乳化沥青粒度与稳定性的影响因素及其相关性考察
2024-10-18
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石基础研究 油炼制与化工 2013年7月 PETR0LEUM PR0CESSING AND PETROCHEMICALS 第44卷第7期 乳化沥青粒度与稳定性的影响因素及其相关性考察 赵品晖,范维玉,张凌波,南国枝 (中国石油大学重质油国家重点实验室,山东青岛266580) 摘要:采用激光粒度法和贮存稳定性试验考察乳化剂、皂液pH值、贮存温度、贮存时间对乳化沥青的粒 度和贮存稳定性的影响,利用灰色关联理论分析了稳定性和粒度与各因素之间的关联度,并探讨了两者之间的 相关性。结果表明:各因素对乳化沥青的平均粒径和稳定性的影响规律是一致的,两者呈现出较好的相关性。 随着乳化剂用量的增加,平均粒径减小、贮存稳定性变好,最后两者都趋于稳定;随着皂液pH值和贮存温度的 升高,平均粒径变大,贮存稳定性变差;随着贮存时间的增加,平均粒径呈变大的趋势,贮存稳定性逐渐变差。由 灰色关联分析可知稳定性与各因素之间的关联度由大到小顺序为:皂液pH值、贮存温度、乳化剂、沥青类型、贮 存时间,粒度与各因素之间关联度由大到小的顺序为:皂液pH值、贮存温度、乳化剂、贮存时间、沥青类型。 关键词:乳化沥青 平均粒径 灰色关联 贮存稳定性 乳化剂 乳化沥青是将热熔的石油沥青,经过机械作 用,以细小的微粒分散到含有乳化剂、稳定剂的水 溶液中形成的水包油乳状液。其中,乳液稳定性 沥青;乳化剂为多重胺基类化合物(MQK一1D);pH 调节剂选用化学纯的盐酸和氢氧化钠;生产乳化 沥青的设备(胶体磨)为美国DALWORTH实验 室生产的改性沥青 L化沥青组产设备;粒度分布 和乳化沥青贮存稳定性分别采用珠海欧美克公司 是乳化沥青最重要的性能指标,其对于乳化沥青 的长期贮存、远距离运输、破乳速度和固化时间等 具有重要的影响l_1 ]。影响乳化沥青稳定性的因素 生产的LS—POP(6)型激光粒度仪和上海昌吉地质 仪器有限公司生产的SYD一0655型乳化沥青贮存 稳定性试验仪进行测定。 主要包括乳化设备、剪切时间、乳化剂和助剂、皂 液pH值、乳化温度、贮存温度等,在这些影响因素 中许多都是通过对乳液粒度的影响而影响其稳定 性的。而粒度由于测试时间短、精确度高、结果可 靠,可以对乳液质量的变化进行实时监测,在乳化 沥青行业中得到了广泛应用[3 ]。灰色系统理论是 一1.2实验方法 1.2.1乳化沥青制备按照一定配比配制皂液, 调节到适当的pH值,并加热到一定的温度,然后 将皂液和加热熔融的沥青一起经过胶体磨,得乳 化沥青。 种新型工程系统理论l5],该理论提出了一种系 统的关联度分析方法[6],提供了在贫信息情况下 1.2.2粒径测定 乳化沥青的粒度用激光粒度 解决系统问题的新途径。近年来,灰色关联分析 法在沥青性能研究中得到广泛应用 ]。本课题考 察乳化剂用量、皂液pH值、贮存温度和贮存时间 仪测定,乳液稀释后置于测量池中,同时用超声分 散使溶液均质化,每个样平行测量3次。 1.2.3乳化沥青贮存稳定性测定 将乳化沥青 等因素对乳化沥青粒度和稳定性的影响规律,同 时利用灰色关联理论分析稳定性和平均粒径与各 因素之间的关联度,并探讨稳定性和平均粒径两 者之间的相关性。 注入250 mL的乳化沥青贮存稳定性试验仪中,贮 存一定的时间,分别从上部和下部取样测其蒸发 残留物含量。以上部和下部所得蒸发残留物含量 的差值表示乳化沥青的贮存稳定性,差值越小表 示稳定性越好。 1 实 验 1.1实验原材料与设备 沥青选用中国石油克拉玛依石化公司AH-70 (KSH)和中国海洋石油公司AH-70(ZHY)两种 收稿日期:2012 l1—07;修改稿收到日期:2013—02—15。 作者简介:赵品辉(1985一),男,博士,主要从事石油精细化 工、沥青和乳化沥青等方面的研究工作。 