Structures and Properties of Semi-blown Petroleum Asphalt · PDF file한국석유공업(주)...

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Appl. Chem. Eng., Vol. 22, No. 6, December 2011, 664-671 664 세미 -브로잉 공정에서 석유 아스팔트의 구조 , 물성 변화 민경의정한모* ,한국석유공업() 기술연구소, *울산대학교 자연과학대학 화학과 (2011822일 접수, 2011926일 심사, 2011117일 채택) - Structures and Properties of Semi-blown Petroleum Asphalt Kyung Eui Min and Han Mo Jeong* ,R&D Institute, Korea Petroleum Industrial Co. Ltd., Ulsan 680-090, Korea *Department of Chemistry, University of Ulsan, Ulsan, 680-749, Korea (Received August 22, 2011; Revised September 26, 2011; Accepted November 7, 2011) 무촉매 공기 브로잉 공정에서 석유계 감압 잔사유로부터 세미-부로운 아스팔트를 제조하는 경우, 시간에 따른 아스팔 트의 조성, 구조, 물리적 성질의 변화를 조사하였다. 공기 브로잉에 의해 지방족 탄화수소 성분이 방향족 탄화수소 성분으로 전이되고, 고분자화 되어 아스팔텐 성분이 증가함을 박막크로마토그래피를 이용한 조성 분석에서 관찰하였 . 처리시간에 따른 방향족화와 고분자화 정도의 증가는 1 H-NMR, 열시차분석, 그리고 열중량분석에서도 확인할 수 있었다. 이러한 아스팔트의 조성과 구조의 변화는 침입도의 감소, 연화점과 인화점의 증가를 초래하였다. The vacuum residue of petroleum refinery, i.e. asphalt, was modified through a non-catalytic air blowing process to prepare the semi-blown asphalt. Changes in composition, chemical structure, and physical properties of asphalt were examined. The result from the thin layer chromatography showed that the asphaltene content in asphalt was increased by the air blowing on account of the aromatization of aliphatic hydrocarbon and condensation. These changes in molecular structure were also confirmed by 1 H-NMR, differential scanning calorimetry, and thermogravimetry. Because of the molecular structure changes, the penetration of asphalt was decreased and the softening point and the flash point of asphalt were increased. Keywords: semi-blown asphalt, air blowing process, asphaltene, molecular structure, thermal properties, physical properties 1. 1) 아스팔트 (asphalt) 혹은 비투멘 (bitumen)은 천연의 석탄 또는 석유에서 산출되는 검정 혹은 갈색의 점성 액체 또는 점탄성 고체로서, 분자량이 큰 탄화수소 및 이의 유도체를 주성분으로 하는 역청질 물질이다[1,2]. 석유계 아스팔트는 이들이 갖고 있는 독특한 물리 화학적 성질로 인 하여 수 세기동안 다양한 산업분야에서 응용되어 왔다. 아스팔트의 주성분은 탄화수소화합물이며, S, N, O 등의 관능기를 갖는 소량의 heterocyclic 화합물들이 포함되어 있고, 극히 소량의 금속 (Fe, Mg, Ni, Ca )들이 카르복실산염, porphyrine 등과의 착염 형태, 혹은 산화물형태로 존재하고 있다[2,3]. 그러나 상세 원자 조성은 원 유의 원산지, 그리고 후처리 공정에 따라서 다르다. Saturates-Aromatics-Resines-Asphaltenes analysis (SARA 분석법)의하면 아스팔트는 크게 n-헥산에 용해되는 말텐(maltene) 성분과 용해 되지 않는 아스팔텐(asphaltene, As) 성분으로 대별할 수 있다. 또한, 말텐 성분은 n-헵탄에 용해되는 포화탄화수소화합물(saturates, Sa), 루엔에 용해되는 방향족 탄화수소화합물(aromatics, Ar), 그리고 톨루 엔과 메탄올과의 혼합 용제에 용해되는 성분으로서 알킬화 및 사이클 † 교신저자 (e-mail: [email protected]) 로 알킬화된 방향족 고리계(alkylated and cycloalkylated aromatic rings) 화합물인 석유수지(resin, Re)로 세분된다. 이 중에서 아스팔트의 물성 을 좌우하는 아스팔텐 성분은 방향족 고리 620개가 축합된 다중핵 방향족 화합물에 알킬 측쇄가 부착된 Figure 1과 같은 구조를 가진다 [4]. 고분자량인 아스팔텐 성분은 상대적으로 저분자량인 말텐 성분에 분산되어 있는 성상을 가지며, Figure 2에서 보는 바와 같이 방향족 성분들이 아스팔텐과 말텐 성분의 계면에 놓이면서, 아스팔텐의 분산 을 안정화시킨다. 아스팔텐 성분이 적어 독립적으로 분산되어 있는 경우는 졸형 아스팔트, 아스팔텐 성분이 많아 연결된 경우는 겔형 아 스팔트가 된다[5]. 증류공정을 통하여 석유로부터 분리된 직류아스팔트는 산화-축중합 반응(oxidation-polycondensation), 개질화 반응(modification), 가류반응 (vulcanization) 등 다양한 고성능화 공정을 거쳐 사용 목적에 적합한 물성으로 변성시킬 수 있다. 이중 산화-축중합 반응에는 고온에서 아스 팔트에 공기를 불어 넣는 공기 브로잉(air blowing) 공정(Figure 3)활용되며, 탈수소화 즉 방향족화(dehydrogenation or aromatization) 반응 , 축중합 반응 , 산화반응 등이 유발되어 , 직류아스팔트의 점성 , 경도 , 내열성 등이 향상된다. 황산구리, 염화아연, 염화철 등을 촉매로 사용 하는 촉매 공기 브로잉 공정(catalytic air blowing process)에서는 풀- 브로운 아스팔트(full-blown asphalt)가 얻어지며, 촉매를 사용하지 않는

