Sản phẩm dầu mỏ thương phẩm phần 10 ppsx

Với cùng một loại nguyên liệu thì hàm lượng các hợp chất này cũng thay đổi nhiều chúng phụ thuộc vào loại dung môi trích ly và điều kiện tiến hành.. thì dầu, nhựa đôi khi cả asphalten sẻ

Nhựa Asphalten

Trích ly bằng heptan

Dầu Naphten Dầu parafin

Trích ly bắng aceton ở - 32oC

Dầu Asphalten

Trích ly bằng Butanol-I

BITUM

Như vậy, chỉ cần một quá trình trích ly đơn giản ta có thể thu được ba nhóm chất khác nhau đó là asphalten, nhựa, và dầu Với cùng một loại nguyên liệu thì hàm lượng các hợp chất này cũng thay đổi nhiều chúng phụ thuộc vào loại dung môi trích

ly và điều kiện tiến hành Ví dụ: với nguyên liệu là dầu của Mêxico, khi dung môi là pentan thì lượng asphalten thu được là: 33.5% nhung khi dung môi là n-heptan thì hàm lượng này chỉ có 25.7% khi nhiệt độ trích ly tăng lên thì lượng asphalten thu được sẽ giảm

6.1.2.2 Quá trình xử lý Bitum bằng dung môi và chất hấp phụ

Khi cho các nhóm chất thu được bằng phương pháp trích ly như trên chảy qua các cột hấp phụ như đất sét, sicagel thì dầu, nhựa đôi khi cả asphalten sẻ được tách

ra, như vậy nhờ vào quá trình này ta có thể thu dược các họ Parafinc, Naphtenic, Aromatic một hay nhiều vòng, các hợp chất phức hợp của lưu huỳnh

Ngoài ra thì người ta có thể kết hợp các phương pháp nêu trên với việc chưng cất chân không để phân chia Bitum thành các nhóm chất nhỏ hơn, tuy nhiên không bao

6.1.3 Bản chất hoá học và cấu trúc của các nhóm chất có mặt trong Bitum

Để hiểu rỏ hơn về bản chất của các nhóm chất trong Bitum ta tiến hành xác định trọng lượng phân tử trung bình của chúng, phần trăm của các nguyên tố, các nhóm chức (nhóm axit, ester, ceton, eter, amin, amit ), các cấu trúc cơ bản như n-paraffin, iso-n-paraffin, naphten, aromatic bằng các phương pháp phân tích phổ hiện đại như khối phổ có thể xác định được trọng lượng phân tử và một số cấu trúc đơn giản, phổ hồng ngoại có thể xác định được độ dài và tỷ lệ các nhánh, phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân có thể các định được cấu trúc vòng phức tạp Nhờ vào các phương pháp này mà người ta hiểu rỏ hơn về bản chất hoá học của Bitum

Như phần đầu đã giới thiệu, khi dùng các dung môi nhẹ ta có thể tách Bitum thành hai nhóm chất là malten và asphalten, bây giờ ta nghiên cứu hai nhóm chất này 6.1.3.1 Nhóm chất malten

Malten là các hợp chất hydrocacbon và các hợp chất dị nguyên tố Đây là một chất lỏng nhớt có màu nâu rất đậm Thành phần nguyên tố của nó có chứa nitơ, oxy,

và một hàm lượng lớn lưu huỳnh từ 2.5 đến 5.5% tuỳ theo loại Bitum Khi xem xét Bitum nhiều tác giả đã dùng khái niệm tỷ số C/H Đối với malten thì tỷ số này khoảng 0.7 điều này chứng tỏ trong thành phần của nó phải chứa nhiều hợp chất vòng no, vòng thơm hay hợp chất lai hợp của chúng với nhau hay với các paraffin Điều đáng chú ý là trong thành phần của malten không chứa olêfin, hợp chất này chỉ xuất hiện khi có sự cracking

Để nghiên cứu kỷ hơn về malten ta cho chúng hoà tan trong botanol-I khi đó ta thu được hai nhóm chất khác nhau nhóm thứ nhất là dầu tan trong dung môi chính là nhóm dầu còn nhóm thứ hai không tan là nhựa