通讯联系人:范维玉,E-mail:fanwyu@upc.edu.cn。 第7期 赵品晖,等.乳化沥青粒度与稳定性的影响因素及其相关性考察 13 2结果与讨论 2.1乳化剂用量的影响 乳化剂的用量是影响乳化沥青稳定性的重要 因素之一,为此在皂液pH值为2、贮存温度为25℃ 时,考察乳化剂用量对乳化沥青贮存稳定性和平 均粒径的影响,分别见图1和图2。 乳化剂质量分数,% 图1 乳化剂含量对乳化沥青稳定性的影响 亘 巢 乳化剂质量分数,% 图2乳化剂含量对乳化沥青粒度的影响 由图1可知,在实验考察的乳化剂用量范围 内,两种乳化沥青的贮存稳定性均随乳化剂用量 的增加而变好,在乳化剂用量增加到一定程度后 趋于稳定;由图2可知,两种乳化沥青的平均粒径 均随乳化剂用量的增加而减小,在乳化剂用量增 加到2.0 ~2.5%时趋于稳定。由此可知,乳化 沥青的贮存稳定性与平均粒径随乳化剂用量的变 化呈现出较好的相关性,即平均粒径越小、稳定性 越好。因此,乳化沥青的平均粒径在一定程度上 能够反映乳化沥青的稳定性。 根据斯托克斯定律,乳液液滴的沉降速率与 颗粒尺寸成正比: t)o一 一——— ■ 一g ㈩l 式中:r为乳液中粒子的平均粒径,P和P 分别为 分散相和连续相的密度,77为连续相黏度,g为重 力加速度。因此,乳液的平均粒径越大,乳液的稳 定性越差_1。。。 当乳化剂用量较低时,沥青与水的油水界面 张力较高,沥青在水中的分散效果较差、乳化沥青 的平均粒径较大、乳液稳定性较差;随着乳化剂用 量的增加,油水界面张力逐渐降低,当乳化剂用量 增加到一定值后,乳化沥青的粒径减小、稳定性变 好并趋于稳定_1 ]。 2.2皂液pH值的影响 皂液pH值也是影响乳化效果的主要因素之 一,合适的皂液pH值能增加乳化剂的溶解性和活 性,提高乳化能力,从而提高乳化效果和贮存稳定 性,降低乳化剂用量,因此选择合适的pH值至关 重要r1。。 。为此,在乳化剂用量(锄)为2.0 、贮 存温度为25℃时,考察皂液pH值对乳化沥青贮存 稳定性和平均粒径的影响,分别如图3和图4所示。 皂液pH值 图3皂液pH值对乳化沥青贮存稳定性的影响 莹 艇 皂液pH值 图4皂液pH值对乳化沥青平均粒径的影响 由图3可知,在实验考察的皂液pH值范围 内,两种乳化沥青的贮存稳定性均随皂液pH值增 大而变差;由图4可知,两种乳化沥青的平均粒径 均随pH值增大而增大。皂液pH值大于2时,贮 存稳定性、平均粒径变化较快。由此可知,乳化沥 青的贮存稳定性与平均粒径随皂液pH值的变化 14 石油炼制与化工 2013年第44卷 呈现出较好的相关性,即平均粒径越大、稳定性越 差。对于阳离子乳化剂来说,只有在酸性条件下, 才能体现出阳离子性,才具有乳化活性;当皂液 pH值较小时,皂液中H 的浓度较高,乳化剂活性 基团质子化程度较高,乳化活性较高,沥青的分散 效果较好,使得乳液平均粒径较小、贮存稳定性较 好;随着皂液pH值的增大,乳化剂活性基团质子 化的程度降低,乳化活性降低,因此,乳化效果较 差,使得乳液的粒径增大、稳定性变差。 2.3贮存温度的影响 乳化沥青是一种热力学不稳定体系,为了更 好地考察乳液的热稳定性,在乳化剂用量(叫)为 2.0 、皂液pH值为2时制备乳化沥青,并将其分 别在5,25,45,70℃下贮存1天,测得乳化沥青的 贮存稳定性和平均粒径与贮存温度的关系分别如 图5和图6所示。 装 贮存温度/ ̄C 图5贮存温度对乳化沥青稳定性的影响 昌 ÷ 贮存温度/ ̄C 图6贮存温度对乳化沥青平均粒径的影响 由图5可知,在实验考察的贮存温度范围内, 两种乳化沥青的贮存稳定性均随贮存温度的升高 而变差。由图6可知,两种乳化沥青的平均粒径均 随贮存温度的增加而增大。由此可知,乳化沥青 的贮存稳定性与平均粒径随贮存温度的变化呈现 出较好的相关性。乳化沥青是热力学不稳定体 系,因为其比表面积很大而具有很高的能量,乳液 颗粒沉降可以降低表面积,从而使体系趋于稳定, 温度越高布朗运动越剧烈,增大了聚沉的可能性, 颗粒尺寸因此增大。