瀝青組分分離實(shí)驗(yàn)研究

摘 要：本文詳細(xì)分析了瀝青組分分離實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，并總結(jié)了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：瀝青；組分；分離實(shí)驗(yàn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.181

瀝青是一種復(fù)雜的烴類與及非烴類衍生物的混合物，它是原油加工過(guò)程的最后的一種產(chǎn)物，瀝青的相對(duì)分子量是石油煉制產(chǎn)物中最大的。瀝青成分方面的研究一直難以打開(kāi)局面，經(jīng)過(guò)近些年來(lái)分離分析方法的快速發(fā)展，石油瀝青的組成的研究也逐漸開(kāi)展。美國(guó)的SHRP計(jì)劃（Strategic Highway Research Program），也將瀝青的研究列為四個(gè)主要研究領(lǐng)域之一，并取得一些標(biāo)志性成果。

不同瀝青成分在不同溶劑和吸附劑上的的溶解和吸附作用存在差異，利用這種差異，將成分和結(jié)構(gòu)較為相近，路用性能有一定關(guān)聯(lián)的瀝青成分劃分為一類，稱為瀝青的組分，分離方法以及條件的改變會(huì)導(dǎo)致各組分的組成有所變化，但是這些組分的性質(zhì)與瀝青的路用性質(zhì)有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，使用分離的方法對(duì)瀝青進(jìn)行分析是具有工程研究意義的，國(guó)內(nèi)外也制定也相應(yīng)的規(guī)范，對(duì)瀝青組分進(jìn)行劃分。

1 瀝青組分劃分方法

瀝青的分離方法有餾分分離、族組成分離和官能團(tuán)分離三大類方法方法，餾分分離主要是體積排出色譜法（Size Exclusion Chromatography，簡(jiǎn)稱SEC）也稱為凝膠色譜法（Gel Permeation Chromatography，簡(jiǎn)稱GPC），該方法是主要根據(jù)被分離物質(zhì)分子尺寸的差別，在通過(guò)凝膠色譜柱時(shí)，根據(jù)凝膠孔洞的大小，分子尺寸由大到小進(jìn)行分離；族組分分離分為：三組分、四組分、五組分分離法；離子交換色譜法（Ion Exchange Chromatography，IEC）屬于官能團(tuán)分離類方法，通過(guò)固定相對(duì)不同性的組分具有不同的親和力，而將瀝青分為不同性的組分。

本文采用我國(guó)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的四組分分離方法，該種方法是我國(guó)工程上主要采用的方法。四組分法（色譜分析法）用液固色譜將瀝青分為飽和分、芳香分、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)，通常簡(jiǎn)稱為瀝青的SARA分析。

2 瀝青四組分試驗(yàn)的原理

在進(jìn)行瀝青組分分離時(shí)，被分離成分在吸附溶解載體中被分配為兩種液相，一種液相吸附在載體上，稱為固定相，另一種液相帶著其余試液在固定相中流過(guò)，稱為移動(dòng)相；在吸附柱上進(jìn)行兩種液相的分離，當(dāng)移動(dòng)相與吸附劑接觸時(shí)，各種分子就在吸附劑的表面發(fā)生爭(zhēng)奪吸附作用。分離成功的決定因素是溶質(zhì)和溶劑的極性官能團(tuán)與吸附劑的親和力差異，這樣液固吸附色譜對(duì)化合物才能具有明顯的選擇性。分配比大的成分留在離流動(dòng)相運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)不遠(yuǎn)的地帶，先進(jìn)入固定相，分配比小的物質(zhì)后進(jìn)入固定相，隨著流動(dòng)相前進(jìn)到離吸附柱起點(diǎn)較遠(yuǎn)的地帶，這樣，就實(shí)現(xiàn)組分之間的分離。

氧化鋁對(duì)不同環(huán)數(shù)的芳香烴有較好的篩分性，因此可作為瀝青四組分試驗(yàn)中使用的吸附劑。吸附劑的粒度和幾何形狀會(huì)直接影響填充效果，應(yīng)選用圓形小粒度吸附劑，吸附劑的比表面積越大，樣品的保留體積就越大，因此吸附劑的比表面積對(duì)色譜的整體效果有至關(guān)重要的影響。

3 瀝青四組分分離試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)儀器。瀝青抽提器、冷凝器：由100ml抽提器及球形冷凝器組裝而成；水套玻璃吸附柱：可通熱水循環(huán)保溫；磨口錐形瓶：250ml，24號(hào)磨口，若干；馬沸爐（0-1000℃，有自動(dòng)溫度控制器）、超級(jí)恒溫水箱（控溫準(zhǔn)確度為1℃）、真空干燥箱、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、分析天平（精度達(dá)到0.1mg）；量筒：20ml、50ml、100ml量程若干；電熱套：可調(diào)控溫度50-300℃；干燥器：底部填滿足夠的干燥劑，需在皿口均勻涂抹凡士林，保證密封性；其他：吸液管、瓷蒸發(fā)皿（300ml）、玻璃漏斗、大細(xì)口瓶、漏斗架、二聯(lián)橡皮球等。

（2）實(shí)驗(yàn)藥品。氧化鋁：層析用、中性，粒度0.15-0.075mm（100目-200目），比表面積大于150m?/g，孔體積250mm?/g，使用前活化不超過(guò)7天；硅膠：分析純，層析用，細(xì)孔、粒度0.42mm～0.15mm（40目～100目`）；正庚烷：分析純；石油醚：分析純，60-90度；甲苯：化學(xué)純；乙醇（無(wú)水乙醇）、定量濾紙（中速直徑110-125mm）。

