天然沥青的处理和应用：用布敦岩沥青制备特种沥青的实验研究

崔万夫

(1.北京大学地球与空间科学学院，北京100871；2.天津港保税区利迅国际贸易有限公司，天津 300457)

天然沥青的处理和应用：用布敦岩沥青制备特种沥青的实验研究

崔万夫1，2

(1.北京大学地球与空间科学学院，北京100871；2.天津港保税区利迅国际贸易有限公司，天津 300457)

作为非常规能源资源的天然沥青，其开发和应用是对常规能源资源不足的一种有效补充。本实验采用溶剂萃取法，利用减压渣油提取布顿岩沥青的油分。当布敦岩沥青与减压渣油的配料比为2∶3、表面活性剂的掺量为0.5%、温度140℃、时间2h，油分回收率可达91.2%。当布敦岩沥青与减压渣油的配料比为10∶3，在提取出的油分中加入2%的SBS，可以调制合格的60#抛光沥青。用布敦岩沥青制备特种沥青，在价格方面具有优势，为布敦岩沥青的进一步开发和利用找到了一种新的途径。

岩沥青；特种沥青；抛光沥青；SBS

天然沥青是石油在自然界长期受地壳挤压并与空气、水等接触逐渐变化而形成的，以天然形态存在的石油沥青，其中常混有一定比例的矿物质。布敦岩沥青产于南太平洋印度尼西亚苏拉威西省东南部布敦岛，其形成是由于石油不断地从地壳中冒出，存在于山体、岩石裂隙中，经长期蒸发凝固而形成的天然沥青[1-2]。外观似黑色蜜糖，其中22%～24%(质量分数)为沥青，它是布敦岩沥青矿内所含的原油，砂和薪土等矿物质占70%～79%，其余为水，属于非常规石油资源[3]。目前，岩沥青在国内和国外主要用于掺配到沥青混凝土中进行铺路[4-7]。

特种沥青是具有特殊性能的沥青[8-10]，如电缆沥青、防腐沥青、电池封口剂、油漆石油沥青等，60﹟抛光沥青也是特种沥青的一种，其特点是具有适宜的弹性及延度，在抛光盘表面的附着力适宜，使抛光盘与零件表面始终能紧密接触，易于控制，从而能得到高的表面光洁度。抛光沥青可与其它材料(如松香等)调配制成抛光胶，用于光学玻璃零件的抛光。抛光沥青的价格昂贵，本文利用布敦岩沥青制备特种沥青，在价格方面具有优势，为特种沥青的发展起到一定的促进作用。

随着国内经济的快速发展，常规石油沥青资源逐渐减少，人们开始把目光转向非常规资源。布敦岩沥青是一种储量巨大的能源物质，其应用将在解决中国能源紧缺问题上起到重要作用。

1 实验及测试方法

1.1 主要原材料及仪器设备

1.1.1 原材料

主要原材料：减压渣油(辽宁盘锦某工厂)、布敦岩沥青、SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)、司班80(国药集团)。

1.1.2 仪器设备

主要仪器设备：DF-4型智能数显沥青针入度仪，南京拓星仪器仪表研究所；DF-5型电脑全自动沥青软化点仪，南京拓星仪器仪表研究所；数显恒温沥青延度仪，天津市振辉建筑仪器厂。

1.2 实验方法

1.2.1 从布敦岩沥青中提取油分

采用溶剂萃取法，以减压渣油作为萃取溶剂萃取布敦岩沥青中的油分。

试验前将布敦岩沥青破碎，采用四分法称取一定质量。将减压渣油、布敦岩沥青和表面活性剂，按照比例于反应器内，反应一定时间后趁热过滤，记录油分的质量，计算油分回收率[11]。油分回收率计算如下式所示。

式中：W为油分回收率，%；m1为体系总质量，g；m2为溶剂质量，g；m3为滤出物(沙粒)质量，g；m为样品中油分的质量，g。

1.2.2 制备60#抛光沥青的方法

称取一定质量制备好的布敦岩沥青油分于反应釜内，调节油浴温度至设定温度，调节搅拌器至设定转速，加入一定质量的90#重交沥青调和，反应一段时间，再加入少量的有机聚合物调和剂，一段时间后测其各项性能。