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  • Appl. Chem. Eng., Vol. 22, No. 6, December 2011, 664-671

    664

    - ,

    *,

    () , *

    (2011 8 22 , 2011 9 26 , 2011 11 7 )

    -

    Structures and Properties of Semi-blown Petroleum Asphalt

    Kyung Eui Min and Han Mo Jeong*,

    R&D Institute, Korea Petroleum Industrial Co. Ltd., Ulsan 680-090, Korea

    *Department of Chemistry, University of Ulsan, Ulsan, 680-749, Korea

    (Received August 22, 2011; Revised September 26, 2011; Accepted November 7, 2011)

    - ,

    , , .

    ,

    . 1H-NMR, ,

    . , .

    The vacuum residue of petroleum refinery, i.e. asphalt, was modified through a non-catalytic air blowing process to prepare

    the semi-blown asphalt. Changes in composition, chemical structure, and physical properties of asphalt were examined. The

    result from the thin layer chromatography showed that the asphaltene content in asphalt was increased by the air blowing

    on account of the aromatization of aliphatic hydrocarbon and condensation. These changes in molecular structure were also

    confirmed by 1H-NMR, differential scanning calorimetry, and thermogravimetry. Because of the molecular structure changes,

    the penetration of asphalt was decreased and the softening point and the flash point of asphalt were increased.

    Keywords: semi-blown asphalt, air blowing process, asphaltene, molecular structure, thermal properties, physical properties

    1. 1)

    (asphalt) (bitumen)

    ,

    [1,2].

    .

    , S, N, O

    heterocyclic ,

    (Fe, Mg, Ni, Ca ) , porphyrine ,

    [2,3].

    , .

    Saturates-Aromatics-Resines-Asphaltenes analysis (SARA )

    n- (maltene)

    (asphaltene, As) . ,

    n- (saturates, Sa),

    (aromatics, Ar),

    (e-mail: [email protected])

    (alkylated and cycloalkylated aromatic rings)

    (resin, Re) .

    620

    Figure 1

    [4].

    , Figure 2

    ,

    .

    ,

    [5].

    -

    (oxidation-polycondensation), (modification),

    (vulcanization)

    . -

    (air blowing) (Figure 3)

    , (dehydrogenation or aromatization)

    , , , , ,

    . , ,

    (catalytic air blowing process) -

    (full-blown asphalt) ,

  • 665- ,

    Appl. Chem. Eng., Vol. 22, No. 6, 2011

    Figure 1. Chemical structure of asphaltene.