（3）實(shí)驗(yàn)步驟。組分分離實(shí)驗(yàn)步驟如圖1。

4 瀝青質(zhì)含量測(cè)定

（1）在干燥的恒重過(guò)磨口三角瓶（瓶1）中，稱取試樣1±0.6g，精確稱量至0.0001g，按1：50的比例加入正庚烷。

（2）將瓶1與冷凝器相連，加熱回流30-60min，待冷卻至常溫后，取下瓶1，蓋好瓶塞，靜置于暗處沉降1h。

（3）將瓶1上部清液使用裝有定量濾紙的漏斗緩緩過(guò)濾，操作過(guò)程中應(yīng)避免瓶身晃動(dòng)。用60℃～70℃的正庚烷（30ml）分多次洗滌瓶1中的殘留物，經(jīng)濾紙過(guò)濾，收集全部濾液于瓶2。

（4）將使用過(guò)的濾紙折疊，放入瀝青抽提器中，連接瓶2、抽提器與冷凝器，加熱回流1h，取下瓶2。

（5）加入60ml甲苯至瓶1，并連接抽提器、冷凝器，抽提回流1h以上直至濾紙與滴落液滴無(wú)色為止。

（6）待冷卻后取下瓶1，進(jìn)行甲苯回收，并置于真空烘箱中，在105℃～110℃，93±1KPa的條件下，保持1h，取出后在干燥器中冷卻至室溫，稱取瀝青質(zhì)質(zhì)量m1。

5 飽和分、芳香分、膠質(zhì)含量的測(cè)定

（1）濃縮瓶2中的溶液至10ml。

（2）連接吸附柱與超級(jí)恒溫水浴箱，保持循環(huán)水溫為50±0.1℃。在吸附柱下端塞少許脫脂棉，吸附柱上端加入40g氧化鋁，并用玻璃棒輕輕敲打柱子，即刻加入30ml正庚烷對(duì)吸附柱進(jìn)行預(yù)濕。

（3）待預(yù)濕的正庚烷溶液完全進(jìn)入進(jìn)入氧化鋁中時(shí)，立即加入瓶2的試樣，取10ml正庚烷多次沖洗瓶2，當(dāng)全部溶液進(jìn)入氧化鋁后，再加入少許氧化鋁覆蓋。

（4）依次加入70ml正庚烷、80ml甲苯和40ml甲苯-乙醇（1：1體積比）進(jìn)行沖洗，整個(gè)過(guò)程流速維持在2～3ml/min（可用二聯(lián)球、加壓器調(diào)節(jié)流速）。更換沖洗劑時(shí)，應(yīng)更換接收瓶。

（5）回收各組分溶劑，將回收瓶放入真空干燥箱，在105℃～110℃

，93±1KPa的條件下，保持1h，取出后在置于干燥器中冷卻至室溫，分別得到飽和分m2、芳香分m3和膠質(zhì)m4。

瀝青各組分含量見(jiàn)表1，由兩次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，兩次實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性良好，達(dá)到了規(guī)范的要求，同時(shí)各個(gè)組分的含量在經(jīng)驗(yàn)比例的范圍之內(nèi)。

6 瀝青組分試驗(yàn)的要點(diǎn)評(píng)述

（1）活化氧化鋁時(shí)注意，應(yīng)按吸附劑1%的重量添加蒸餾水，時(shí)間要達(dá)到規(guī)范要求，氧化鋁作為目前最合適的吸附劑，應(yīng)通過(guò)保證吸附劑的含水量，使氧化鋁具有充分的活性，在保證分離效果的前提下提高柱收率，避免含水量差異對(duì)柱色譜回收率及分離效果的影響。

（2）在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格按照操作規(guī)程，要注意保證瀝青樣品不損失。瀝青取樣過(guò)程中防止沾染到容器瓶口等位置；在正庚烷分離回流時(shí)，應(yīng)注意防止溶液爆沸，以免部分瀝青質(zhì)沾到錐形瓶較高位置無(wú)法回收；加熱正庚烷至規(guī)范要求溫度，分次洗凈瓶1中瀝青質(zhì)殘留物，防止殘留。

（3）由于正庚烷沸點(diǎn)較低，在使用電熱套加熱時(shí)要注意使用較低溫度逐漸升溫，在溶液沸騰時(shí)及時(shí)調(diào)低溫度，防止爆沸、飛濺造成溶液損失。

（4）脫脂棉大小、壓實(shí)度要合適，緊密的塞在玻璃吸附柱下端的卡口處，以免在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中脫落。

（5）吸附柱循環(huán)水必須在恒定的溫度（50士1℃）條件下進(jìn)行，分解環(huán)境溫度稍高，溶劑容易揮發(fā)；試驗(yàn)環(huán)境溫度稍低，瀝青成分會(huì)以蠟狀物結(jié)晶析出在氧化鋁上，達(dá)不到預(yù)期的分離效果，導(dǎo)致分離實(shí)驗(yàn)失敗或組分成分重復(fù)性低。

（6）溶劑回收過(guò)程中若使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)溫度和真空度不宜過(guò)高，防止易分解組分分解；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的過(guò)程中不宜將溶劑蒸發(fā)過(guò)多，避免后續(xù)干燥過(guò)程中組分發(fā)生變化。

（7）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要注意個(gè)人防護(hù)，實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)良好，必須戴好橡膠手套，必要時(shí)佩帶口罩，防止甲苯、正庚烷等有害、易揮發(fā)物質(zhì)的侵害。

作者簡(jiǎn)介：李曉東（1987-），男，吉林集安人，碩士研究生，工程師，主要從事公路規(guī)劃設(shè)計(jì)。