天然瀝青的處理和應用：用布敦巖瀝青制備特種瀝青的實驗研究

崔萬夫

(1.北京大學地球與空間科學學院，北京100871；2.天津港保稅區(qū)利迅國際貿(mào)易有限公司，天津 300457)

天然瀝青的處理和應用：用布敦巖瀝青制備特種瀝青的實驗研究

崔萬夫1，2

(1.北京大學地球與空間科學學院，北京100871；2.天津港保稅區(qū)利迅國際貿(mào)易有限公司，天津 300457)

作為非常規(guī)能源資源的天然瀝青，其開發(fā)和應用是對常規(guī)能源資源不足的一種有效補充。本實驗采用溶劑萃取法，利用減壓渣油提取布頓巖瀝青的油分。當布敦巖瀝青與減壓渣油的配料比為2∶3、表面活性劑的摻量為0.5%、溫度140℃、時間2h，油分回收率可達91.2%。當布敦巖瀝青與減壓渣油的配料比為10∶3，在提取出的油分中加入2%的SBS，可以調(diào)制合格的60#拋光瀝青。用布敦巖瀝青制備特種瀝青，在價格方面具有優(yōu)勢，為布敦巖瀝青的進一步開發(fā)和利用找到了一種新的途徑。

巖瀝青；特種瀝青；拋光瀝青；SBS

天然瀝青是石油在自然界長期受地殼擠壓并與空氣、水等接觸逐漸變化而形成的，以天然形態(tài)存在的石油瀝青，其中?；煊幸欢ū壤牡V物質。布敦巖瀝青產(chǎn)于南太平洋印度尼西亞蘇拉威西省東南部布敦島，其形成是由于石油不斷地從地殼中冒出，存在于山體、巖石裂隙中，經(jīng)長期蒸發(fā)凝固而形成的天然瀝青[1-2]。外觀似黑色蜜糖，其中22%～24%(質量分數(shù))為瀝青，它是布敦巖瀝青礦內(nèi)所含的原油，砂和薪土等礦物質占70%～79%，其余為水，屬于非常規(guī)石油資源[3]。目前，巖瀝青在國內(nèi)和國外主要用于摻配到瀝青混凝土中進行鋪路[4-7]。

特種瀝青是具有特殊性能的瀝青[8-10]，如電纜瀝青、防腐瀝青、電池封口劑、油漆石油瀝青等，60﹟拋光瀝青也是特種瀝青的一種，其特點是具有適宜的彈性及延度，在拋光盤表面的附著力適宜，使拋光盤與零件表面始終能緊密接觸，易于控制，從而能得到高的表面光潔度。拋光瀝青可與其它材料(如松香等)調(diào)配制成拋光膠，用于光學玻璃零件的拋光。拋光瀝青的價格昂貴，本文利用布敦巖瀝青制備特種瀝青，在價格方面具有優(yōu)勢，為特種瀝青的發(fā)展起到一定的促進作用。

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的快速發(fā)展，常規(guī)石油瀝青資源逐漸減少，人們開始把目光轉向非常規(guī)資源。布敦巖瀝青是一種儲量巨大的能源物質，其應用將在解決中國能源緊缺問題上起到重要作用。

1 實驗及測試方法

1.1 主要原材料及儀器設備

1.1.1 原材料

主要原材料：減壓渣油(遼寧盤錦某工廠)、布敦巖瀝青、SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)、司班80(國藥集團)。

1.1.2 儀器設備

主要儀器設備：DF-4型智能數(shù)顯瀝青針入度儀，南京拓星儀器儀表研究所；DF-5型電腦全自動瀝青軟化點儀，南京拓星儀器儀表研究所；數(shù)顯恒溫瀝青延度儀，天津市振輝建筑儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 從布敦巖瀝青中提取油分

采用溶劑萃取法，以減壓渣油作為萃取溶劑萃取布敦巖瀝青中的油分。

試驗前將布敦巖瀝青破碎，采用四分法稱取一定質量。將減壓渣油、布敦巖瀝青和表面活性劑，按照比例于反應器內(nèi)，反應一定時間后趁熱過濾，記錄油分的質量，計算油分回收率[11]。油分回收率計算如下式所示。

