變壓器油再生用殼聚糖硅鋁凝膠吸附劑的制備與性能研究

任喬林,黃琬祎,張 偉,蔡世騰,熊 浩,吳 優(yōu),黃旦莉,蔣晶晶,安樂天

(1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司孝感供電公司,湖北 孝感 432000;2.湖北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院,湖北 武漢 430068;3.國網(wǎng)湖北省電力有限公司隨州供電公司,湖北 隨州 432000)

變壓器是重要的電力設(shè)備,變壓器油在其中起冷卻和絕緣作用,它的穩(wěn)定及安全,是保障電力可靠運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,受到業(yè)界高度重視[1]。我國大部分變壓器油采用的是礦物絕緣油,它來源于石油,是不可再生資源。一般情況下,變壓器油具有優(yōu)良的絕緣性能,雜質(zhì)少,色澤清晰。然而,變壓器經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行后,變壓器油會因溫度、電場和空氣的影響而逐漸老化,并會產(chǎn)生氧化物或分解產(chǎn)物。同時(shí),變壓器油也會腐蝕變壓器內(nèi)部的材料,形成小分子或膠體雜質(zhì),這些物質(zhì)的存在會降低油的物理、化學(xué)性質(zhì),進(jìn)而對絕緣油的電氣強(qiáng)度造成嚴(yán)重威脅,在嚴(yán)重的情況下,甚至?xí)?dǎo)致變壓器事故的發(fā)生[2]。

廢變壓器油在相當(dāng)大的程度上對人體健康和生態(tài)環(huán)境存在著不可忽視的影響。然而,我國廢油再生利用率較低,大量廢油被用作燃料或廢棄,造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。隨著國家環(huán)保執(zhí)法持續(xù)發(fā)力,“綠色”理念不斷深入人心,廢棄變壓器油的不當(dāng)處理引起的環(huán)境污染問題已受到環(huán)保部門關(guān)注,也困擾著電力部門,廢油現(xiàn)場再生循環(huán)利用工作的重要性更加凸顯[1]。

對廢油進(jìn)行再生循環(huán)利用是充分利用資源的有效方法。許多傳統(tǒng)的吸附材料在變壓器廢油處理中發(fā)揮了重要作用,其中殼聚糖是一種優(yōu)良的環(huán)境友好材料,具有良好的可生物降解性和生物相容性,來源于蝦蟹的廢棄甲殼質(zhì),原料豐富。我國已成為世界最大的小龍蝦生產(chǎn)國,而小龍蝦70%是廢棄物,含有豐富的甲殼素,是制備殼聚糖的主要原料。殼聚糖是由2-氨基-2-脫氧葡萄糖單元通過β-1,4-糖苷鍵連接起來的直鏈高分子天然多糖,鏈上有許多氨基和羥基,可以與金屬離子絡(luò)合、酸性物質(zhì)結(jié)合,還有一定的抗氧化作用和抗菌作用,是一種優(yōu)良的吸附材料。同時(shí),殼聚糖分子結(jié)構(gòu)能進(jìn)行多種化學(xué)改性,形成不同理化性質(zhì)與功能特性的衍生物,提高其吸附選擇性,殼聚糖基納米材料、膜材料研究成為十多年來的研究熱點(diǎn)之一,其與廉價(jià)易得的無機(jī)物膨潤土等的復(fù)合也將極大提高其綜合性能、降低成本[1]。

吸附處理具有操作流程簡單、加工效果好、設(shè)備運(yùn)行成本低等諸多優(yōu)點(diǎn),在變壓器油處理領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。老化后的變壓器油中的大部分物質(zhì)是可以重復(fù)利用的,因此對其進(jìn)行吸附處理是一種最好的方式[2]。

目前,國內(nèi)外對劣化變壓器油的傳統(tǒng)再生方法存在一些不足之處,如二次污染、修復(fù)速度慢、過程繁瑣、效率低和工藝單一等問題,并且再生后的變壓器油也存在雜質(zhì)濾除和脫色效果差等缺點(diǎn)[3-4]。本文試驗(yàn)制備了殼聚糖硅鋁凝膠新型高效吸附劑,該吸附劑利用分子吸附的手段,深度吸附油中有損于其理化性能的劣化物,使油品得以再生精制,能夠有效解決變壓器油介損大、酸值高,油泥析出影響散熱等問題,實(shí)現(xiàn)了劣化變壓器油中的酸、微粒碳、金屬、水分和膠質(zhì)等物質(zhì)的高效脫除[5],大幅減少了變壓器油的浪費(fèi)和換油頻次。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