    Figure 2. Sol-gel structure model of asphalt.

    Table 1. Physical Properties of Asphalts

    Sample Blowing time (min) Penetration (deci-mm)Softening point

    Flash point ()Temperature () Increase (/h)

    AP-0 0 - - - 250

    AP-9 90 265 35 23.3 264

    AP-14 140 142 40 17.1 -

    AP-18 180 89 44 14.6 265

    AP-21 210 69 47 13.4 -

    AP-24 240 53 50 12.5 278

    Figure 3. Air blowing pilot plant.

    - (semi-blown as-

    phalt) . - -

    . , - -

    ,

    , -

    .

    , ,

    . , -

    [6-11], - ,

    .

    , .

    2.

    2.1. -

    (root) (

    (), S50), ( : 15 L, : 0.68 m,

    : 2.2 m, inlet nozzle : 5 mm),

    25% (Knock-out

    vessel, : 2 L, : 0.33 m, : 0.6 m)

    - (Figure 3) . SK

    (vacuum residue, 70 Saybolt Furol : 100 sec)

    80% 12 kg , 220 ,

    0.1 kgf/cm2 1.74 m

    3/min,

    145 L/minkg

    . Table 1

    . , AP-14 140 min -

    .

  • 666

    , 22 6 , 2011

    (a)

    (b)

    Figure 4. TLC chromatograms of asphalts : (a) AP-0 and (b) AP-24.

    Figure 5. Compositions of asphalts from SARA analysis.

    Figure 6. Chemical constituents transitions during air blowing process.

    2.2. (Thin layer chromatography, TLC)

    TLC , (FID) Iatron Labo-

    ratories Inc.() IatroscanTM

    MK-6/6S SARA

    . , 1 g dichloromethane 100 mL

    24 h , ( )

    1 h , 1

    n- 30 min , 2 20 min ,

    / ( : 95/5) 5 min

    3 (triple repeated elution developing)

    , FID

    .

    2.3.

    Bruker Avance

    III 300 (NMR) . ,

    0.005 g C6D6 (shift factor; 1H(7.15)) CS2 10 mL

    24 h 5 mm

    25 . 1H-NMR (

    1H)

    300 MHz .

    (differential scanning calorimetry, DSC) Netzsch Gera-

    tebau GmbH DSC 204 F1 Phoenix (20

    mL/min) -100 , 10 /min

    200 (Tg) (Tm)

    .

    (thermogravimetry, TGA) Netzsch Geratebau GmbH

    TG 209 F1 Iris , 10.00 mg 30

    10 /min 800 .

    (Softening point, SP) ASTM D 36 Walter Herzog

    GmbH HBR-754 ,

    (Penetration, PN) ASTM D 5 Precision 73515

    .

    (Flash point) ASTM D 92 Instrumentation Scientific

    Laboratory (Cleaveland Open Cup,

    COC) SC-355 .

    3.

    3.1.

    (Figure 3) TLC

    SARA Figure 4 ,

    Figure 5 .

    (saturates, Sa)

    , (aromatics, Ar)

    , (resin, Re)

    , (asphaltene, As)

    . Sa

    Sa 220

    . , Sa Ar

    . Figure 6

    , Sa

    Ar , Re As

  • 667- ,

    Appl. Chem. Eng., Vol. 22, No. 6, 2011

    Table 2. Structural Properties of Asphalts

    Sample Colloid instability index (Ic) N Hsat/Har

    AP-0 0.48 24.9 522

    AP-9 0.36 19.0 -

    AP-14 0.27 18.2 -

    AP-18 0.34 17.8 303

    AP-21 0.38 17.7 -

    AP-24 0.39 17.2 149

    (a) (b) (c)

    Figure 7. 1H-NMR spectra of asphalts : (a) AP-0, (b) AP-9, and (c) AP-24.

    . Sa

    , Ar Re , As

    .

    Sa As

    [8-11], -

    . Boduszynski[8]

    Sa , Quddus

    [9] -

    (FeCl3, 0.3 wt%) , 0.002 mL/minkg, ,

    240 15 h -

    - ,

    Sa , (naphthene aromatics, nap-Ar),

    (polar-Ar), As ,

    , Sa polar-Ar

    , Sa, nap-Ar, polar-Ar

    As .