式中：W為油分回收率，%；m1為體系總質量，g；m2為溶劑質量，g；m3為濾出物(沙粒)質量，g；m為樣品中油分的質量，g。

1.2.2 制備60#拋光瀝青的方法

稱取一定質量制備好的布敦巖瀝青油分于反應釜內(nèi)，調(diào)節(jié)油浴溫度至設定溫度，調(diào)節(jié)攪拌器至設定轉速，加入一定質量的90#重交瀝青調(diào)和，反應一段時間，再加入少量的有機聚合物調(diào)和劑，一段時間后測其各項性能。

1.3 瀝青主要性能指標的測試

按照國家標準規(guī)定的測試方法，分別對針入度、軟化點和延度進行測試。

2 布敦巖瀝青中的油分提取

用于提取布敦巖瀝青油分的溶劑大多為有機物，本實驗采用一種新方法，利用減壓渣油作為溶劑提取布敦巖瀝青中的油分，經(jīng)過濾等簡單步驟便可得到提取的油分與渣油的混合物，再經(jīng)過改性等處理便可得到瀝青。

對油分回收率的影響因素有配料比、溫度、反應時間、表面活性劑摻量等[12]。

2.1 配料比對油分回收率的影響

將100g布敦巖瀝青與一定質量的渣油按照一定配料比于反應容器內(nèi)，加入0.5%的表面活性劑司班80，調(diào)節(jié)油浴溫度為140℃，反應時間為2個小時后倒入容器中，在120℃溫度下沉降2小時，過濾可得含有布敦巖瀝青油分與渣油的混合物，濾渣為布敦巖瀝青中的砂石，從而完成布敦巖瀝青油分的分離。

本實驗渣油質量分別為30g、50g、70g、90g、110g、130g、150g、160g，測定油分的回收率，結果如圖1所示。

圖1表明，油分的回收率隨著減壓渣油量的增加而增大，且剛開始曲線上升較快，最后趨于平穩(wěn)狀態(tài)，這充分說明配料比對油分回收率影響較大。當減壓渣油為30g時(布敦巖瀝青質量為100g)，油分回收率僅為62.5%，當減壓渣油為150g時，油分回收率上升到91.2%，減壓渣油為160g時，油分回收率為91.6%，回收率幾乎不變。為了減少溶劑的使用，所以，當布敦巖瀝青與減壓渣油的質量比為2∶3時，油分回收率為91.2%為最佳。

渣油的主要成分為飽和烴、芳香烴、瀝青質等有機碳氫化合物[13]，而布敦巖瀝青中含有70%的無機礦物和24%的有機碳氫化合物，在一定溫度、時間和加入表面活性劑的條件下，巖瀝青中無機礦物和有機碳氫化合物會分離開來，而有機物能夠溶解在渣油中，利用相似相容原理提取巖瀝青中的油分，隨著渣油質量的增大，有機物的比例會增大從而溶解巖瀝青中的油分越多，因而回收率會隨著渣油質量的增大而增大，當?shù)竭_飽和時變化趨于平緩。

2.2 溫度對油分回收率的影響

將100g布敦巖瀝青與150g渣油于反應容器內(nèi)(質量比為2∶3)，加入0.5%的表面活性劑司班80，調(diào)節(jié)油浴溫度，反應時間為2個小時后倒入容器中，在120℃溫度下沉降2小時，之后過濾可得含有布敦巖瀝青油分與渣油的混合物。濾渣為布敦巖瀝青中的砂石。從而完成布敦巖瀝青油分的分離。

本實驗溫度分別為90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃，測定油分的回收率，其結果如圖2所示。

由圖2得知，溫度對油分的回收率影響很大，回收率隨溫度的升高而升高，最后有下降趨勢，90℃時回收率最低為56.1%，140℃回收率最高為91.2%。其原因是隨著溫度的升高，布敦巖瀝青粘度降低，流動性變大，密度的變化破壞了它們之間的結構，從而降低了其結合力。故溫度升高回收率顯著上升，但溫度過高時，布敦巖瀝青中的小分子飽和烴會高溫裂解，致使回收率降低，故溫度不超過140℃為宜。

