ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНОЕ ВЕЩЕСТВО, БИТУМНАЯ ЭМУЛЬСИЯ С ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ И СПОСОБ ЕЕ ПРИГОТОВЛЕНИЯ
SURFACE-ACTIVE SUBSTANCE, BITUMEN EMULSION WITH ITS USE AND METYHOD OF ITS PREPARATION

Изобретение относится к утилизации производственных отходов, к получению эмульгаторов для производства битумных эмульсий, к производству битумных эмульсий и использованию их в качестве защитных антикоррозионных, гидроизоляционных, кровельных и дорожных покрытий.
Известны поверхностно-активные вещества, которые применяются для приготовления эмульсий, в частности битумных. Так, известно использование вторичного продукта переработки хлопкового масла, образующегося после дистилляции жирных кислот хлопкового масла (см. патент РФ №2185878, МПК B01F 17/00, C08L 95/00, опубликовано 27.07.2002, бюл. №21). Этот продукт проявляет хорошие эмульгирующие свойства и используется в качестве эмульгатора для приготовления битумных эмульсий, препятствуя их расслоению. Его использование в качестве эмульгатора позволяет дополнительно утилизировать отходы производства переработки хлопкового масла, что позволяет решить и определенную экологическую проблему.
Для изучения структуры дефеката были использованы методы ИК-спектроскопии. Дефекат - промышленные отходы переработки сахарной свеклы - представляет собой порошкообразную массу серого цвета, его состав представлен в Таблице 1 и включает:
- безазотистые органические вещества - пектиновые вещества, кальциевые соли лимонной, щавелевой и яблочной кислот, сапонин,
- азотистые соединения - скоагулированный белок,
- минеральные вещества - кальциевые соли фосфорной кислоты, сульфаты.
20
20
∞
6
2
6
2
Исследование свойств поверхностного натяжения дефеката проводилось с использованием метода Дю-Нуи, который основан на измерении силы, необходимой для отрыва кольца от поверхности (см. Абрамзон А.А. Поверхностно-активные вещества: Свойства и применение. - Л.: Химия, 1981 - 304 с.; Абрамзон А.А. Поверхностно-активные вещества: Синтез, анализ, свойства, применение. Учебное пособие. - Л.: Химия, 1988. - 200 с.). Изучение коллоидно-химических характеристик дефеката позволило установить следующее. Мерой эффективности действия поверхностно-активных веществ служит отрицательный логарифм их концентрации, необходимый для снижения поверхностного натяжения в эмульсии на 20 мН/м (рС). Величины рС натриевых солей дефеката и вторичного продукта переработки хлопкового масла сравнимы между собой, поэтому они могут быть использованы в качестве эмульгаторов. Учитывая большое значение адсорбции на границе раздела фаз в процессе эмульгирования и связь ее со строением поверхностно-активного вещества, можно за один из критериев эффективности поверхностно-активных веществ (ПАВ) выбрать величину предельной адсорбции Г, т.е. ту поверхностную концентрацию ПАВ на границе раздела фаз, при которой образуется мономолекулярный слой. Значения предельной адсорбции солей дефеката и уже опробованного в качестве эмульгатора вторичного продукта переработки хлопкового масла достаточно близки и составляют 3,1×10 г/м и 2,5×10 г/м соответственно. Как показывают изотермы поверхностного натяжения водного растворов эмульгатора с использованием дефеката, последний сообщает битумной эмульсии уменьшение поверхностного натяжения на границе раздела сред: битума и водной, и образования защитной оболочки частиц битума.