    , [As+Sa]/[Re+Ar]

    (colloidal instability index, Ic) Gaestel [12]

    , Ic Table 2 ,

    ,

    .

    ,

    .

    ,

    AP-24 1.8 wt%

    , , H2S, CO2, H2O

    .

    3.2.

    1H-NMR Figure 7 ,

    (Har) 7.2 ppm ,

    (Ho) 5.5 ppm ,

    (Hsat) 03 ppm

    [13,14]. Hsat ,

    - (H) 23 ppm, -

    (H) 12 ppm,

    - ,

    (H) 01 ppm

    [16]. 03 ppm

    H , -

    , N (

    ). Table 2 ,

    N , aromaticity . 23 ppm

    N, O, S heteroatom

    , heteroatom

    6% [9]. heteroatom

    H2O, SO2 ,

    .

    N H .

    Figure 7(a) Har 6.87.5 ppm

    7.16 ppm ,

    , C6D6

    . Har Hsat

    (Hsat/Har) 1H-NMR

    , CS2 1H-NMR

    Hsat/Har Table 2 . Table 2

    ,

    . Figure 1

    sp2

    Har .

  • 668

    , 22 6 , 2011

    (a)

    (b)

    Figure 8. DSC thermograms of asphalts : (a) AP-9 and (b) AP-24.

    Table 3. Thermal Properties of Asphalts

    AsphaltTg Tm

    Tg () Cp (J/gK) Tm () Hm (J/g)

    AP-9 -1.3 0.388 40.1, 60.0, and 75.3 1.469

    AP-14 3.8 0.269 40.3, 62.6, and 75.9 1.685

    AP-18 7.4 0.247 42.5, 65.3, and 76.1 1.897

    AP-21 8.7 0.229 42.5, 64.8, and 76.7 2.143

    AP-24 10.3 0.193 42.5 and 74.3 2.359

    1H-NMR , Hsat Har

    , Table 2 Hsat/Har

    [15]. Hsat/Har

    .

    3.3.

    AP-9 DSC thermogram Figure 8(a) , -1.3

    (Tg) ,

    ,

    [17,18]. Figure 8(b)

    AP-24 DSC thermogram

    .

    Table 3 ,

    Tg , Tg (Cp)

    .

    ,

    . Masson

    Tg Sa -88-60 , Ar -34-15 , Re

    1020 , As 4060 ,

    AP-9 Strategic Highway

    Research Program (SHRP) Performance Grading (PG )

    (Materials Reference Library (MRL) ; AAN)

    Tg -19 [19]. , Adedeji

    AP-21 PG ( MRL ; AAE-1)

    Tg -2.9 [20], Memon AP-18 PG

    (SHRP PG-(58-10)) Tg -9.2 [21]

    .

    PG Tg .

    (Tm) (Hm)

    .

    (

    )

    ,

    ,

    .

    TGA Figure 9 ,

    . 200

    (highly volatile

    matter, HV) , 250500

    (medium volatile

    matter, MV) , -

    , 550650

    (combustible materials, CM)

    . (residuals,

    RD) (ash) . HV

    200 Sa Ar , MV Ar

    Re , CM

    Re As . Table 4

    HV MV , CM

    RD .

    , .

    Freeman-Carroll[22] (1)

    .

    (1)

    w t , Wr , Ea

    (J/mol), T (K), R (8.314 J/mol

  • 669- ,

    Appl. Chem. Eng., Vol. 22, No. 6, 2011

    Table 4. The Results by TGA

    SampleComposition (wt%)

    Highly volatile matters Medium volatile matters Combustible materials Residuals

    AP-0 30.9 67.6 1.4 0.1

    AP-9 13.3 79.8 3.8 3.1

    AP-14 2.1 81.9 8.9 7.1

    AP-18 2.0 68.3 22.4 7.3

    AP-21 0.6 67.2 23.0 9.2

    AP-24 0.0 60.8 24.1 15.1

    (a)

    (b)

    Figure 9. TGA thermograms of asphalts : (a) AP-9 and (b) AP-24.

    Figure 10. Freeman-Carroll plots of TGA data : () AP-14, ()

    AP-18, () AP-21, and () AP-24.

    K), n .