УЛУЧШЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БИТУМА ПОЛУЧЕННОГО ИЗ НЕФТЕШЛАМА

АННОТАЦИЯ

В данной статье приведены сведения о работах, проведённых с целью доведения физических и механических свойств битума, полученного из остатков переработки нефтешламов, до уровня требований государственного стандарта ГОСТ 22245–90. С целью повышения качества битума были применены методы термической переработки и окисления. Полученные результаты показали, что при использовании управляемого процесса окисления основные показатели битума, полученного из шламов, соответствуют требованиям ГОСТа. Данный метод имеет важное значение для повышения эффективности использования отходов, образующихся при переработке, хранении, транспортировке и других процессах связаннных с нефтью, а также для обеспечения экологической безопасности.

ABSTRACT

This article presents information on the work carried out to bring the physical and mechanical properties of bitumen obtained from oil sludge processing residues up to the requirements of the state standard GOST 22245–90. To improve the quality of the bitumen, thermal processing and oxidation methods were applied. The results showed that when a controlled oxidation process was used, the main properties of the bitumen derived from the sludge met the GOST requirements. This method is of great importance for increasing the efficiency of waste utilization generated during oil processing, storage, transportation, and other operations, as well as for ensuring environmental safety.

Ключевые слова: битум, нефтешлам, пенетрация, температура размягчения, растяжимость, углеводород, экономайзер, переработка, термическое окисление.

Keywords: bitumen, oil sludge, penetration, softening point, ductility, hydrocarbon, economizer, processing, thermal oxidation.

Введение

Битум является связующим материалом, широко применяемым в дорожном строительстве, кровельных и гидроизоляционных работах. Обычно он производится из тяжёлых остаточных фракций, образующихся в процессе вакуумной дистилляции нефти. Вместе с тем при переработке, хранении и транспортировке нефти образуется значительное количество нефтешламов. Эти шламы содержат углеводороды, воду и минеральные примеси и относятся к экологически опасным отходам [1,2].

Однако остатки, состоящие из высокомолекулярных углеводородных соединений, содержащиеся в нефтешламах, могут быть использованы в качестве вторичного сырья для производства битума. Тем не менее битумы, полученные из таких шламов, часто обладают низким качеством — характеризуются повышенной мягкостью и низкой термостойкостью. Поэтому приведение свойств битума, полученного из шламов, в соответствие со стандартом ГОСТ 22245–90 является одной из актуальных научных и практических задач.

Материалы и методы исследования

Сырьё

В качестве сырья в исследовании использовались нефтешлам, образующийся на газоперерабатывающем заводе. Их состав в среднем составлял 60–70% углеводородов, 20–25% воды и 5–10% минеральных веществ. Для сравнения в качестве образца был выбран стандартный дорожный битум марки БНД 60/90 по ГОСТу 22245–90 [3].

Подготовка шлама

Нефтешлам, образующийся в подземном хранилище Северного Сохского газонакопительного сооружения Ферганской области АО «Узтрансгаз», направлялся в установку, разработанную на основе проведённых исследований. В состав установки входил экономайзер, установленный над цилиндрическим реактором.
Ёмкость с нефтешламом соединена с выходной частью нагревателя, который подключён к верхней части экономайзера. Нижняя часть экономайзера соединена с цилиндрическим реактором. Кроме того, реактор оснащён воздушным нагнетателем, подающим воздух в змеевиковый нагревательный элемент, размещённый внутри печи для поддержания высокой температуры реакционной среды.

После отгонки нефтепродуктов при температуре до 350 °C система охлаждается атмосферным воздухом при помощи воздуходувки до 200–220 °C [4].

Затем вновь подаётся горячий воздух с помощью воздуходувки, и температура поддерживается в пределах 200–220 °C. В результате такой переработки нефтешламов с высокой эффективностью образуются не только тяжёлые фракции нефти, но и битум, который использовался в дальнейшем в качестве основного компонента синтеза.

