lý sơ bộ và phân tích chính xác các chỉ số để lựa chọn quy trình tái sinh dầu thải phù hợp, đồng thời cảnh báo về nguy cơ ô nhiễm môi trường do hàm lượng kim loại nặng trong dầu thải.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng quy trình xử lý sơ bộ dầu thải hiệu quả:
    Áp dụng các bước lắng tách, xử lý đông tụ và rửa kiềm nhằm loại bỏ nước, cặn không tan và giảm hàm lượng lưu huỳnh trước khi đưa vào quá trình cracking xúc tác. Mục tiêu giảm hàm lượng lưu huỳnh xuống dưới 0,5% trong vòng 6 tháng, do các trung tâm xử lý dầu thải thực hiện.

  2. Áp dụng phương pháp phân tích chì bằng UV-VIS với thuốc thử đithizon làm chuẩn:
    Đảm bảo độ chính xác và độ nhạy cao trong việc kiểm soát hàm lượng chì, giúp ngăn ngừa ngộ độc xúc tác và ô nhiễm môi trường. Thời gian triển khai trong 3 tháng, do phòng thí nghiệm phân tích thực hiện.

  3. Phát triển công nghệ cracking xúc tác tầng giả sôi (FCC) phù hợp với dầu thải Việt Nam:
    Tối ưu hóa điều kiện nhiệt độ, tỷ lệ xúc tác và thời gian lưu để tăng hiệu suất sản phẩm diesel và giảm sản phẩm khí không mong muốn. Mục tiêu nâng hiệu suất diesel lên trên 50% trong vòng 1 năm, do viện nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp thực hiện.

  4. Tăng cường quản lý và thu gom dầu thải:
    Nâng tỷ lệ thu hồi dầu thải hiện khoảng 50% lên trên 80% trong 2 năm tới, giảm thiểu lượng dầu thải bị thải trực tiếp ra môi trường. Các cơ quan quản lý nhà nước phối hợp với doanh nghiệp và cộng đồng thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa phân tích, Hóa dầu:
    Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp phân tích chi tiết về dầu bôi trơn và dầu thải, hỗ trợ phát triển các đề tài liên quan đến tái sinh dầu và xử lý môi trường.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và tái sinh dầu bôi trơn:
    Áp dụng quy trình phân tích và xử lý sơ bộ dầu thải để nâng cao chất lượng sản phẩm tái sinh, giảm chi phí và tăng hiệu quả kinh tế.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách:
    Sử dụng dữ liệu và phân tích để xây dựng các quy định, tiêu chuẩn về thu gom, xử lý và tái sinh dầu thải, góp phần bảo vệ môi trường.

  4. Phòng thí nghiệm phân tích hóa chất và môi trường:
    Tham khảo phương pháp phân tích chì và các chỉ số hóa lý khác để nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong kiểm tra chất lượng dầu thải và các mẫu môi trường liên quan.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chỉ số độ nhớt (VI) của dầu bôi trơn lại quan trọng?
    VI phản ánh khả năng duy trì độ nhớt ổn định khi nhiệt độ thay đổi, giúp dầu bôi trơn hiệu quả trong nhiều điều kiện làm việc. Dầu có VI cao bảo vệ động cơ tốt hơn, giảm mài mòn và hao mòn.

  2. Chỉ số axit tổng (TAN) tăng có ảnh hưởng gì đến dầu bôi trơn?
    TAN tăng cho thấy dầu bị oxy hóa, tạo thành axit làm giảm tính năng chống oxy hóa và tăng nguy cơ ăn mòn các chi tiết động cơ, làm giảm tuổi thọ dầu và động cơ.

  3. Phương pháp phân tích chì bằng UV-VIS với thuốc thử đithizon có ưu điểm gì?
    Phương pháp này đơn giản, nhanh chóng, có độ nhạy cao với giới hạn phát hiện khoảng 1 ppm, phù hợp để xác định hàm lượng chì trong dầu thải, giúp kiểm soát ô nhiễm và ngộ độc xúc tác.

  4. Tại sao cần xử lý sơ bộ dầu thải trước khi cracking xúc tác?
    Xử lý sơ bộ loại bỏ nước, cặn không tan và các hợp chất lưu huỳnh, kim loại gây ngộ độc xúc tác, giúp quá trình cracking hiệu quả hơn, nâng cao chất lượng sản phẩm và kéo dài tuổi thọ xúc tác.

  5. Hiệu suất sản phẩm diesel từ quá trình cracking xúc tác phụ thuộc vào yếu tố nào?
    Phụ thuộc vào chất lượng nguyên liệu dầu thải, loại và tính chất xúc tác, điều kiện nhiệt độ, áp suất và thời gian lưu trong phản ứng. Nguyên liệu giàu naphten và aromat thường cho hiệu suất diesel cao hơn.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công quy trình phân tích các chỉ số quan trọng của dầu bôi trơn động cơ qua quá trình sử dụng, bao gồm độ nhớt, TAN, CCR, lưu huỳnh, nước, cặn không tan và hàm lượng chì.
  • Phương pháp phân tích chì bằng UV-VIS với thuốc thử đithizon được tối ưu và đánh giá có độ chính xác cao, phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm trong nước.
  • Kết quả phân tích cho thấy dầu thải có sự biến đổi rõ rệt về tính chất hóa lý, ảnh hưởng đến hiệu quả bôi trơn và quá trình tái sinh dầu.
  • Đề xuất các giải pháp xử lý sơ bộ và công nghệ cracking xúc tác nhằm nâng cao hiệu quả tái sinh dầu thải, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
  • Khuyến nghị các cơ quan, doanh nghiệp và phòng thí nghiệm áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển công nghệ và quản lý dầu thải hiệu quả hơn.

Hành động tiếp theo: Triển khai áp dụng quy trình phân tích và xử lý sơ bộ tại các trung tâm tái sinh dầu thải trong vòng 6-12 tháng, đồng thời nghiên cứu mở rộng công nghệ cracking xúc tác phù hợp với đặc điểm dầu thải Việt Nam.