D = AP nEXP(B/T)
6.1.3.Bản chất hố học và cấu trúc của các nhĩm chất cĩ mặt trong Bitum
BITUM 6.1 Thành phần hố học của Bitum
6.1.3.Bản chất hố học và cấu trúc của các nhĩm chất cĩ mặt trong Bitum
Để hiểu rỏ hơn về bản chất của các nhĩm chất trong Bitum ta tiến hành xác định trọng lượng phân tử trung bình của chúng, phần trăm của các nguyên tố, các nhĩm chức (nhĩm axit, ester, ceton, eter, amin, amit . . . ), các cấu trúc cơ bản như n- paraffin, iso-paraffin, naphten, aromatic . . . bằng các phương pháp phân tích phổ hiện đại như khối phổ cĩ thể xác định được trọng lượng phân tử và một số cấu trúc đơn giản, phổ hồng ngoại cĩ thể xác định được độ dài và tỷ lệ các nhánh, phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân cĩ thể các định được cấu trúc vịng phức tạp. Nhờ vào các phương pháp này mà người ta hiểu rỏ hơn về bản chất hố học của Bitum.
Như phần đầu đã giới thiệu, khi dùng các dung mơi nhẹ ta cĩ thể tách Bitum thành hai nhĩm chất là malten và asphalten, bây giờ ta nghiên cứu hai nhĩm chất này.
6.1.3.1. Nhĩm chất malten
Malten là các hợp chất hydrocacbon và các hợp chất dị nguyên tố. Đây là một chất lỏng nhớt cĩ màu nâu rất đậm. Thành phần nguyên tố của nĩ cĩ 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 nĩ phải chứa nhiều hợp chất vịng no, vịng thơm hay hợp chất lai hợp của chúng với nhau hay với các paraffin. Điều đáng chú ý là trong thành phần của malten khơng chứa olêfin, hợp chất này chỉ xuất hiện khi cĩ sự cracking.
Để nghiên cứu kỷ hơn về malten ta cho chúng hồ tan trong botanol-I khi đĩ ta thu được hai nhĩm chất khác nhau. nhĩm thứ nhất là dầu tan trong dung mơi chính là nhĩm dầu cịn nhĩm thứ hai khơng tan là nhựa.
Nhĩm dầu
Nhĩm dầu này cĩ thể chia thành hai nhĩm nhỏ: dầu parafin và dầu aromatic Dầu paraffin: đây là các hợp chất cĩ mạch dài chứa đồng thời các hợp chất n- paraffin, iso-paraffin, cyclopetylparaffin, cyclohexylparaffin và alcolyaromatic với số nguyên tử cacbon từ 20 đến 32 hoặc lớn hơn 70 tuỳ theo từng tác giả.
Dầu aromatic: nhĩm dầu này cĩ các tính chất sau: Trong thành phần của chúng khơng cĩ các hợp chất chỉ cĩ các nhân thơm mà thường thì các nhân thơm này được gắn với paraffin hay các vịng no khác. Cấu trúc thường gặp là dạng naphteno - aromatic.
Các vịng thơm ngưng tụ với nhau và khơng cĩ sự sắp xếp theo một cấu trúc thẳng đối với các nhân.
Các hợp chất này chứa từ 1 đến 4 nhân thơm, các vịng này cĩ thể là các hợp chất hydrocacbon hoặc các hợp chất dị vịng.
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 đơi khi dưới dạng của phênol.
Nhĩm nhựa
Nhĩm hợp chất này mang đặc tính aromtic khá rỏ rệt, khơng cịn các thành phần paraffin, cấu trúc chủ yếu là naphteno-aromatic với các nhánh thẳng gắn trên các vịng. Hàm lượng các hợp chất dị nguyên tố tăng lên khá nhanh đối với lưu huỳnh và nitơ. Các hợp chất hydrocacbon cũng khơng cịn mà thay vào đĩ 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 khĩ 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 nĩ nằm trong khoảng 1000 đến 2000 cũng cĩ tác giả cho rằng giá trị nằm trong khoảng 1700 đến 3800. Các giá trị này thay đơi trong khoảng rộng phụ thuộc vào nguồn gốc của Bitum, loại dung mơi, 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. Nhĩm chất asphalten
Asphalten là một chất rắn, bở cĩ màu nâu tối, cĩ điểm chảy trong khoảng 120 đến 400oC, tỷ trọng lớn hơn 1, trọng lượng phân tử rất khĩ xác định, thường lớn hơn 1000. Hàm lượng và tính chất của Bitum phụ thuộc và các yếu tố sau:
Loại dầu thơ (nguồn nguyên liệu): hàm lượng asphalten cĩ 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 thơ, từ cặn chung cất khí quyển, cặn chưng cất chân khơng, cặn của quá trình cracking . . .
Bản chất của dung mơi và điều kiện tiến hành trích ly.
Cũng giống như nhựa, cấu trúc của asphalten rất phức tạp, các hợp chất hydrocacbon khơng cịn nữa mà thay vào đĩ là các hợp chất dị nguyên tố với cấu trúc là mạch hydrocacbon dài trên đĩ cĩ 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 cĩ chứa 4 nguyên tử cacbon nhưng chủ yếu là các nhĩm mêtyl.
Trong một vài loại Bitum hàm lượng oxy cĩ thể lớn hơn 8% nhưng thơng thường giá trị này khơng vượt quá 2%. Oxy trong asphalten tồn tại chủ yếu dưới hai dạng cacbonyl và ester, ngồi ra cịn cĩ thể tìm được oxy tồn tại dưới dạng cầu nối để tạo ra hợp chất eter.
Lưu huỳnh trong asphalten tồn tại dưới dạng vịng ổn định như dạng cấu trúc của thiophen, ngồi ra cịn tìm thấy dạng hợp chất chứa nhiều hơn hai nguyên tử lưu huỳnh trong một phân tử.
Nitơ trong asphalten tồn tại dưới dạng vịng 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 khống chất.
Qua phân tích ở trên cho thấy cấu trúc của Bitum chưa thể xác định được rỏ ràng. Tuy nhiên với các thơng 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 đĩ 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 đĩ là malten trong đĩ phân tán các chất rắn là asphalten và thực chất chúng tồn tại như một hệ keo.