2.3 反應時間對油分回收率的影響

將100g布敦巖瀝青與150g減壓渣油置于反應容器內(nèi)(質量比為2∶3)，加入0.5%的表面活性劑司班80，調(diào)節(jié)油浴溫度為140℃，反應一定時間后倒入容器中，溫度120℃沉降2小時，之后過濾可得含有布敦巖瀝青油分與渣油的混合物。濾渣為布敦巖瀝青中的砂石。從而完成布敦巖瀝青油分的分離。

本實驗反應時間分別為0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h，測定油分的回收率，結果見圖3所示。

由圖3可知，布敦巖瀝青油分回收率隨著時間的增加而增大，并且時間對回收率影響較大，0.5h時回收率僅為57.5%，1h便上升到65%，1.5h回收率為87.5%，而隨后上升空間較小，2h后回收率趨于平穩(wěn)?？梢?，反應時間2h即可。

圖1 不同配料比對油分回收率的影響

圖2 不同溫度對油分回收率的影響

圖3 不同時間的油分回收率的影響

2.4 表面活性劑摻量對油分回收率的影響

將100g布敦巖瀝青與150g渣油置于反應容器內(nèi)(質量比為2∶3)，加入一定質量的表面活性劑司班80，調(diào)節(jié)油浴溫度為140℃，反應時間2小時后倒入容器中，溫度120℃沉降2小時，之后過濾可得含有布敦巖瀝青油分與渣油的混合物。濾渣為布敦巖瀝青中的砂石。從而完成布敦巖瀝青油分的分離。

本實驗表面活性劑質量分數(shù)為0.1%、0.5%、1%、2%，測定其油分的回收率，結果見圖4所示。

圖4 表面活性劑對回收率的影響

如圖4所示，表面活性劑無對油分回收率影響巨大，沒有表面活性劑時回收率為55%以下，而加入0.5%的表面活性劑時，回收率驟升至為91.2%，但繼續(xù)加入則對回收率影響較小，回收率趨于平穩(wěn)，所以表面活性劑司班80的最佳加入量為0.5%。

表面活性劑的主要作用是降低表面能，使布敦巖瀝青中的有機成分與無機礦物質分離，繼而溶解在渣油中，當表面活性劑的用量達到飽和時，作用不會疊加，回收率不會繼續(xù)增大。

2.5 油分分析

提取的布敦巖瀝青油分，常溫下為黑色固體，較硬，加熱至120℃時為粘稠狀流體。針入度(100g,25℃,5s)為82.8，軟化點(環(huán)球法)44.5，延度(25℃,5cm/min)22，其紅外光譜圖見圖5所示。

圖5中下面的曲線A和上面的曲線B分別為減壓渣油和油分的紅外光譜圖。由圖5可知，減壓渣油與油分的吸收峰位置一致，但強度有所不同，油分吸收峰強度略高于減壓渣油，這說明他們之間沒有發(fā)生化學反應，但有機成分含量增加了。如果減壓渣油與巖瀝青發(fā)生了化學反應，則特征峰就會發(fā)生變化。由圖可以發(fā)現(xiàn)在650～910cm-1的指紋區(qū)域內(nèi)、619.73cm-1處和氫鍵區(qū)內(nèi)波數(shù)處的吸收峰峰值增大，這是渣油中提取了巖瀝青油分的緣故。

3 60#拋光瀝青的制備和性能指標

3.1 60#拋光瀝青的制備

對照60#拋光瀝青的針入度、軟化點與延度及相關參數(shù)，設計試驗方案，調(diào)節(jié)配料比，加入有機聚合物，提高其軟化點，降低針入度，使其達到60#拋光瀝青的標準。