Методы модификации

Для улучшения качества битума применялись два метода:

1. Термическое окисление — повышение содержания асфальтенов путём подачи воздуха при низком давлении при температуре 230–250 °C.
2. Обработка фосфорной кислотой — добавление 1–2% кислоты для повышения вязкости и стабильности битума.

Методы испытаний

Показатели качества образцов, полученных из нефтешламов, определялись в соответствии с требованиями ГОСТа [3,5,6]:

• Пенетрация (при 25 °C, ГОСТ 11501)

• Температура размягчения (по методу кольца и шара, ГОСТ 11506)

• Растяжимость (при 25 °C, ГОСТ 11505)

• Плотность (ГОСТ 3900)

Образцы битума  исследованы с помощью инфракрасного спектрометра Shimadzu IRSpirit FTIR (рис. 1–2).

Результаты и обсуждение

Результаты измерения показателей качества образцов, полученных из нефтешламов, в соответствии с требованиями ГОСТа, приведены в следующей таблице 1.

Таблица 1.

Основные свойства битума

Из результатов видно, что исходный битум был очень мягким и обладал низкой эластичностью. После процесса окисления температура размягчения повысилась, однако растяжимость снизилась. Основные показатели улучшились, и битум стал соответствовать требованиям ГОСТа 22245–90.

Физико-химический анализ

Полученный образец битума был исследован на инфракрасном спектрометре Shimadzu IRSpirit FTIR (инфракрасная спектроскопия) (рис. 1–2).

Рисунок 1. Спектр битума, полученного из нефтешлама

Рисунок 2. Спектр окисленного битума

Таблица 2.

Таблица сравнения спектров образцов битума.

В процессе окисления происходит частичное окисление алифатических углеводородов в составе битума, что приводит к появлению карбонильных (C=O), гидроксильных (O–H) и эфирных (C–O) групп. Это повышает твёрдость, термостойкость, плотность и вязкость битума. При этом наблюдается увеличение доли ароматических и полярных компонентов в окисленном битуме (таблица 2).

Экологическая и экономическая эффективность

Применение данной технологии позволяет сократить объём отходов переработки нефтешламов до 30% и уменьшить затраты на сырьё на 15–20%. Это обеспечивает как повышение экологической безопасности, так и экономическую выгоду.

Заключение

Проведенные исследования показали, что нефтяной шлам может быть использован в качестве важного вторичного сырья при производстве дорожных битумов. Доказано, что, управляя процессом окисления и доводя физико-химические свойства исходного битума до уровня требований ГОСТа, можно довести основные физико-механические показатели битума: пенетрацию, температуру размягчения и относительное удлинение до нормативных. Полученный продукт соответствует требованиям ГОСТа 22245–90 и может быть использован на практике при изготовлении асфальтобетонных смесей в дорожном строительстве. На последующих этапах необходимо провести испытания на длительную стабильность и термостойкость данного битума.

Список литературы:

1. Иманбаев Е. И. и др. Получение битумов с применением промышленных нефтяных шламов //Технологии нефти и газа. – 2022. – №. 1. – С. 46.
2. Redelius P., Soenen H. Relation between bitumen chemistry and performance //Fuel. – 2015. – Т. 140. – С. 34-43.
3. ГОСТ 22245–90. “Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические условия” дата введения 01.01.91. – Москва
4. Нуритдинов А. К. У., Абдуллаев О. Г. Установка для переработки нефтешлама: технологические особенности и энергоэффективность //Universum: технические науки. – 2025. – Т. 5. – №. 4 (133). – С. 43-45.
5. ГОСТ 11506–73. “Битумы нефтяные. Метод определения температуры размягчения по кольцу и шару”: дата введения 01.07.74. – Москва: Стандартинформ, 2008. – 7 с.
6. ASTM D5. “Standard Test Method For Penetration of Bituminous Materials” 2013