Nhóm dầu này có thể chia thành hai nhóm nhỏ: dầu parafin và dầu aromatic

Dầu paraffin: đây là các hợp chất có mạch dài chứa đồng thời các hợp chất n-paraffin, iso-n-paraffin, cyclopetyln-paraffin, cyclohexylparaffin và alcolyaromatic với số nguyên tử cacbon từ 20 đến 32 hoặc lớn hơn 70 tuỳ theo từng tác giả

Dầu aromatic: nhóm dầu này có các tính chất sau: Trong thành phần của chúng không có các hợp chất chỉ có các nhân thơm mà thường thì các nhân thơm này được gắn với paraffin hay các vòng no khác Cấu trúc thường gặp là dạng naphteno - aromatic

Các vòng thơm ngưng tụ với nhau và không có sự sắp xếp theo một cấu trúc thẳng đối với các nhân

Các hợp chất này chứa từ 1 đến 4 nhân thơm, các vòng này có thể là các hợp chất hydrocacbon hoặc các hợp chất dị vòng

Các hợp chất dị nguyên tố chiếm một tỷ lệ khác lớn, trước hết là các hợp chất của lưu huỳnh tồn tại dưới dạng thiofen, các hợp chất của oxy tồn tại dưới dạng axit, ester đôi khi dưới dạng của phênol

Nhóm hợp chất này mang đặc tính aromtic khá rỏ rệt, không còn các thành phần paraffin, cấu trúc chủ yếu là naphteno-aromatic với các nhánh thẳng gắn trên các vòng Hàm lượng các hợp chất dị nguyên tố tăng lên khá nhanh đối với lưu huỳnh và nitơ Các hợp chất hydrocacbon cũng không còn mà thay vào đó là các hợp chất với mạch hydrocacbon dài kết nối với nhau qua các nguyên tố phi hydrocacbon như lưu huỳnh, nitơ

Trọng lương phân tử, tỷ lệ C/H của nhựa lớn hơn của dầu, tuy nhiên sư khác biệt này rất khó xác định được chính xác Một số tác giả cho rằng trọng phân tử của nhựa nhỏ hơn 1000, số tác giả khác cho rằng nó nằm trong khoảng 1000 đến 2000 cũng có tác giả cho rằng giá trị nằm trong khoảng 1700 đến 3800 Các giá trị này thay đôi trong khoảng rộng phụ thuộc vào nguồn gốc của Bitum, loại dung môi, cách tiến hành trích ly thu nhận Bitum và cách đo khối phổ

Như vậy, đối với Bitum khi xem xét từ dầu đến nhựa thì ta thấy một sự thay đổi

rỏ nét về cấu trúc Cụ thể là đặc tính aromatic tăng lên kèm theo sự tăng về các hợp chất dị nguyên tố, tăng trọng lượng phân tử và càng về cuối thì tính chất của nhựa mang tính chất của asphalten

6.1.3.2 Nhóm chất asphalten

Asphalten là một chất rắn, bở có màu nâu tối, có điểm chảy trong khoảng 120 đến 400oC, tỷ trọng lớn hơn 1, trọng lượng phân tử rất khó xác định, thường lớn hơn

1000 Hàm lượng và tính chất của Bitum phụ thuộc và các yếu tố sau:

Loại dầu thô (nguồn nguyên liệu): hàm lượng asphalten có thể thay đổi từ nhỏ hơn 1% đến 40% trọng lượng Bitum

Cách tiến hành để thu nhận Bitum: bitum thu nhận trực tiếp từ dầu thô, từ cặn chung cất khí quyển, cặn chưng cất chân không, cặn của quá trình cracking Bản chất của dung môi và điều kiện tiến hành trích ly

