Zdolność wydzielania wody

28.06.2023

Oddzielanie wody jest właściwością oleju polegającą na zapobieganiu tworzenia się mniej lub bardziej stabilnych emulsji, które definiuje się jako rozproszenie kropelek jednej fazy w drugiej. Trwałe emulsje powstają poprzez zmieszanie dwóch cieczy ze środkiem emulgującym, którym mogą być: nieorganiczne elektrolity, związki powierzchniowo-czynne, związki makrocząsteczkowe oraz drobno rozdrobnione nierozpuszczalne ciała stałe. Stabilizatory te mogą być obecne w bazie i w dodatkach do oleju lub wprowadzane do emulsji przez fazę wodną¹.

Tab. 1. Klasyfikacja koloidów ze względu na stan fizyczny ośrodka dyspersyjnego.

 

Emulsja jest rodzajem mieszaniny koloidalnej, w której normalnie nie mieszające się ciecze są łączone w sposób, który zachowuje ich unikalną tożsamość chemiczną. Emulsja składa się z dwóch części:

• Faza ciągła: płynna część emulsji, w której rozproszona jest inna ciecz
• Faza rozproszona: część cieczy, która tworzy małe kropelki, równomiernie zawieszone w fazie ciągłej

Poniższy schemat przedstawia dwie konfiguracje emulsji olejowej i wodnej. Lewa strona przedstawia olej jako fazę ciągłą, z rozproszonymi kropelkami wody. Po prawej stronie roztwór wodny (na bazie wody) to faza ciągła, w której rozproszone są kropelki oleju. Należy zauważyć, że składniki fazy ciągłej nie wchodzą w interakcje z fazą rozproszoną — nic nie ulega rozpuszczeniu⁹.

 

             

 

Ryc . 1. Emulsja typu woda w oleju (w/o), gdzie fazą rozproszoną jest woda, a fazą rozpraszającą olej oraz emulsja olej w wodzie (o/w), gdzie fazą rozpraszającą jest woda a fazą rozproszoną olej.
Źródło: Emulsja jako układ koloidalny, Zintegrowana Platforma Edukacyjna, Ministerstwo Edukacji i Nauki⁸

Emulsje wielokrotne

Emulsje wielokrotne to nowe układy nośnikowe, które są złożonymi, polidyspersyjnymi, wielofazowymi układami składającymi się z co najmniej dwóch niemieszających się cieczy, tj. emulsje w/o i o/w występują jednocześnie w jednym układzie. Do stabilizacji tych dwóch emulsji stosuje się odpowiednio lipofilowe i hydrofilowe środki powierzchniowo czynne. Kropelki fazy rozproszonej zawierają nawet mniejsze rozproszone kropelki, zwane także „emulsjami emulsji”. Wewnętrzne rozproszone kropelki emulsji wielokrotnych są oddzielone od zewnętrznej fazy ciekłej warstwą innej fazy¹⁰.

 

 

 

Ryc. 2. Emulsje wielofazowe o/w/o oraz w/o/w.
Źródło: Emulsja jako układ koloidalny, Zintegrowana Platforma Edukacyjna, Ministerstwo Edukacji i Nauki⁸

Woda i olej nie mieszają się ze względu na chemiczną naturę cząsteczek wody i oleju . Cząsteczki wody są polarne, posiadają elektroujemny atom tlenu i elektrododatnie atomy wodoru. Z drugiej strony olej ma charakter niepolarny i nie zawiera atomów silnie elektroujemnych ani elektrododatnich. Kiedy te dwa płyny zostaną zmieszane, atomy wody będą raczej aglomerować razem niż mieszać się z cząsteczkami węglowodorów organicznych. To działanie odrzuca wodę z oleju podczas próby wymieszania.

Olej unosi się na wodzie, ponieważ jego cząsteczki są większe i znacznie mniej gęste niż cząsteczki wody. Wyjątkiem są oleje uszlachetnione dodatkami dyspergująco-myjącymi (oleje silnikowe, oleje hydrauliczne HLPD, HVLPD) oraz niektóre oleje syntetyczne, na przykład polarne oleje na bazie glikoli polialkilenowych (PAG)¹¹,12.

Woda jest powszechnym i przeważnie negatywnym zanieczyszczeniem w środkach smarowych. Do obiegowego układu olejowego dostaje się głównie z wody chłodzącej lub z kondensacji podczas przestojów. Woda może dostać się do układu smarowania przez niewłaściwe odpowietrzniki, uszkodzone uszczelki, inne otwory w obudowie lub przez nieszczelne i skorodowane wewnętrzne wymienniki ciepła i chłodnice oleju. Występuje w postaci rozpuszczonej, zemulgowanej lub wolnej wody.