將殼聚糖溶于冰乙酸水溶液中,得到質(zhì)量濃度為20 ～ 30 g/L的殼聚糖溶液(步驟1);將經(jīng)過酸化改性的XDK吸附劑粉末分散于3 ～ 5倍質(zhì)量的純水中,得到XDK粉末懸濁液(步驟2);向步驟1所得的殼聚糖溶液中加入甘油,在攪拌器中攪拌均勻得到混合溶液Ⅰ(步驟3);在60 ～ 120 r/min的攪拌狀態(tài)下向步驟3所得的混合溶液Ⅰ中慢慢加入步驟2所得的XDK粉末懸濁液,再加戊二醛適量攪拌均勻后,得到混合溶液Ⅱ;將得到的混合溶液Ⅱ倒入模具中,零下2 ～ 5 ℃下冷凍5 ～ 6 h,最后在零下70 ～ 80 ℃冷凍干燥40 ～ 56 h,得到殼聚糖/硅鋁凝膠粉末復(fù)合材料的活性吸附劑成品,命名為XDK-CSD。

取殼聚糖凝膠液1000 mL,加入90 g XDK,攪拌0.5 h后,在攪拌狀態(tài)下緩慢滴入2 mol/L NaOH溶液,于70 ℃恒溫水浴攪拌2 h,使殼聚糖在XDK表面緩慢礦化,形成殼聚糖凝膠;調(diào)中性后,陳化24 h,干燥,得到樣品,命名為XDK-CSK。

使用所述制備方法得到的脫色吸附劑的脫色工藝,具體包括如下步驟:將待處理的劣化變壓器油倒入儲油罐中,再將制得的2% ～ 4%油重量的殼聚糖/硅鋁凝膠復(fù)合材料裁剪后裝入吸附罐中,控制劣化變壓器油以100 ～ 150 L/min的流速注入吸附罐;在25 ～ 60 ℃的溫度下,將殼聚糖/硅鋁凝膠復(fù)合材料密封循環(huán)吸附 6 ～ 24 h,最終排出脫色系統(tǒng)內(nèi)的變壓器油[4-5]。

1.2 中間試驗(yàn)

經(jīng)試驗(yàn)摸索出吸附劑的制備配方和生產(chǎn)流程后,我們利用模擬方法作了小型生產(chǎn)中間試驗(yàn)。試驗(yàn)所需設(shè)備如表1所示。

表1 儀器設(shè)備

2 結(jié)果與討論

2.1 殼聚糖硅鋁凝膠新型高效吸附劑的技術(shù)規(guī)格

吸附劑的理化特性如表2所示。

表2 吸附劑的理化特性

本文試驗(yàn)制得的改性XDK脫色吸附劑比表面積達(dá)到1622 m2/g,而傳統(tǒng)的XDK吸附劑的比表面積僅為412 m2/g,說明經(jīng)過改性處理后的材料吸附性能優(yōu)于傳統(tǒng)的XDK吸附劑。

本文試驗(yàn)制得的改性XDK脫色吸附劑具有深度吸附劣化絕緣油中的極性分子和異類化學(xué)鍵,以及油中醇、醛、酯等有色氧化分子等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 殼聚糖白土脫色劑脫色效果

殼聚糖白土脫色劑脫色效果如圖1所示。圖1中最左邊為變壓器原油,向右依次為經(jīng)5 g殼聚糖摻雜2、3、4、5、20 g白土制成的脫色劑脫色后的變壓器油,最右為經(jīng)XDK脫色后的變壓器油。

圖1 殼聚糖白土脫色劑脫色效果

經(jīng)過722 型分光光度計(jì)(檢測波長為560 nm,取蒸餾水透光率為100%)檢測,結(jié)果如表3所示。當(dāng)白土添加量在5 g以內(nèi)時(shí),添加2 g白土即可達(dá)到最佳脫色效果;當(dāng)白土的量遠(yuǎn)超殼聚糖時(shí),脫色劑脫色效果雖然不差,但其固體結(jié)構(gòu)松散,會有大量碎屑?xì)堄嘣谠偕椭?影響再生油透光率。綜上所述,殼聚糖與白土添加比為5∶2最合適。

表3 殼聚糖白土脫色劑脫色檢測結(jié)果

2.3 吸附劑的吸附性能

以經(jīng)過處理后的變壓器油作為實(shí)驗(yàn)組,原始劣化變壓器油作為空白組,進(jìn)行殼聚糖硅鋁凝膠吸附劑與801吸附劑的性能對比試驗(yàn),結(jié)果如圖2所示。