Cũng giống như nhựa, cấu trúc của asphalten rất phức tạp, các hợp chất hydrocacbon không còn nữa mà thay vào đó là các hợp chất dị nguyên tố với cấu trúc

là mạch hydrocacbon dài trên đó có chứa các nguyên tố như lưu huỳnh, nitơ, oxy và một số kim loại như Ni, V với hàm lượng thấp khoảng vài trăm phần triệu Hàm lượng của cacbon trong asphalten thường lớn hơn 85% tỷ lệ C/H khoảng bằng 1 điều này cho thấy cấu trúc của chúng gồm nhiều các hợp chất ngưng tụ cao, đặc tính aromatic thể hiện rỏ nét hơn nhựa, hàm lượng các hợp chất dị nguyên tố cũng tăng lên rất nhiều Như vậy, so với malten thì trong asphalten trọng lượng phân tử, đặc tính aromatic và mức độ ngưng tụ tăng lên, giảm cycloparaffin và mạch nhánh dài, mạch dài nhất có chứa 4 nguyên tử cacbon nhưng chủ yếu là các nhóm mêtyl

Trong một vài loại Bitum hàm lượng oxy có thể lớn hơn 8% nhưng thông thường giá trị này không vượt quá 2% Oxy trong asphalten tồn tại chủ yếu dưới hai dạng cacbonyl và ester, ngoài ra còn có thể tìm được oxy tồn tại dưới dạng cầu nối để tạo ra hợp chất eter

Lưu huỳnh trong asphalten tồn tại dưới dạng vòng ổn định như dạng cấu trúc của thiophen, ngoài ra còn tìm thấy dạng hợp chất chứa nhiều hơn hai nguyên tử lưu huỳnh trong một phân tử

Nitơ trong asphalten tồn tại dưới dạng vòng ổn định như cấu trúc của pyridin, porpyrin

Trong asphalten chứa nhiều kim loại khác nhau như Ni, Fe mà trước đáng chú ý

là V khoảng 400 p.p.m các kim loại này tồn tại trong porpyrin, hợp chất cơ kim hoặc các khoáng chất

Qua phân tích ở trên cho thấy cấu trúc của Bitum chưa thể xác định được rỏ ràng Tuy nhiên với các thông tin về việc phân tích cấu trúc đáng tin cậy như trên cho

ta biết được sự biến thiên cấu trúc của Bitum khi đi từ phân đoạn nhẹ sang phân đoạn nặng đó là sự giảm dần rồi biến mất của các cấu trúc hydrocacbon để thay thế dần các cấu trúc phi hydrocacbon, trọng lượng phân tử tăng dần, tính aromatic tăng lên, theo

sự biến thiên này thì cấu trúc hydrocacbon dạng naphteno-aromatic với các nhánh thẳng chiếm ưu thế dần và mạch thẳng giảm dần

Như vậy, Bitum được cấu tạo từ hai phần chính, phần thứ nhất là một chất lỏng nhớt đó là malten trong đó phân tán các chất rắn là asphalten và thực chất chúng tồn tại như một hệ keo

6.1.4 Cấu trúc hệ keo của Bitum

Qua phân tích thành phần cho thấy Bitum chứa nhiều nhóm chất có cấu trúc khác nhau tuỳ thuộc vào nguyên liệu, dung môi, điều kiện tiến hành nhưng một cách tổng quá ta có thể chia thành hai nhóm chính: Nhóm malten tồn tại ở trạng thái lỏng và nhóm asphalten tồn tại ở trạng thái rắn Hai nhóm chất này cùng tồn tại trong Bitum để tạo ra một hệ keo trong đó malten là môi trường phân tán còn asphalten là tướng phân tán Thực tế thì các micelle trong hệ keo không chỉ chứa asphalten mà còn chứa các hợp chất aromatic nhiều vòng của malten

Tuỳ theo loại micelle có được keo hoá hay không mà Bitum có các tính chất khác nhau Bitum keo hoá được gọi là "gel" còn khi có sự pepti hoá xảy ra hoàn toàn thì Bitum được gọi là "sol" Mức độ keo hoá phụ thuộc vào đồng thời bản chất của malten, asphalten và nồng độ của các thành phần này Sự keo hoá xãy ra hoàn toàn nếu như malten chứa một lượng các hợp chất aromatic đủ lớn để tạo ra được lực hấp phụ mạnh đối với asphalten, trong trường hợp ngược lại thì sẽ xãy ra sự keo hoá và thậm chí có sự kết tủa asphalten Trong trường hợp này ta gọi Bitum có cấu trúc gel vì có sự lực hút qua lại của các micelle