同时,根据斯托克斯定律,颗 粒的沉降速率还与黏度有关,乳化沥青的黏度越 小,沉降越容易发生,而乳化沥青的黏度通常与温 度有关,温度升高黏度减小,所以高温下,沉降更 容易发生,乳液更不稳定c1引。 2.4贮存时间的影响 对于乳化沥青来说往往规定相应的贮存时 间,这是因为乳液长期贮存的过程中,乳液的稳定 性会变差。实践证明,乳液贮存过程中的稳定性 与沥青微粒的大小、体系黏度及环境条件等因素 有关。在乳化剂用量(叫)为2.0%、皂液pH值为 2、贮存温度为25℃时,乳化沥青的贮存稳定性和 平均粒径随贮存时间的变化规律分别如图7和图 278所示。 壮 贮存时间/d 图7贮存时间对乳化沥青稳定性的影响 莹 审 巢 U lU ZU jU 4U U 6U 贮存时间/d 图8贮存时间对乳化沥青平均粒径的影响 由图7可知,在实验考察的贮存时间范围内, 两种乳化沥青的贮存稳定性均随贮存时间的增加 而变差;由图8可知,两种乳化沥青的平均粒径也 随贮存时间的增加呈现出增大的趋势。由此可 知,乳化沥青的贮存稳定性和平均粒径随贮存时 2 6 第7期 赵品晖,等.乳化沥青粒度与稳定性的影响因素及其相关性考察 15 间的变化也具有一定的相关性。乳液在长期放置 过程中由于布朗运动会发生沥青微粒之间的碰撞 而导致凝聚,使得乳化沥青的粒径变大,贮存稳定 性变差。同时,重力的作用也会导致沥青微粒的 沉降或升浮,而形成凝聚层,而且贮存时间越长这 种作用越明显。无论乳液具有多么高的稳定性, 在长期放置过程中终将不可避免地形成不可逆的 凝聚体而遭破乳。 2.5贮存稳定性和平均粒径与各因素之间的灰 色关联分析 利用灰色关联分析方法对不同乳化剂用量、 不同pH值、不同贮存温度、不同贮存时问、不同沥 青类型下的乳化沥青的贮存稳定性和平均粒径进 行关联度分析,分析方法见参考文献[9]。建立不 同条件与乳化沥青贮存稳定性、平均粒径之间的相 对关联性,为乳化沥青制备工艺条件的优化设计提 供必要的参考。表1和表2分别为不同条件组合下 乳化沥青贮存稳定性和平均粒径参数汇总。 表1 不同条件组合下的乳化沥青贮存稳定性试验结果 贮存稳定性, 1.75 l_52 1.10 1.30 2.16 0.80 表2不同条件组合下的乳化沥青平均粒径试验结果 粒径 m 2.97 2.99 2.06 2.48 3.01 2.7O 按照灰色关联分析法计算得到各个影响因素 的关联度,灰色关联度计算结果见表3。 表3灰色关联度计算结果 由表3可见,对于乳化沥青贮存稳定性,皂液 pH值的影响最大,其次为贮存温度,再次为乳化 剂用量,然后为沥青类型,最后为贮存时间;对于 乳化沥青平均粒径,皂液pH值的影响最大,其次 为贮存温度,再次为乳化剂用量,然后为贮存时 间,最后为沥青类型。由此可知,对于同种沥青, 各影响因素对乳化沥青贮存稳定性和平均粒径影 响的大小顺序一致,两者具有较好的相关性,这与 前面的分析结果是一致的。同时,沥青的品种对 乳化沥青的稳定性和平均粒径也有一定的影响, 这主要与沥青自身的结构和性能有关。 3 结 论 (1)随着乳化剂用量的增加,乳化沥青的平均 粒径先减小后趋于稳定,贮存稳定性逐渐变好后 趋于稳定;随着皂液pH值的增加,乳化沥青的平 均粒径变大,贮存稳定性变差。 (2)随着贮存温度的增加,乳化沥青的平均粒 径变大,贮存稳定性变差;随着贮存时间的增加, 乳化沥青的平均粒径呈现变大的趋势,而贮存稳 定性逐渐变差。 (3)由灰色关联分析可知,乳化沥青贮存稳定 性与各影响因素之间关联度由大到小的顺序为: 皂液pH值、贮存温度、乳化剂、沥青类型、贮存时 间;乳化沥青平均粒径与各影响因素之间关联度 由大到小的顺序为:皂液pH值、贮存温度、乳化 剂、贮存时间、沥青类型。 (4)乳化沥青的平均粒径和贮存稳定性之间 具有较好的相关性,乳化沥青平均粒径的大小在 一定程度上能够反映乳化沥青的贮存稳定性。 