Te dwa ostatnie są najbardziej niebezpieczne dla smarowanych urządzeń. Wpływ wody w postaci ciekłej lub gazowej może powodować nadmierne zużycie i tarcie, uszkodzenia kawitacyjne na powierzchniach metalowych, korozję, szybsze utlenianie, tworzenie się szlamów, rozpuszczanie i „wymywanie” dodatków. Części mechaniczne, takie jak łożyska i czopy wałów, są szczególnie podatne na zanieczyszczenie wodą. Aby zapobiec tworzeniu się emulsji, a następnie uszkodzeniom mechanicznym lub korozji, oleje muszą mieć zdolność szybkiego oddzielania wody¹.

Metoda badania

Normy PN-ISO 6614 oraz ASTM D1401 opisują metodę badawczą oznaczania zdolności do oddzielania wody przemysłowych olejów smarowych. Metoda ta mierzy jak szybko wodno-olejowa emulsja rozdziela się, po mieszaniu równych ilości wody i oleju przez 5 minut, w podwyższonej temperaturze. Aparatura testowa składa się z łaźni grzejnej, gdzie 40 ml badanej próbki olejowej miesza się z 40 ml wody w 100 ml w cylindrze pomiarowym, za pomocą mieszadeł mechanicznych. Czas mieszania próbek wynosi 5 minut.

Mieszanie powinno występować w temperaturze 54°C dla olejów o lepkości mniejszej nić 90 cSt (w 40°C) oraz w temperaturze 82°C dla olejów o lepkości większej niż 90 cSt (w 40°C). Oddzielanie emulsji wodno-olejowej powinno być obserwowane w 5-minutowych interwałach czasowych. Wynikiem jest czas potrzebny do uzyskania 3 ml emulsji lub mniej. Limit czasowy dla trwania badania to 60 minut², ⁵.W Tab. 2 przedstawiono sposób zapisu przykładowych wyników wraz z interpretacją.

 

Źródło: Opracowanie własne na podstawie ASTM D1401-98 Standard Test Method for Water Separability of Petroleum Oils and Synthetic Fluids, ASTM International, West Conshohocken, PA.

 

Pogorszenie parametru

Zdolność wydzielania wody to parametr ważny w szczególności dla olejów pracujących w wilgotnym otoczeniu, które są narażone na kontakt z płynami eksploatacyjnymi na bazie wody. W przypadku utraty zdolności do wydzielania wody olej będzie mętnieć i/lub pienić się, a obciążone komponenty będą się szybko zużywać.

Jeżeli urządzenie nie jest bezpośrednio narażone na działanie wody (pracuje w klimatyzowanym pomieszczeniu, woda nie jest czynnikiem roboczym) zdolność do wydzielania wody może nie być kluczowym parametrem (jakkolwiek należy pamiętać o istnieniu ryzyka zanieczyszczenia oleju wodą obecną w powietrzu na skutek absorpcji lub jej kondensacji na metalowych elementach instalacji w warunkach zmiennej temperatury). W przeciwnym przypadku należy bezwzględnie monitorować ten parametr³

Skutkami podwyższonej zawartości wody w oleju mogą być: przedwczesna degradacja starzeniowa oleju (zwiększona lepkość, kwasowość; pogorszona skłonność do pienienia; oksydacja; hydroliza; wystąpienie osadów w układzie), podwyższone zużycie układu (występowanie rdzy i korozji), problemy eksploatacyjne (kawitacja pomp, słaba filtrowalność oleju, tarcie zaworów).

W praktyce, znając własności do wydzielania wody danego oleju, możemy dobrać odpowiednie środki korygujące w przypadku, gdy do układu dostanie się woda. Jeśli ten parametr będzie się mieścił w poprawnym zakresie dla danego typu oleju, to wystarczającym środkiem zaradczym może będzie usunięcie wody z oleju za pomocą odpowiednich metod i kontynuowanie eksploatacji. Jeśli natomiast zdolność wydzielania wody ulegnie krytycznemu pogorszeniu, konieczna będzie wymiana oleju wraz z płukaniem układu olejowego⁴

Ryc. 3 i Ryc. 4 przestawiają badanie zdolności wydzielania wody przykładowych olejów
w laboratorium Ecol, wg PN-ISO 6614.