圖2 殼聚糖吸附劑及其脫色效果

結(jié)果表明,本文試驗(yàn)制得的殼聚糖/硅鋁凝膠吸附劑因?yàn)闅ぞ厶歉男远优钏?比表面積大,相較于原始的XDK吸附劑脫色效果更佳,相同用量情況下吸附脫色效率提高4 ～ 8倍。

1996 年11 月,湖北省漢川汈東220 kV變電站投運(yùn)在即,安裝好的多油開關(guān)急需注油,而備用的5 T新油由于大量進(jìn)水而嚴(yán)重乳化,真空率油機(jī)無法使油再生合格。因油中含水量太高,我們加用了4%的吸附劑處理,處理后油色清亮透明,恢復(fù)了新油的外觀,耐壓達(dá)50 kV,其余油試驗(yàn)項(xiàng)目均達(dá)到變壓器油使用標(biāo)準(zhǔn),從而保證了電站按期送電。

2.4 廢料處理

2.4.1 處理顏色深的廢配變油

湖北孝感修試分公司系大型供電多產(chǎn)單位,其變壓器用量極大,換油次數(shù)增多,維護(hù)檢修費(fèi)用高。廢油經(jīng)長時(shí)間過濾后油質(zhì)仍不合格(耐壓從15 kV提高到25 kV)。我們利用現(xiàn)有的設(shè)備再生了這批廢油。吸附劑的加入量為3%,經(jīng)升溫、攪拌、沉降等過程后,用平板濾油機(jī)抽出上層清油。以未經(jīng)處理的XDK吸附劑對劣化變壓器油進(jìn)行脫色作為對照,實(shí)例一至三經(jīng)過處理后的變壓器油作為實(shí)驗(yàn)組,原始劣化變壓器油作為空白組,對劣化變壓器油進(jìn)行脫色處理,結(jié)果如表4和表5所示。

表4 廢配變油脫色處理結(jié)果

表5 再生油性能指標(biāo)

處理結(jié)果表面,本文試驗(yàn)制得的殼聚糖/硅鋁凝膠粉末復(fù)合材料相較于原始的XDK吸附劑脫色效果更佳,采用低溫水熱合成方法吸附劑處理后的劣化絕緣油的色、酸、介損等性能指標(biāo)可恢復(fù)到新品絕緣油水平。

2.4.2 處理修試分公司混合的廢舊油樣

某供電局變壓器油再生廠已有5年建廠史。1996年以前該廠一直用801作為再生用吸附劑。1996年5月,該廠購得殼聚糖硅鋁凝膠吸附劑500 kg,對一批廢油進(jìn)行了再生處理,再生后結(jié)果如表6所示。

表6 廢油處理后結(jié)果

自此以后,該變壓器油再生廠放棄801吸附劑,采用我們生產(chǎn)的殼聚糖硅鋁凝膠吸附劑,至今未發(fā)現(xiàn)不能用殼聚糖硅鋁凝膠再生好的油品。

3 小結(jié)

殼聚糖硅鋁凝膠吸附劑對劣化的變壓器油具有明顯的脫色、脫水、脫酸和降低絕緣油介損的作用,其對絕緣油的再生效果優(yōu)于國內(nèi)現(xiàn)有的產(chǎn)品。

殼聚糖硅鋁凝膠吸附劑中添加2 g白土即可達(dá)到最佳脫色效果;當(dāng)白土的量遠(yuǎn)超殼聚糖時(shí),脫色劑脫色效果不差,但其固體結(jié)構(gòu)松散,會有大量碎屑?xì)堄嘣谠偕椭?影響再生油透光率;殼聚糖與白土添加比為5∶2最合適。

殼聚糖硅鋁凝膠吸附劑再生出的油品經(jīng)實(shí)踐證明,其油質(zhì)接近或超過新油,符合部頒電力用油規(guī)程要求,使用壽命長,克服了傳統(tǒng)方法再生油品的不足。

總之,本文試驗(yàn)制備的殼聚糖硅鋁凝膠新型高效吸附劑,其吸附脫色效率高,吸附效能好,使用方法簡捷獨(dú)到,是電力用油現(xiàn)場再生的理想吸附劑。其有效克服了劣化變壓器油傳統(tǒng)再生方法的不足之處,使油品得以再生精制,處理后的劣化絕緣油的色、酸、介損等性能指標(biāo)可恢復(fù)到新品絕緣油水平,其對電力系統(tǒng)油品再生具有重要意義,能創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。