参考文献 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size analysis and residue content difference tests.The correlation degree between stability/particle size and various factors was analyzed based on the gray relation theory,and the correlation between stability and particle size was also investigated.Results show that there are good correlations between the influencing factors with the particle size and stability of bitumen emulsion.When the dosage of emulsifier is increased,the particle size and storage stability are both reduced,creating more stable emulsions,then the trend tends to be stable at last.The particle size and storage stability are both increased as pH value of the system and storage temperature increases.The particle size and storage stability increases firstly and then comes to a plateau with storage time increasing.The gray correlation analysis shows that the correlation between the stability and various influencing factors descends in the order:pH value> storage temperature>emulsifier>asphalt type>storage time,while the correlation between the particle size and various factors decreases in the order:p H value>the storage temperature>emulsifier>storage time>asphalt types. Key Words:asphalt emulsion;particle size;grey relation;storage stability;emulsifier :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: 的排放量减少至374 g/mile(1 mile≈1.61 km),平均燃油 经济性增加至23.8 mile/gal(1 gal≈3.785 L)。消费者越 来越多地选择燃油经济性高的车辆。与5年前相比,选择 混合动力车和柴油车的人数增加了2倍,插电式电动车的 美国机动车的燃油经济性提高 美国环保署(EPA)的报告显示,2007--2012年间,美 选择量在增加,选择城市/公路燃油经济性为30 mile/gal或 更高车型的人数增加了6倍。 国汽车/轻型卡车的平均燃油经济性提高16 ;车辆平均 二氧化碳排放量下降13 。EPA预计,2012年二氧化碳 [许建耘摘译自Global Refining 8L Fuels Today, 2013—-03— 20]