Патент на изобретение №2353638

(54) ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНОЕ ВЕЩЕСТВО, БИТУМНАЯ ЭМУЛЬСИЯ С ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ И СПОСОБ ЕЕ ПРИГОТОВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

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.%:

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.%:

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

Формула изобретения

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.%:

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.%: