Основи технологій одержання та застосування додатків до дорожніх бітумів з нецільових продуктів переробки вугілля

Abstract

В дисертаційному дослідженні вирішено важливе науково-практичне завдання – одержано модифікуючі та пластифікуючий додатки до дорожніх бітумів з нецільових продуктів переробки вугілля, зокрема, з кумаронінденвмісних фракцій летких продуктів коксування вугілля і смоли низькотемпературної газифікації високосірчистих твердих горючих копалин. Запропоновано одержувати кумарон-інденову смолу як модифікатор дорожніх нафтових бітумів. Встановлено, що синтез такого модифікатора необхідно проводити із використанням сировини кумарон-інденового типу з відносно вузьким температурними межами википання (наближено – 140-190 °С). Оптимальним каталізатором даного процесу є TiСl4. Вивчено вплив основних чинників (кількості каталізатора в реакційному середовищі, температури, тривалості) на процес одержання кумарон-інденового модифікатора (КІМ); на основі результатів експериментальних досліджень визначено їх оптимальні значення. Встановлено, що максимально позитивно КІМ впливає на температуру розм’якшення в’яжучого (tрозм.) і його адгезійні властивості. Зі зростанням tрозм., закономірно, погіршуються дуктильність і пенетрація бітуму. Оскільки для забезпечення максимального значення показника зчеплення бітуму з поверхнею мінерального матеріалу витрата КІМ є надто великою (≥ 7,0 % мас.), то його вирішено класифікувати виключно як термопластичний модифікатор. Для нівелювання негативного впливу кумарон-інденового модифікатора на дуктильність і пенетрацію бітуму, поряд з ним до в’яжучого необхідно додавати пластифікатор. Вивчено можливість покращення адгезійних властивостей КІМ внаслідок введення в нього додаткової кількості кисневмісних груп. Для цього з вузької кумарон-інденової фракції 130-190 ºС, використовуючи різнотипні ініціатори отримано кумарон-інденові модифіктатори з кисневмісними функційними групами, зокрема: з карбоксильними (КІМ-К) й епоксидними групами (КІМ-Е), а також метакрилатними фрагментами (КІМ-М). Вивчено вплив основних чинників (кількості ініціатора в реакційній суміші, температури, тривалості) на процес одержання кумарон-інденових модифіктаторів з додатковими кисневмісними функційними групами і встановлено близькі до оптимальних їх значення. ІЧ-спектроскопічними дослідженнями підтверджено структуру синтезованих додатків, зокрема, присутність у їх молекулах карбоксильних груп, епоксидних груп чи метакрилатних фрагментів. На основі досягнутого покращення показників адгезії модифікованого бітуму (відносно вихідного в’яжучого) визначено ефективність досліджуваних модифікаторів. Для КІМ-К вона становить 59,5 % для показника зчеплюваності зі склом і 25,0 % для показника зчеплюваності зі щебенем; для КІМ-Е – 76,2 % і 25,0 %, відповідно; для КІМ-М – 52,4 % і 15,0 %, відповідно. Ефективності жодного з досліджуваних додатків (КІМ-К, КІМ-Е і КІМ-М) недостатньо для забезпечення нормативних вимог до показників зчеплюваності з поверхнею мінерального матеріалу. З вузької кумарон-інденової фракції 140-190 ºС і карбазолу, використовуючи як каталізатор TiСl4, отримано кумарон-інденовий модифіктатор з азотовмісною функційною групою (КІМ-А). Встановлено, що температура відгонки непрореагованої сировини від (ко)олігомеризату суттєво впливає на кількість і характеристики КІМ-А. Вивчено вплив основних чинників (кількості каталізатора і карбазолу в реакційному середовищі, температури, тривалості) на процес одержання КІМ-А; на основі результатів експериментальних досліджень встановлено їх оптимальні значення. Встановлено характер впливу кумарон-інден-карбазольного модифікатора на характеристики дорожнього бітуму. Так, введення в структуру КІМ азотовмісної функційної групи максимально позитивно вплинуло на адгезійні характеристики в’яжучого. Остання забезпечила зменшення дозування модифікатора з 7,0 % мас (для КІМ) до 1,0 % мас. (для КІМ-А) з огляду на одержання товарного модифікованого бітуму марки БНД-А 70/100. Проведено випробування бітуму, модифікованого КІМ-А. Зокрема, приготовано асфальтобетонну суміш, відповідний їй асфальтобетон і проаналізованого його характеристики. Досліджено основні фізико-хімічні і технічні закономірності низькотемпературної газифікації низькоякісного високосірчистого бурого вугілля як способу одержання пластифікуючого додатка до дорожніх бітумів. Вибрано умови процесу низькотемпературної газифікації, зокрема: тип сировини – буре вугілля; розмір частинок сировини – 0,1-0,25 мм; лінійна швидкість руху оксиданту – 0,0250 м/с. Встановлено, що за кратності витрати оксиданту –2,4 м /(год∙кг), вмісту водяної пари в оксиданті – 70 % об., температурі – 425 ºС і тривалості – 15 хв можна отримати продукт (смолу розкладу органічної частини вугілля), який є ефективним пластифікатором дорожніх бітумів. Його додавання до в’яжучого, модифікованого КІМ покращує пластичні властивості останнього, при цьому практично не зменшує температуру розм’якшення. Збільшення дозування пластифікатора призводить до зростання пенетрацї і дуктильності отриманої суміші. Розроблено технологічні аспекти одержання і застосування модифікуючих і пластифікуючого додатків до дорожніх бітумів, зокрема: складено матеріальні баланси процесів виробництва модифікуючих і пластифікуючого додатків і модифікування ними бітумів; запропоновано відповідні технологічні схеми; проведено оцінку економічної доцільності пропонованих технологій. The dissertation study solved an important scientific and practical task - to obtain modifying and plasticising additives to road bitumen from non-target coal processing products, in particular, from coumarone-indene-containing fractions of volatile coal coking products and resin from oxidative desulphurisation of high-sulphurous solid fossil fuels. It is proposed to produce coumarone-indene resin as a modifier of road petroleum bitumen. It was found that CIM has the most positive effect on the softening point of bitumen and its adhesive properties. Since the consumption of CIM is too high (≥ 7.0 % wt) to ensure the maximum value of the adhesion index of bitumen to the surface of the mineral material, it was decided to classify it exclusively as a thermoplastic modifier. To offset the negative effect of the coumarone-indene modifier on the ductility and penetration of bitumen, a plasticizer must be added to the binder along with it. The possibility of improving the adhesive properties of CIM by introducing an additional number of oxygen-containing groups (carboxyl, epoxy, and methacrylate fragments) was studied. The effectiveness of none of the additives obtained is sufficient to meet the regulatory requirements for the adhesion to the surface of the mineral material. A coumarone-indene modifier with a nitrogen-containing functional group (CIM-A) was obtained from a narrow coumarone-indene fraction of 140-190 °C and carbazole using TiCl4 as a catalyst. This group provided a reduction in the dosage of the modifier from 7.0 % wt (for CIM) to 1.0 % wt (for CIM-A), in view of obtaining commercial modified bitumen of «БНД-А 70/100» grade. The main physicochemical and technical regularities of low-temperature gasification of low-quality high-sulfur lignite as a method of obtaining a plasticizing additive for road bitumen are investigated. Technological aspects of obtaining and applying modifying and plasticizing additives to road bitumen have been developed.