崔萬(wàn)夫

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

天然瀝青的處理和應(yīng)用：用布敦巖瀝青制備特種瀝青的實(shí)驗(yàn)研究

崔萬(wàn)夫1，2

(1.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京100871；2.天津港保稅區(qū)利迅國(guó)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(kāi)發(fā)和應(yīng)用是對(duì)常規(guī)能源資源不足的一種有效補(bǔ)充。本實(shí)驗(yàn)采用溶劑萃取法，利用減壓渣油提取布頓巖瀝青的油分。當(dāng)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(shí)間2h，油分回收率可達(dá)91.2%。當(dāng)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(jià)格方面具有優(yōu)勢(shì)，為布敦巖瀝青的進(jìn)一步開(kāi)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(zhǎng)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(zhì)。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(zhǎng)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(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)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(guó)內(nèi)和國(guó)外主要用于摻配到瀝青混凝土中進(jìn)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(diǎn)是具有適宜的彈性及延度，在拋光盤(pán)表面的附著力適宜，使拋光盤(pán)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(xué)玻璃零件的拋光。拋光瀝青的價(jià)格昂貴，本文利用布敦巖瀝青制備特種瀝青，在價(jià)格方面具有優(yōu)勢(shì)，為特種瀝青的發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用。

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，常規(guī)石油瀝青資源逐漸減少，人們開(kāi)始把目光轉(zhuǎn)向非常規(guī)資源。布敦巖瀝青是一種儲(chǔ)量巨大的能源物質(zhì)，其應(yīng)用將在解決中國(guó)能源緊缺問(wèn)題上起到重要作用。

1 實(shí)驗(yàn)及測(cè)試方法

1.1 主要原材料及儀器設(shè)備

1.1.1 原材料

主要原材料：減壓渣油(遼寧盤(pán)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(guó)藥集團(tuán))。

1.1.2 儀器設(shè)備

主要儀器設(shè)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(dòng)瀝青軟化點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(yàn)前將布敦巖瀝青破碎，采用四分法稱取一定質(zhì)量。將減壓渣油、布敦巖瀝青和表面活性劑，按照比例于反應(yīng)器內(nèi)，反應(yīng)一定時(shí)間后趁熱過(guò)濾，記錄油分的質(zhì)量，計(jì)算油分回收率[11]。油分回收率計(jì)算如下式所示。

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

1.2.2 制備60#拋光瀝青的方法

稱取一定質(zhì)量制備好的布敦巖瀝青油分于反應(yīng)釜內(nèi)，調(diào)節(jié)油浴溫度至設(shè)定溫度，調(diào)節(jié)攪拌器至設(shè)定轉(zhuǎn)速，加入一定質(zhì)量的90#重交瀝青調(diào)和，反應(yīng)一段時(shí)間，再加入少量的有機(jī)聚合物調(diào)和劑，一段時(shí)間后測(cè)其各項(xiàng)性能。

1.3 瀝青主要性能指標(biāo)的測(cè)試

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試方法，分別對(duì)針入度、軟化點(diǎn)和延度進(jìn)行測(cè)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(jī)物，本實(shí)驗(yàn)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(guò)濾等簡(jiǎn)單步驟便可得到提取的油分與渣油的混合物，再經(jīng)過(guò)改性等處理便可得到瀝青。

對(duì)油分回收率的影響因素有配料比、溫度、反應(yīng)時(shí)間、表面活性劑摻量等[12]。

2.1 配料比對(duì)油分回收率的影響

將100g布敦巖瀝青與一定質(zhì)量的渣油按照一定配料比于反應(yīng)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(yīng)時(shí)間為2個(gè)小時(shí)后倒入容器中，在120℃溫度下沉降2小時(shí)，過(guò)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(shí)驗(yàn)渣油質(zhì)量分別為30g、50g、70g、90g、110g、130g、150g、160g，測(cè)定油分的回收率，結(jié)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(kāi)始曲線上升較快，最后趨于平穩(wěn)狀態(tài)，這充分說(shuō)明配料比對(duì)油分回收率影響較大。當(dāng)減壓渣油為30g時(shí)(布敦巖瀝青質(zhì)量為100g)，油分回收率僅為62.5%，當(dāng)減壓渣油為150g時(shí)，油分回收率上升到91.2%，減壓渣油為160g時(shí)，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(dāng)布敦巖瀝青與減壓渣油的質(zhì)量比為2∶3時(shí)，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(zhì)等有機(jī)碳?xì)浠衔颷13]，而布敦巖瀝青中含有70%的無(wú)機(jī)礦物和24%的有機(jī)碳?xì)浠衔?，在一定溫度、時(shí)間和加入表面活性劑的條件下，巖瀝青中無(wú)機(jī)礦物和有機(jī)碳?xì)浠衔飼?huì)分離開(kāi)來(lái)，而有機(jī)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(zhì)量的增大，有機(jī)物的比例會(huì)增大從而溶解巖瀝青中的油分越多，因而回收率會(huì)隨著渣油質(zhì)量的增大而增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)飽和時(shí)變化趨于平緩。

