EMULSIONES de BETÚN: TECNOLOGÍA ACTUAL y NUEVOS RETOS

Granada – 26 de Febrero de 2007

Didier LesueurPolo de EmulsionesEurovia/ProbisaPinto (Madrid)

Las emulsiones de betún

Tecnología Actual

Rotura

Nuevo proceso de fabricación

Conclusiones

Las emulsiones de betún

Tecnología Actual

Rotura

Nuevo proceso de fabricación

Conclusiones

8 millones de toneladas anuales

Las emulsiones de betún

fuente: SFERB 2002

2.3

1.1

0.6 0.50.4

0.3 0.30.2 0.1 0.1

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Prod

ucci

ón a

nual

(Mt)

Estados

Unidos

Francia

Mex

icoBra

sil

Españ

aJa

pón

Tailan

dia

Reino U

nidoIta

lia

Corea

del Sur

Dos categorías:emulsiones a Rotura Rápida (Regar)

emulsiones a Rotura Lenta (Envolver)

Formulación de las emulsiones de betún

IngredientesBetún típicamente al 60-65 %(Fluidificante)Emulsionante

0,1-0,3 % s/e (rápidas)0,3-2,0 % s/e (lentas)

Formulación de las emulsiones de betún

1. Fase dispersa de alta viscosidad

2. Contiene tensioactivos naturales en calidad y cantidad que depende del crudo

El betún

La viscosidad del betún

10

100

1000

10000

100000

80 100 120 140 160 180

temperatura (ºC)

visc

osid

ad (m

Pa.s)

160/22070/10010/20

Los tensioactivos del betún

fuente: Durrieu, BLPC Sp. W, 1977

catiónicos (anfóteros)

aniónicos

Los tensioactivos del betún

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

2 4 6 8 10 12 14pH

ζ (m

V)

Betún ABetún B

fuente : Baudet, JCIS 239, 2001

¿Papel de los asfáltenos?

fuente : Yeung, Proc. Roy. S. Lond. B455, 1999

¿Papel de los asfáltenos?

1. Estabiliza la emulsión

2. Permite una rotura controlable

3. Favorece la adhesión entre betún y árido

El papel del emulsionante

• Aminas Grasas

• Aminas Grasas Etoxiladas

• Amidoaminas

• Imidazolinas

Emulsionantes (Catiónicos)

1. Emulsionante del betún

2. Rotura activada por pHR-NH2 + H+ R-NH3

+ (pKa ~ 8,0-10,6)

3. Buena adhesión con las superficies minerales

¿Porque las aminas?

Fabricación

Agua Emuls. Betún

20-50ºC 140ºC

90ºC

Fabricación

Granulometría

0

1

2

3

4

5

6

7

0.1 1 10 100 1000

diametro mediano (micras)

cant

idad

(%)

d50 =2-20 m

Las emulsiones de betún

Tecnología Actual

Rotura

Nuevo proceso de fabricación

Conclusiones

Estabilidad

DLVO validadoTakamura, Flocculation in Biotechnology and Separation Systems, Y. A. Attia Ed., Elsevier, 1987Laroche et al., JCIS 250, 2002 Rodríguez Valverde et al., CSA 222, 2003

Estabilidad

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

2 4 6 8 10 12 14pH

ζ (m

V)

Betún ABetún B

ESTABLE

INESTABLE: ROTURA

r

Rotura de las emulsiones de betún

fuente: Bonakdar, CSA 176, 2001

t=0 t=1heure t=2 heures 10 m10 m10 m

Desestabilización de una emulsión de betún

fuente: Bonakdar, CSA 176, 2001 / Philip, Langmuir 17, 2001

fuente: Keddie, Macromol 28, 1995

Rotura sin desestabilizar: igual que un látex

Sin desestabilizar Desestabilización : gelificación

Cinética de evaporación

(días)

A. FILM CONTINUO

Cinética de Contracción (min)

B. CONTRACCIÓN DE GEL

Rotura de las emulsiones de betún

dl

Film no siempre homogéneo…

fuente: Lesueur, IJRMPD 2, 2001

¿Qué pasa alrededor de una superficie mineral?

fuente: SFERB, 1988

Conclusiones sobre la rotura

DLVO validado

2 rutas: sin/con desestabilización

¿Cómo ocurre la rotura sobre una superficie mineral?

¿Cómo relacionar esos mecanismos con procesos de toma de cohesión en las mezclas asfálticas?

Las emulsiones de betún

Tecnología Actual

Rotura

Nuevo proceso de fabricación

Conclusiones

Fabricar emulsiones por el método HIPR

High Internal Phase Ratio emulsiones Alto contenido en fase interna 75-95 %

Fase interna muy viscosaviscosidad por encima de 1 Pa.s

Formulación adecuada de fase acuosa

Agitación moderada

Emulsiones de betún por el método HIPR

High Internal Phase Ratio emulsiones Alto contenido en fase interna 75-95 %

Fase interna muy viscosaviscosidad por encima de 1 Pa.s

Formulación adecuada de fase acuosa

Agitación moderada

Betún a 90ºC

Emulsiones de betún por el método HIPR

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0 2 4 6 8 10 12 14 16

tiempo de agitación (min)

diam

etro

med

iano

(mic

ras)

El afinado de la emulsión

El contenido de emulsionante controla el tamaño

0.1

1

10

100

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

emulsifier in the aqueous phase (wt.%)

med

ian

diam

eter

(mic

rons

)

Surf. ASurf. B

¡Bienvenidos en el nano-mundo!

fuente: Lesueur, 4th CME, 2006

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0.1 1 10 100 1000

particle diameter (microns)

volu

me

frac

tion

(%)

Fabricación de emulsiones a medida

HIPR

Convencional

¿A donde va el emulsionante?

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

70 80 90 100

betún en la emulsión concentrada (%)

emul

sion

ante

en

la fa

se a

cuos

a de

la e

mul

sion

con

cent

rada

(%)

adsorbidolibre

20 Å2/molec.

60 nm

60 Å2/molec.

15 nm

Conclusiones sobre el método HIPR

Emulsiones de betún a medidaControl del tamaño (emulsionante)Control del emulsionante residual

Proceso de afinado inestable (rotura)¿Desorpción del tensioactivo?

Las emulsiones de betún

Tecnología Actual

Rotura

Nuevos procesos de fabricación

Conclusiones

El porque de las aminas 3 papeles del emulsionante

Las particularidades del betúnAlta viscosidad y tensioactivos propios

Mecanismos de roturaConsecuencia de la alta viscosidad del betún

Conclusiones: ¿Qué sabemos?

Fabricación: Emulsificación en régimen turbulento (molino coloidal) con balance térmico complejo Emulsificación por HIPR

Estabilidad: Tensioactivos (añadidos y del betún) y zeta potencialRotura al interfaz betún-áridoConsecuencia de la rotura en la toma de cohesión de las Mezclas Asfálticas

Conclusiones: ¿Qué queda por hacer?

Nuevos emulsionantes: Mas amigables del medio ambienteEmulsionantes sólidos

Perspectivas