1.3 沥青主要性能指标的测试

按照国家标准规定的测试方法，分别对针入度、软化点和延度进行测试。

2 布敦岩沥青中的油分提取

用于提取布敦岩沥青油分的溶剂大多为有机物，本实验采用一种新方法，利用减压渣油作为溶剂提取布敦岩沥青中的油分，经过滤等简单步骤便可得到提取的油分与渣油的混合物，再经过改性等处理便可得到沥青。

对油分回收率的影响因素有配料比、温度、反应时间、表面活性剂掺量等[12]。

2.1 配料比对油分回收率的影响

将100g布敦岩沥青与一定质量的渣油按照一定配料比于反应容器内，加入0.5%的表面活性剂司班80，调节油浴温度为140℃，反应时间为2个小时后倒入容器中，在120℃温度下沉降2小时，过滤可得含有布敦岩沥青油分与渣油的混合物，滤渣为布敦岩沥青中的砂石，从而完成布敦岩沥青油分的分离。

本实验渣油质量分别为30g、50g、70g、90g、110g、130g、150g、160g，测定油分的回收率，结果如图1所示。

图1表明，油分的回收率随着减压渣油量的增加而增大，且刚开始曲线上升较快，最后趋于平稳状态，这充分说明配料比对油分回收率影响较大。当减压渣油为30g时(布敦岩沥青质量为100g)，油分回收率仅为62.5%，当减压渣油为150g时，油分回收率上升到91.2%，减压渣油为160g时，油分回收率为91.6%，回收率几乎不变。为了减少溶剂的使用，所以，当布敦岩沥青与减压渣油的质量比为2∶3时，油分回收率为91.2%为最佳。

渣油的主要成分为饱和烃、芳香烃、沥青质等有机碳氢化合物[13]，而布敦岩沥青中含有70%的无机矿物和24%的有机碳氢化合物，在一定温度、时间和加入表面活性剂的条件下，岩沥青中无机矿物和有机碳氢化合物会分离开来，而有机物能够溶解在渣油中，利用相似相容原理提取岩沥青中的油分，随着渣油质量的增大，有机物的比例会增大从而溶解岩沥青中的油分越多，因而回收率会随着渣油质量的增大而增大，当到达饱和时变化趋于平缓。

2.2 温度对油分回收率的影响

将100g布敦岩沥青与150g渣油于反应容器内(质量比为2∶3)，加入0.5%的表面活性剂司班80，调节油浴温度，反应时间为2个小时后倒入容器中，在120℃温度下沉降2小时，之后过滤可得含有布敦岩沥青油分与渣油的混合物。滤渣为布敦岩沥青中的砂石。从而完成布敦岩沥青油分的分离。

本实验温度分别为90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃，测定油分的回收率，其结果如图2所示。

由图2得知，温度对油分的回收率影响很大，回收率随温度的升高而升高，最后有下降趋势，90℃时回收率最低为56.1%，140℃回收率最高为91.2%。其原因是随着温度的升高，布敦岩沥青粘度降低，流动性变大，密度的变化破坏了它们之间的结构，从而降低了其结合力。故温度升高回收率显著上升，但温度过高时，布敦岩沥青中的小分子饱和烃会高温裂解，致使回收率降低，故温度不超过140℃为宜。

2.3 反应时间对油分回收率的影响

将100g布敦岩沥青与150g减压渣油置于反应容器内(质量比为2∶3)，加入0.5%的表面活性剂司班80，调节油浴温度为140℃，反应一定时间后倒入容器中，温度120℃沉降2小时，之后过滤可得含有布敦岩沥青油分与渣油的混合物。滤渣为布敦岩沥青中的砂石。从而完成布敦岩沥青油分的分离。

本实验反应时间分别为0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h，测定油分的回收率，结果见图3所示。

由图3可知，布敦岩沥青油分回收率随着时间的增加而增大，并且时间对回收率影响较大，0.5h时回收率仅为57.5%，1h便上升到65%，1.5h回收率为87.5%，而随后上升空间较小，2h后回收率趋于平稳。可见，反应时间2h即可。

图1 不同配料比对油分回收率的影响

图2 不同温度对油分回收率的影响

图3 不同时间的油分回收率的影响

2.4 表面活性剂掺量对油分回收率的影响

将100g布敦岩沥青与150g渣油置于反应容器内(质量比为2∶3)，加入一定质量的表面活性剂司班80，调节油浴温度为140℃，反应时间2小时后倒入容器中，温度120℃沉降2小时，之后过滤可得含有布敦岩沥青油分与渣油的混合物。滤渣为布敦岩沥青中的砂石。从而完成布敦岩沥青油分的分离。