Известна битумная эмульсия, содержащая эмульгатор, полученный путем омыления жирового отхода водным раствором щелочи при нагревании (см. описание к патенту РФ №2185878, МПК B01F 17/00, C08L 95/00, опубликовано 27.07.2002, бюл. №21). В качестве жирового отхода используют вторичный продукт переработки хлопкового масла, образующийся после дистилляции жирных кислот хлопкового масла и повышающий устойчивость эмульсии к расслоению. Соотношение компонентов указанной эмульсии, мас.%, составляет: битум 50-55, вторичный продукт переработки хлопкового масла 0,5-1,0, едкий натр 0,15-0,3 или едкое кали 0,2-0,4, вода остальное. Способ приготовления указанной эмульсии заключается в смешении воды с вторичным продуктом переработки хлопкового масла и щелочью при непрерывном перемешивании со скоростью 100 об/мин в течение 3 часов при температуре 60-80°С и последующем введении разогретого до 120°С битума в полученный раствор эмульгатора. Указанная битумная эмульсия и способ ее приготовления выбраны в качестве наиболее близкого аналога.
Задачей изобретения является повышение устойчивости эмульсии по отношению к прототипу путем большего снижения поверхностного натяжения на границе раздела сред: битума и водной, и образования более надежной защитной оболочки частиц битума. Другой задачей является расширение арсенала средств в качестве поверхностно-активных веществ для использования в виде эмульгаторов, а также утилизация отходов производств.
Задача решается составом битумной эмульсии, содержащей битум, водный раствор эмульгатора из поверхностно-активного вещества, щелочи: едкого натра или едкого кали, и воды, с использованием вторичного продукта переработки хлопкового масла - ОПХМ, в которой в отличие от прототипа дополнительно в качестве эмульгатора взят второй его компонент - промышленные отходы переработки сахарной свеклы, представляющие собой фильтрационный осадок - дефекат (ДФ), получаемый при производстве сахара и сахаристых веществ. При этом соотношение компонентов битумной эмульсии составляет, мас.%:
Битум
48-52
Вторичный продукт переработки хлопкового масла
1,5-2,5
Промышленные отходы переработки сахарной свеклы
2,5-3,5
Едкий натр или едкое кали
0,6-0,9
Вода
Остальное
Задача решается также способом приготовления битумной эмульсии, включающем использование вторичного продукта переработки хлопкового масла в качестве эмульгатора, приготовление водного раствора эмульгатора путем смешивания поверхностно-активного вещества с водой и щелочью, и последующее введение в раствор эмульгатора разогретого битума, который отличается от прототипа тем, что при приготовлении раствора эмульгатора в качестве поверхностно-активного вещества берут промышленные отходы переработки сахарной свеклы - фильтрационный осадок - дефекат (ДФ), получаемые при производстве сахара и сахаристых веществ, а вторичный продукт переработки хлопкового масла смешивают с битумом до его введения в раствор эмульгатора, при этом компоненты берут в следующем соотношении, мас.%:
Битум
48-52
Вторичный продукт переработки хлопкового масла
1,5-2,5
Промышленные отходы переработки сахарной свеклы
2,5-3,5
Едкий натр или едкое кали
0,6-0,9
Вода
Остальное
При составлении битумной эмульсии был использован битум нефтяной дорожный марки БНД 90/130, ГОСТ 22245-76; вид марки битума определяется в соответствии с учетом его эмульгирующей способности (низковязкий битум) и климатических условий района, где осуществляется дорожное строительство.
Вторичный продукт переработки хлопкового масла является кубовым остатком дистилляции жирных кислот хлопкового масла - соапстока, образующегося при производстве моющих средств, и соответствует ТУ4310-108-95 Смола госсиполовая Tsh 86-38:2001.
Состав промышленных отходов переработки сахарной свеклы - дефекат - приведен выше. Дефекат является отходом производства сахара и сахаристых веществ, осуществляемого ОАО «Буинский сахарный завод».
Едкий натр соответствует ГОСТ 4328-77.
Едкое кали соответствует ГОСТ 24363-80.
Для приготовления анионных эмульсий использована питьевая вода ГОСТ 2874-85.