3.1.1 配料比對60#拋光瀝青性能的影響

稱取一定質量的布敦巖瀝青與減壓渣油，按照一定配料比于反應容器內(nèi)，設定油浴溫度為140℃，反應時間1小時后測試其各項性能。其結果如圖6所示。

由圖6可以看出，不同的配料比對瀝青的針入度，軟化點及延度影響較大，延度及針入度隨布敦巖瀝青與渣油的配料比的增大而增大，而軟化點則降低，對照60#拋光瀝青的各項指標—針入度(30～40)、軟化點(65～75)、延度(≮3.0)，而當配料比為10∶3時，制取的瀝青油分針入度(34.1)，軟化點(49.9)，延度(3)與60#拋光瀝青較為接近?？梢姡灰纳茷r青油分的軟化點，就可得到60#拋光瀝青。

3.1.2 改性劑對60#拋光瀝青的影響

為了提高瀝青油分的軟化點，試驗選擇加入有機聚合物SBS改善其性能，考查SBS摻量對60#拋光瀝青性能的影響，結果如圖7所示。

圖7結果表明：當SBS摻量為2%時，瀝青軟化點為67.5℃、針入度為32.3/0.1mm、延度為16cm，達到了60#拋光瀝青的指標要求。

圖5 減壓渣油與巖瀝 青油分紅外光譜圖

圖6 配料比對瀝青針入度、 軟化點及延度的影響 配料比(布敦巖瀝青/減壓渣油)

圖7 SBS摻量對60#拋 光瀝青性能的影響

3.2 60#拋光瀝青的性能指標

60#拋光瀝青的規(guī)格及實驗制備的調(diào)和瀝青性質則表1。從表1得知，經(jīng)調(diào)和后的瀝青基本滿足60#拋光瀝青的各項性能指標。

表1 60#拋光瀝青的規(guī)格及實驗制備的調(diào)和瀝青性質

4 結論

1)本實驗采用溶劑萃取法，利用減壓渣油提取布敦巖瀝青中的油分。結果表明：當布敦巖瀝青與減壓渣油的配料比為2∶3、表面活性劑的摻量為w%=0.5%、溫度140℃、時間2小時，油分回收率可達91.2%。紅外光譜分析可知，減壓渣油與布敦巖瀝青沒有發(fā)生化學變化。

2)用布敦巖瀝青制備特種瀝青，在價格方面具有優(yōu)勢。當布敦巖瀝青與減壓渣油的配料比為10∶3時，提取出的油分中加入2%的SBS可達到60#拋光瀝青標準的要求。

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The treatment and application of natural asphalt：the experimental research of preparation of special asphalt with buton rock asphalt

CUI Wan-fu1,2

(1.Institute of Earth and Space Science，Peking University，Beijing 100871，China；2.Nice Prompt (Tianjin) International Trade Limited，Tianjin 300457，China)

The development and application of natural asphalt，which is non-conventional energy resource，is a kind of effective complement to conventional energy resource.The experiment extracted the oil from Buton Rock Asphalt with vacuum residue as the solvent by solvent extraction method.When Buton Rock Asphalt and vacuum residue of ingredient ratio was 2∶3，surfactant w=0.5%，reaction time was 2h，reaction temperature was 140℃，the oil recovery can be as high as 91.2%.When Buton Rock Asphalt and vacuum residue of ingredient ratio was 10∶3，SBS(styrene-butadiene-styrene) dosage was 2%，the mixtures can be used for the preparation of qualified 60#polishing asphalt.The price of special asphalt prepared with Buton Rock Asphalt is advantaged.A new method is found for further developing and using of Buton Rock Asphalt.

rock asphalt；special asphalt；polishing asphalt；SBS(styrene-butadiene-styrene)

2014-01-25

崔萬夫(1964-)，男，北京大學地球與空間科學學院礦物學、巖石學、礦床學(礦產(chǎn)資源管理方向)碩士研究生，天津港保稅區(qū)利迅國際貿(mào)易有限公司董事長、總經(jīng)理，主要從事礦產(chǎn)品的國際貿(mào)易工作。E-mail:cuiwanfu@163.com。

TD97

A

1004-4051(2015)02-0146-04