本实验表面活性剂质量分数为0.1%、0.5%、1%、2%，测定其油分的回收率，结果见图4所示。

图4 表面活性剂对回收率的影响

如图4所示，表面活性剂无对油分回收率影响巨大，没有表面活性剂时回收率为55%以下，而加入0.5%的表面活性剂时，回收率骤升至为91.2%，但继续加入则对回收率影响较小，回收率趋于平稳，所以表面活性剂司班80的最佳加入量为0.5%。

表面活性剂的主要作用是降低表面能，使布敦岩沥青中的有机成分与无机矿物质分离，继而溶解在渣油中，当表面活性剂的用量达到饱和时，作用不会叠加，回收率不会继续增大。

2.5 油分分析

提取的布敦岩沥青油分，常温下为黑色固体，较硬，加热至120℃时为粘稠状流体。针入度(100g,25℃,5s)为82.8，软化点(环球法)44.5，延度(25℃,5cm/min)22，其红外光谱图见图5所示。

图5中下面的曲线A和上面的曲线B分别为减压渣油和油分的红外光谱图。由图5可知，减压渣油与油分的吸收峰位置一致，但强度有所不同，油分吸收峰强度略高于减压渣油，这说明他们之间没有发生化学反应，但有机成分含量增加了。如果减压渣油与岩沥青发生了化学反应，则特征峰就会发生变化。由图可以发现在650～910cm-1的指纹区域内、619.73cm-1处和氢键区内波数处的吸收峰峰值增大，这是渣油中提取了岩沥青油分的缘故。

3 60#抛光沥青的制备和性能指标

3.1 60#抛光沥青的制备

对照60#抛光沥青的针入度、软化点与延度及相关参数，设计试验方案，调节配料比，加入有机聚合物，提高其软化点，降低针入度，使其达到60#抛光沥青的标准。

3.1.1 配料比对60#抛光沥青性能的影响

称取一定质量的布敦岩沥青与减压渣油，按照一定配料比于反应容器内，设定油浴温度为140℃，反应时间1小时后测试其各项性能。其结果如图6所示。

由图6可以看出，不同的配料比对沥青的针入度，软化点及延度影响较大，延度及针入度随布敦岩沥青与渣油的配料比的增大而增大，而软化点则降低，对照60#抛光沥青的各项指标—针入度(30～40)、软化点(65～75)、延度(≮3.0)，而当配料比为10∶3时，制取的沥青油分针入度(34.1)，软化点(49.9)，延度(3)与60#抛光沥青较为接近。可见，只要改善沥青油分的软化点，就可得到60#抛光沥青。

3.1.2 改性剂对60#抛光沥青的影响

为了提高沥青油分的软化点，试验选择加入有机聚合物SBS改善其性能，考查SBS掺量对60#抛光沥青性能的影响，结果如图7所示。

图7结果表明：当SBS掺量为2%时，沥青软化点为67.5℃、针入度为32.3/0.1mm、延度为16cm，达到了60#抛光沥青的指标要求。

图5 减压渣油与岩沥 青油分红外光谱图

图6 配料比对沥青针入度、 软化点及延度的影响 配料比(布敦岩沥青/减压渣油)

图7 SBS掺量对60#抛 光沥青性能的影响

3.2 60#抛光沥青的性能指标

60#抛光沥青的规格及实验制备的调和沥青性质则表1。从表1得知，经调和后的沥青基本满足60#抛光沥青的各项性能指标。

表1 60#抛光沥青的规格及实验制备的调和沥青性质

4 结论

1)本实验采用溶剂萃取法，利用减压渣油提取布敦岩沥青中的油分。结果表明：当布敦岩沥青与减压渣油的配料比为2∶3、表面活性剂的掺量为w%=0.5%、温度140℃、时间2小时，油分回收率可达91.2%。红外光谱分析可知，减压渣油与布敦岩沥青没有发生化学变化。

2)用布敦岩沥青制备特种沥青，在价格方面具有优势。当布敦岩沥青与减压渣油的配料比为10∶3时，提取出的油分中加入2%的SBS可达到60#抛光沥青标准的要求。

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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

崔万夫(1964-)，男，北京大学地球与空间科学学院矿物学、岩石学、矿床学(矿产资源管理方向)硕士研究生，天津港保税区利迅国际贸易有限公司董事长、总经理，主要从事矿产品的国际贸易工作。E-mail:cuiwanfu@163.com。

TD97

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1004-4051(2015)02-0146-04