6.1.5 Xu hướng biến đổi của Bitum trong quá trình bảo quản và sử dụng

Trong quá trình bảo quản và sử dụng thì Bitum luôn tiếp xúc các tác nhân gây oxy hoá, do đó nó dễ bị biến đổi các tính chất của nó Bản chất của quá trình biến đổi này là quá trình oxy hoá và kết quả sẽ tạo ra các hợp chất nặng hơn

Trong thành phần của Bitum thì các hợp chất aromatic kém ổn định nhất nó dễ

bị oxy hoá để tạo ra các hợp chất nặng còn các hợp chất paraffin có độ ổn định oxy hoá cao nhất nên khó bị oxy hoá nhất Khi bị oxy hoá thì nhóm dầu sẻ biến đổi chuyển dần thành nhóm nhựa còn nhóm nhựa thì biến đổi dần thành asphalten Như vậy thì trong quá trình biến đổi hàm lượng của nhóm nhựa không thay đổi mấy, nhóm dầu sẻ giảm và ngược lại nhóm asphalten tăng lên

6.2 Ảnh hưởng của thành phần hoá học đến tính chất sử dụng của Bitum

Tuỳ theo lĩnh vực sử dụng mà có những yêu cầu cụ thể về những tính chất nhất định của Bitum Tuy nhiên những yêu cầu này chủ yếu tập trung vào khả năng chống lại các tác động của môi trường bên ngoài như lão hoá, độ dẻo và độ cứng của Bitum

Ở phần trước đã nghiên cứu cho thấy rằng trong thành phần hoá học của Bitum có chứa nhiều nhóm chất khác nhau Trong quá trình sử dụng các nhóm chất này sẻ có những vai trò khác nhau trong việc đảm bảo các yêu cầu nêu trên

Thông thường, đối với Bitum trong quá trình sử dụng người ta quan tâm đến ba nhóm chất sau: nhóm dầu, nhóm nhựa và asphalten

Nhóm dầu:

Trong quá trình sử dụng Bitum thường chịu tác động của các tác nhân gây oxy hoá như nước, không khí, khí độc, nhiệt độ, xúc tác do đó Bitum dễ bị biến chất Nhờ nhóm dầu có chứa nhiều hợp chất hydrocacbon no nó làm chậm lại quá trình biến chất này

Nhóm nhựa:

Nhóm nhựa trong Bitum đặc trưng cho tính dẻo của nó điều này có ý nghĩa lớn khi Bitum được sử dụng ở những nơi chịu tải nặng và có sự thay đổi khá lớn về nhiệt

độ, khi đó nếu như hàm lượng nhóm chất này quá thấp Bitum trở nên dòn và dễ bị nứt dẫn đến bị hư hỏng

Nhóm asphalten:

Nhóm này trong Bitum đặc trưng cho độ cứng và khả gắn kết các vật liệu Như vậy, mỗi một nhóm chất đặc trưng cho một tính chất nhất định của bitum trong quá trình sử dụng

Khi Bitum dùng làm nhựa đường thì nó đòi hỏi nó phải có độ gắn kết đá nhất định, độ cứng cao, một độ dẻo cần thiết ở nhiệt độ thấp và độ chịu nắng mưa để hạn chế sự biến chất

Khi Bitum dùng làm vật liệu sản xuất tấm lợp trong xây dựng thì nó không cần

độ cứng, độ dẻo lớn nhưng nó đòi hỏi một khả năng chống lại các tác nhân gây oxy hoá bên ngoài lớn

6.3 Ứng dụng và phân loại

6.3.1 Lĩnh vực ứng dụng của Bitum

Bitum được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực sau:

Xây dựng các công trình giao thông

Chống thấm trong các công trình thuỷ lợi

Chống thấm trong các công trình dân dụng

Dùng làm vật liệu trong xây dựng dân dụng

Bitum được dùng như sơn nhằm chống thấm, chống ăn mòn, chất cất điện Trong các ứng dụng trên thì lượng bitum sử dụng cho các công trình công cộng như đường xá, sân bay, cầu cảng, canh mương chiếm khoảng 85%