Битумная эмульсия приготавливается следующим образом. Готовят водный раствор эмульгатора. Для этого в воду, нагретую до 80°С, при постоянном перемешивании со скоростью 150 об/мин вводят щелочь - едкий натр или едкое кали - в количестве, необходимом для прохождения реакции омыления и создания рН среды не ниже 7. В полученный водный раствор добавляют промышленные отходы переработки сахарной свеклы в количестве 2,5-3,5% от массы эмульсии. При перемешивании время приготовления водного раствора эмульгатора составляет 1 час. Параллельно этому процессу в разогретый до 120-130°С битум вводят вторичный продукт переработки хлопкового масла в количестве 1,5-2,5% от массы эмульсии. Далее готовят битумную эмульсию, для чего в полученный водный раствор эмульгатора тонкой струйкой вводят подготовленную смесь разогретого битума с вторичным продуктом переработки хлопкового масла, и все перемешивают со скоростью не менее 300 об/мин. Процесс перемешивания продолжают до полного введения битума в водный раствор эмульгатора.
В таблицах 1, 2 приведены примеры составов битумных эмульсий с различным количественным содержанием их компонентов, состав прототипа и требования ГОСТ 52128-2003 на битумные эмульсии.
Устойчивость битумных эмульсий в соответствии с примерами, приведенными в таблицах 1, 2, определялась по их однородности и устойчивости на сите № 0,14, % в соответствии с требованиями ГОСТ 52128-2003. Как видно из таблиц, битумные эмульсии с использованием двух эмульгаторов ДФ и ОПХМ являются более устойчивыми по сравнению с прототипом.
Попытки получить битумную эмульсию только на промышленных отходах переработки сахарной свеклы показали, что устойчивость такой эмульсии недостаточно велика. Тем не менее, битумная эмульсия с использованием промышленных отходов переработки сахарной свеклы и вторичного продукта переработки хлопкового масла имеет более высокую устойчивость по сравнению с эмульсией только на вторичном продукте переработки хлопкового масла или только на дефекате, что свидетельствует о полученном синергическом эффекте с использованием ДФ и ОПХМ.
20
Как показывают изотермы поверхностного натяжения вариантов водных растворов эмульгаторов ДФ, ОПХМ и варианта их совместного использования в эмульсии в указанных выше количествах последний вариант сообщает битумной эмульсии меньшее поверхностное натяжение, чем ДФ и ОПХМ по отдельности, что свидетельствует о наличии эффекта синергизма при использовании обоих компонентов. Величина рСсмеси натриевых солей дефеката и ОПХМ существенно ниже, выражается в относительно минимальной концентрации, необходимой для снижения поверхностного натяжения, что также характеризует синергическое действие ПАВ из ДФ и ОПХМ.
Дополнительно снижается время приготовления эмульсии за счет сокращения времени проведения реакции омыления дефеката почти в три раза. Дефекат является на настоящее время крупнотоннажным продуктом, не имеющим применения, и его утилизация является важной экологической задачей.
Таблица 1
Компоненты, мас.%
Прототип
Пр.1
Пр.2
Пр.3
Пр.4
Пр.5
Пр.6
Пр.7
Пр.8
Пр.9
Битум дорожный БНД90/130
47-50
48
50
52
50
52
48
52
48
52
Щелочь
- NaOH
0,15-0,3 или
0,7
0,75
-
0,7
0,8
0,75
0,75
-
0,9
- КОН
0,2-0,4
-
-
0,8
-
-
-
-
0,6
-
Вторичный продукт переработки хлопкового масла
0,5-1,0
2
2
2
1,5
2,5
2
2
1,5
2,5
Промышленные отходы переработки сахарной свеклы
2,5
3
3,5
3
3
3
3
2,5
3,5
Вода
остальное
46,8
44,25
41,7
44,8
41,7
46,25
42,25
47,4
41,1
Таблица 2
Свойства
Прототип
ГОСТ 52128-2003
Пр.1
Пр.2
Пр.3
Пр.4
Пр.5
Пр.6
Пр.7
Пр.8
Пр.9
Однородность на сите №0,14, %
0,4-0,5
0,5
0,2
0,1
0,3
0,14
0,12
0,1
0,1
0,24
0,17
Устойчивость на сите №0,14, %- 7 суток- 30 суток
0,81,2
0,61,0
0,280,32
0,150,2
0,220,26
0,220,25
0,210,23
0,180,22
0,210,23
0,300,35
0,250,28