2.2 溫度對(duì)油分回收率的影響

將100g布敦巖瀝青與150g渣油于反應(yīng)容器內(nèi)(質(zhì)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(yīng)時(shí)間為2個(gè)小時(shí)后倒入容器中，在120℃溫度下沉降2小時(shí)，之后過(guò)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(shí)驗(yàn)溫度分別為90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃，測(cè)定油分的回收率，其結(jié)果如圖2所示。

由圖2得知，溫度對(duì)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(shì)，90℃時(shí)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(dòng)性變大，密度的變化破壞了它們之間的結(jié)構(gòu)，從而降低了其結(jié)合力。故溫度升高回收率顯著上升，但溫度過(guò)高時(shí)，布敦巖瀝青中的小分子飽和烴會(huì)高溫裂解，致使回收率降低，故溫度不超過(guò)140℃為宜。

2.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)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(yīng)容器內(nèi)(質(zhì)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(yīng)一定時(shí)間后倒入容器中，溫度120℃沉降2小時(shí)，之后過(guò)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(shí)驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間分別為0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h，測(cè)定油分的回收率，結(jié)果見(jiàn)圖3所示。

由圖3可知，布敦巖瀝青油分回收率隨著時(shí)間的增加而增大，并且時(shí)間對(duì)回收率影響較大，0.5h時(shí)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?jiàn)，反應(yīng)時(shí)間2h即可。

圖1 不同配料比對(duì)油分回收率的影響

圖2 不同溫度對(duì)油分回收率的影響

圖3 不同時(shí)間的油分回收率的影響

2.4 表面活性劑摻量對(duì)油分回收率的影響

將100g布敦巖瀝青與150g渣油置于反應(yīng)容器內(nèi)(質(zhì)量比為2∶3)，加入一定質(zhì)量的表面活性劑司班80，調(diào)節(jié)油浴溫度為140℃，反應(yīng)時(shí)間2小時(shí)后倒入容器中，溫度120℃沉降2小時(shí)，之后過(guò)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(shí)驗(yàn)表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.5%、1%、2%，測(cè)定其油分的回收率，結(jié)果見(jiàn)圖4所示。

圖4 表面活性劑對(duì)回收率的影響

如圖4所示，表面活性劑無(wú)對(duì)油分回收率影響巨大，沒(méi)有表面活性劑時(shí)回收率為55%以下，而加入0.5%的表面活性劑時(shí)，回收率驟升至為91.2%，但繼續(xù)加入則對(duì)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(jī)成分與無(wú)機(jī)礦物質(zhì)分離，繼而溶解在渣油中，當(dāng)表面活性劑的用量達(dá)到飽和時(shí)，作用不會(huì)疊加，回收率不會(huì)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(shí)為粘稠狀流體。針入度(100g,25℃,5s)為82.8，軟化點(diǎn)(環(huán)球法)44.5，延度(25℃,5cm/min)22，其紅外光譜圖見(jiàn)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(qiáng)度有所不同，油分吸收峰強(qiáng)度略高于減壓渣油，這說(shuō)明他們之間沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但有機(jī)成分含量增加了。如果減壓渣油與巖瀝青發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，則特征峰就會(huì)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(biāo)

3.1 60#拋光瀝青的制備

對(duì)照60#拋光瀝青的針入度、軟化點(diǎn)與延度及相關(guān)參數(shù)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，調(diào)節(jié)配料比，加入有機(jī)聚合物，提高其軟化點(diǎn)，降低針入度，使其達(dá)到60#拋光瀝青的標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.1 配料比對(duì)60#拋光瀝青性能的影響