 

Ryc. 3. Badanie zdolności do wydzielania wody na przykładzie olejów z Laboratorium Ecol.
A – mieszadło zostaje wprowadzone do pierwszej próbki. B – w pierwszej próbce oddzieliło się 5 ml wody (po 5 minutach), druga próbka jest w trakcie mieszania za pomocą mieszadła mechanicznego.

Film pokazujący badanie wydzielania wody w Laboratorium Ecol dostępny pod adresem: https://www.analizyolejowe.pl/wydzielanie-wody-z-oleju/.

 

Ryc. 4. Badanie zdolności do wydzielania wody na przykładzie olejów z Laboratorium Ecol.
A – W pierwszej próbce rozdzieliło się 20 ml wody (po 20 minutach), w drugiej 10 ml (po 2,5 minuty). B – Obie próbki rozdzieliły się całkowicie na 40 ml wody i 40 ml oleju (kolejno 12 minut i 6 minut).

Podobnym parametrem badającym zdolności separowania wody z oleju jest liczba deemulgacji wg PN-C-04110. Metoda  jest używana głównie w stosunku do olejów smarnych stosowanych w turbinach parowych  i polega na burzliwym kondensowaniu w próbce oleju pary wodnej. Para wodna jest doprowadzana do 20 ml oleju aż do momentu uzyskania 40 ml emulsji. Następnie próbka przenoszona jest do łaźni wodnej o temperaturze od 93°C do 95°C. Wynikiem jest czas potrzebny do rozdzielenia 20 ml oleju, podawany w sekundach. Badanie jest prowadzone  w czasie nie dłuższym niż 20 minut [13].

Film pokazujący badanie liczby deemulgacji w Laboratorium Ecol dostępny pod adresem: https://www.analizyolejowe.pl/liczba-deemulgacji/.

Pogorszenia własności separacji wody w oleju będzie zauważalne  przy zastosowaniu obu metod. Dobrą praktyką jest stosowanie metody adekwatnej do przywołanej w wymaganiach/specyfikacji urządzenia. Pomocne mogą okazać się wyniki olejów świeżych prezentowane w kartach technicznych producentów.

Należy nadmienić iż jest to parametr bardzo czuły na zanieczyszczenia, tzn. iż niewielka ilość zanieczyszczenia np. olejem silnikowym może doprowadzić do zniszczenia bardzo dużej ilości oleju, który ma dobre własności wydzielania wody. Nierzadko jeden wadliwy zbiornik  na kilkadziesiąt w całej partii doprowadził do konieczności ponownej wymiany oleju kilkudziesięciu ton oleju. W podobnych przypadkach zalecamy badania kontroli jakości każdego zbiornika w dostawie.

 

Źródła:

[1] Lovrić, M., Grafl, A., Berger, B., Ostrowski, J., Adam, K., & Pertl, B. (2013). Impact of water quality on the water separability of an industrial oil.

[2] Whitby, R. D. (2021). Lubricant Analysis and Condition Monitoring. CRC Press.

[3] [https://www.machinerylubrication.com/Read/28786/oil-demulsibility-importance] dostęp: 27.03.2023

[4] [https://www.fluidlife.com/resource-center/demulsibility/] dostęp: 27.03.2023

[5] Przetwory naftowe — Oznaczanie wydzielania wody z olejów naftowych i płynów syntetycznych (PN-ISO 6614:2010/A1:2022-05).

[6] ASTM D1401-98 Standard Test Method for Water Separability of Petroleum Oils and Synthetic Fluids, ASTM International, West Conshohocken, PA.

[7] Czym są koloidy?, Zintegrowana Platforma Edukacyjna [online], Ministerstwo Edukacji i Nauki [dostęp 2023-06-19]

[8] Emulsja jako układ koloidalny, Zintegrowana Platforma Edukacyjna, Ministerstwo Edukacji i Nauki [dostęp 2023-06-20]

[9] [https://rockedu.rockefeller.edu/component/classification-of-emulsions/] dostęp 20.06.2023

[10] Agrawal, A., Kulkarni, S., & Sharma, S. (2016). Recent advancements and applications of multiple emulsions. International Journal of Advances in Pharmaceutics, 4(6), 94-103.

[11] [https://www.turbomachinerymag.com/view/4373] dostęp 20.06.2023

[12] Beran, E. (2008). Wpływ budowy chemicznej bazowych olejów smarowych na ich biodegradowalność i wybrane właściwości eksploatacyjne. Prace Naukowe Wydziału Chemicznego Politechniki Wrocławskiej. Monografie, (5, nr 5), 178-s.

[13] PN-C-04110:2001 Przetwory naftowe – Oznaczanie liczby deemulgacyjnej