Поверхностно-активное вещество, битумная эмульсия с его использованием и способ ее приготовления
Владельцы патента RU 2353638:
Нуриев Марат Абдулхаевич (RU)
Хозин Вадим Григорьевич (RU)
Изобретение относится к получению эмульгаторов для производства битумных эмульсий, к производству битумных эмульсий и может быть использовано для создания защитных антикоррозионных, гидроизоляционных, кровельных и дорожных покрытий. Изобретение касается битумной эмульсии, содержащей битум, водный раствор эмульгатора из поверхностно-активного вещества, щелочи и воды, с использованием вторичного продукта переработки хлопкового масла, дополнительно в качестве эмульгатора взяты промышленные отходы переработки сахарной свеклы, 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. Также изобретение касается способа приготовления битумной эмульсии. 2 н. ф-лы, 2 табл.
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.
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 (рС20). Величины рС20 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 3,1×106 г/м2 и 2,5×106 г/м2 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.
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 рС20 смеси 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 |
0,8 1,2 |
0,6 1,0 |
0,28 0,32 |
0,15 0,2 |
0,22 0,26 |
0,22 0,25 |
0,21 0,23 |
0,18 0,22 |
0,21 0,23 |
0,30 0,35 |
0,25 0,28 |
1. Битумная эмульсия, содержащая битум, водный раствор эмульгатора из поверхностно активного вещества, щелочи и воды, с использованием вторичного продукта переработки хлопкового масла, отличающаяся тем, что дополнительно в качестве эмульгатора взяты промышленные отходы переработки сахарной свеклы, 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 |
2. Способ приготовления битумной эмульсии, включающий использование вторичного продукта переработки хлопкового масла, приготовление водного раствора эмульгатора путем смешивания поверхностно-активного вещества с водой и щелочью, и последующее введение в раствор эмульгатора разогретого битума, отличающийся тем, что для приготовлении раствора эмульгатора в качестве поверхностно-активного вещества берут промышленные отходы переработки сахарной свеклы, 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 |