稱取一定質(zhì)量的布敦巖瀝青與減壓渣油，按照一定配料比于反應(yīng)容器內(nèi)，設(shè)定油浴溫度為140℃，反應(yīng)時(shí)間1小時(shí)后測(cè)試其各項(xiàng)性能。其結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，不同的配料比對(duì)瀝青的針入度，軟化點(diǎn)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(diǎn)則降低，對(duì)照60#拋光瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)—針入度(30～40)、軟化點(diǎn)(65～75)、延度(≮3.0)，而當(dāng)配料比為10∶3時(shí)，制取的瀝青油分針入度(34.1)，軟化點(diǎn)(49.9)，延度(3)與60#拋光瀝青較為接近。可見(jiàn)，只要改善瀝青油分的軟化點(diǎn)，就可得到60#拋光瀝青。

3.1.2 改性劑對(duì)60#拋光瀝青的影響

為了提高瀝青油分的軟化點(diǎn)，試驗(yàn)選擇加入有機(jī)聚合物SBS改善其性能，考查SBS摻量對(duì)60#拋光瀝青性能的影響，結(jié)果如圖7所示。

圖7結(jié)果表明：當(dāng)SBS摻量為2%時(shí)，瀝青軟化點(diǎn)為67.5℃、針入度為32.3/0.1mm、延度為16cm，達(dá)到了60#拋光瀝青的指標(biāo)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(duì)瀝青針入度、 軟化點(diǎn)及延度的影響 配料比(布敦巖瀝青/減壓渣油)

圖7 SBS摻量對(duì)60#拋 光瀝青性能的影響

3.2 60#拋光瀝青的性能指標(biāo)

60#拋光瀝青的規(guī)格及實(shí)驗(yàn)制備的調(diào)和瀝青性質(zhì)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(xiàng)性能指標(biāo)。

表1 60#拋光瀝青的規(guī)格及實(shí)驗(yàn)制備的調(diào)和瀝青性質(zhì)

4 結(jié)論

1)本實(shí)驗(yàn)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(jié)果表明：當(dāng)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(shí)間2小時(shí)，油分回收率可達(dá)91.2%。紅外光譜分析可知，減壓渣油與布敦巖瀝青沒(méi)有發(fā)生化學(xué)變化。

2)用布敦巖瀝青制備特種瀝青，在價(jià)格方面具有優(yōu)勢(shì)。當(dāng)布敦巖瀝青與減壓渣油的配料比為10∶3時(shí)，提取出的油分中加入2%的SBS可達(dá)到60#拋光瀝青標(biāo)準(zhǔn)的要求。

[1] 查旭東,童戀.印尼布敦巖瀝青改性瀝青性能研究[J].公路,2007,23(4):29-32.

[2] 孔永健,曹東偉,鄧鵬飛.布敦巖瀝青性能研究[D].北京:北京交通大學(xué),2008.

[3] 樊亮,林荔萍,申全軍，等.天然巖瀝青改性瀝青試驗(yàn)研究及工藝優(yōu)化[J].華東公路,2010,4(1):73-76.

[4] 何鳳玲,王捷，丁建明.ZIGLER巖瀝青改性瀝青混合料的性能研究[J].公路，2005,8(12):149-155.

[5] 趙蘇,孫亮,劉爽.煉油廠酸渣除酸技術(shù)研究[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2010,26(5):935-939.

[6] 中國(guó)交通部公路科學(xué)研究所.印度尼西亞布敦巖天然瀝青路用性能研究報(bào)告[R].2001.

[7] 中國(guó)交通部公路科學(xué)研究所.布敦巖瀝青(BRA)項(xiàng)目赴印尼考察小組的考察報(bào)告[R].2001.

[8] 董志偉.印尼布敦巖瀝青(BRA)在路面工程中的應(yīng)用研究[J].山西交通科技，2004,1(1):13-15.

[9] 鄭玉棟,李衛(wèi)東.特種改性瀝青的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用技術(shù)[J].路橋建設(shè),2011,(10):90-91.

[10] 李俊嶺,張玉貞,李淑云，等.新疆油砂稠油制特種瀝青[J].石油煉制與化工,1998,29(12):5-8.

[11] Guo Shuhua，Qian Jialin.Micro-Structure Model of Some Chinese Oil Sand[J].Petroleum Science and Technology,1997,15(9):857-872.

[12] 孟勇軍,張肖寧,陳仕周.不同配比對(duì)Buton巖瀝青影響的性能研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2009,9(4):1777-1791.

[13] 高艷秋.渣油中四組分的測(cè)定[J].化學(xué)工程師,2004,48(5):48-49.

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

TD97

A

1004-4051(2015)02-0146-04