6.3.2 Phân loại Bitum

Như chúng ta thấy bitum có thể thu nhận từ nhiều nguồn khác nhau và được sử dụng cho nhiều mục đích nên thành phần của nó thay đôi trong khoảng rộng Vì vậy có rất nhiều các phân loại bitum khác nhau

Nếu dựa vào nguồn gốc hoặc công nghệ chế biến hoặc trạng thái vật lý để chia Bitum thành các loại khác nhau

Khi dựa vào nguồn gốc của vật liệu ban đầu nthì Bitum được chia thành 3 loại sau:

Bitum dầu mỏ

Bitum than đá

Bitum thiên nhiên

Khi dựa vào công nghệ chế biến thì người ta chia Bitum thành 2 loại sau:

Bitum bã

Bitum oxy hoá

Khi căn cứ vào trạng thái vật lý ở điều kiện thường thì Bitum được chia thành 3 loại sau:

Bitum rắn

Bitum đặc

Bitum lỏng

Ngoài những cách phân loại trên thì trên thực tế bitum thường phân chia dựa vào tính chất sử dụng của nó mà cụ thể là dựa vào độ xuyên kim hợac độ xuyên ki8m và nhiệt độ chảy mềm để phân chia thành các loại khác nhau

Ở Viêt Nam, bitum được chia theo độ xuyên kim thành 6 loại như sau: 20/30, 40/60, 60/70, 70/100, 100/150,150/250

Ở Pháp thì bitum được phân chia dựa vào độ xuyên kim và nhiệt độ chảy mềm:

1 75-30

2 85-25

3 90-40

4 100-40

6 135-6

7 103-13

8 150-0

9 170-2

Ý nghĩa của các số: số đầu là nhiệt độ chảy mềm, số sau là độ xuyên kim trong khoảng xác định

Ví dụ:

Ở loại thứ 2 thì nhiệt độ chảy mềm trong khoảng từ 80-90oC và độ xuyên kim của nó mằn trong khoảng

Trong các loại trên thì 5 loại đầu ở trạng thái mền, 6,7 cũng ở trạng thái đó nhưng đặc hơn còn 2 loại cuối ở trạng thái rắn

6.4 Chỉ tiêu kỹ thuật và sử dụng của Bitum

Cũng giống như các sản phẩm khác của dầu mỏ thì Bitum muốn trở thành một sản phẩm thương phẩm, nó phải đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật và sử dụng nhất định

6.4.1 Độ xuyên kim

Để đặc trưng cho độ cứng, độ dính quánh của Bitum người ta đưa ra khái niệm

độ xuyên kim

Độ xuyên kim được đo bằng độ ngập sâu của một bộ kim chuẩn trong mẫu thử

ở điều kiện thí nghiệm (bộ kim chuẩn có trọng lượng bằng 100g, rơi tự do trong thời gian 5 giấy ở nhiệt độ 25oC) độ xuyên kim được tính bằng 1/10 mm

Độ xuyên kim của Bitum phụ thuộc vào thành phần hoá học của nó, khi hàm lượng asphalten lớn thì giá trị này nhỏ, còn khi hàm lượng nhóm dầu tăng thì độ xuyên kim tăng

6.4.2 Độ dẻo

Khi làm việc thì nhiệt độ của Bitum sẻ thay đổi do đó độ dẻo của Bitum cũng sẻ thay đổi theo

Ở nhiệt độ xuống thấp độ dẻo của Bitum giảm đi, đồng thời độ dòn tăng lên, trong trường hợp này Bitum dễ bị vỡ khi chịu lực tác động từ môi trường bên ngoài

để đặc trưng cho tính dẻo người ta dùng khái niệm độ kéo dài

Độ kéo dài của Bitum phụ thuộc vào bản chất hoá học của nó, khi hàm lượng nhựa nhiều thì độ kéo dài càng lớn, còn khi asphalten lớn thì giá trị này giảm xuống

6.4.3 Nhiệt độ chảy mềm

Nhiệt độ chảy mềm là nhiệt độ đọc được trên nhiệt kế khi viên bi chuẩn chứa trong mẫu thử rơi xuống chạm đến đáy của một bộ dụng cụ thí nghiệm