CN103834423B - 一种改性煤沥青及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种改性煤沥青及其制备方法。其技术方案是：先将30~40份质量的煤沥青置入带有回流装置的反应釜内，然后在75~95℃条件下，向反应釜内加入57~67份质量的混合溶剂，搅拌10~15min，搅拌速度为100~150r/min；再在相同温度和搅拌速度的条件下，加入1.8~3.5份质量的改性剂和0.20~0.35份质量的催化剂，搅拌1~4h，得到改性煤沥青混合物；最后将所得改性煤沥青混合物在95~110℃条件下，采用减压蒸馏方法回收溶剂，得到改性煤沥青。本发明具有工艺简单、反应温度低、改性剂用量少、溶剂可回收、成本低和能有效降低煤沥青中多环芳烃3,4-苯并芘含量的特点。
Description
技术领域
本发明属于煤沥青技术领域。具体涉及一种改性煤沥青及其制备方法。
背景技术
煤沥青是煤焦油加工过程中分离出的大宗产品，占煤焦油总量的50~60wt%，其加工利用水平和效益对整个煤焦油加工至关重要。目前，煤沥青主要用于碳素电极的粘结剂和浸渍剂，亦用于炭黑、防腐涂料、针状焦和碳纤维等，由于下游的需求量有限，煤沥青严重产能过剩。
上世纪70年代以来，德国、瑞士、法国和波兰等许多国家先后生产和使用煤-石油基混合沥青用于铺路。长时间的使用表明，用煤-石油基混合沥青所铺路面的抗变形性能强、抗磨性好、行车的安全性能增加，尤其在雨天等恶劣气候条件下性能保持良好。另外，煤沥青成本低，价格仅为石油沥青的40~50%，如用煤沥青代替石油沥青铺路不仅能有效缓解我国路用沥青供不应求的局面，还可大幅度降低公路工程的施工建造成本。因此，用煤沥青作为路用沥青，不仅能提高煤沥青的附加值及解决煤沥青过剩的问题，且对于提高我国高速公路沥青质量、解决我国石油沥青品质不高和产品短缺的问题都具有十分重要的意义。
由于煤沥青中含有多环芳烃致癌物3,4-苯并芘等，实际上制约了煤沥青用于铺路。对此，人们开展了大量的研究，取得了一定的成果：德国采用真空蒸馏法（US 5262043），该方法用一个蒸发面积为330-1000m2/m3的蒸发器，在压力为1MPa，温度为300~380℃时将煤沥青减压蒸馏，煤沥青在蒸发器停留时间为2~10min，得到的煤沥青虽所含的3,4-苯并芘小于50 ppm，但该工艺所用设备的制造成本高，耗能大；波兰采用聚合改性法（Janusz Zieliński(Benzo[a]pyrene in coal tar pitch: chemical conversion in situ by alkylation，fuel ,75, 1543-1548,1996)，用聚乙二醇（分子量>1500）作为聚合改性剂，在160℃下反应0.5~5h，3,4-苯并芘降低率可达到90%，但此方法需要的聚合物量高达30%，成本高；我国学者（张秋民用聚合物试剂减少煤沥青中3,4-苯并芘的研究，煤化工，2007（1），58-60）添加4％的古马隆-茚树脂到煤沥青中，3,4-苯并芘脱除率达到46.78％，但该方法对3,4-苯并芘的脱除有限，达不到煤沥青筑路准入标准的要求。
总之，目前还没有高效且符合工业化生产的技术。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种工艺简单、反应温度低、改性剂用量少、溶剂可回收和成本低的改性煤沥青的制备方法；用该方法制备的改性煤沥青中的3,4-苯并芘的含量能得到有效降低。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案的具体步骤是：
步骤一、先将30~40份质量的煤沥青置入带有回流装置的反应釜内，然后在75~95℃条件下，向反应釜内加入57~67份质量的混合溶剂，搅拌10~15min，搅拌速度为100~150r/min；再在相同温度和搅拌速度的条件下，加入1.8~3.5份质量的改性剂和0.20~0.35份质量的催化剂，搅拌1~4h，得到改性煤沥青混合物。
步骤二、将步骤一所得改性煤沥青混合物在95~110℃条件下，采用减压蒸馏方法回收溶剂，得到改性煤沥青。
所述煤沥青为中温煤沥青或为低温煤沥青，煤沥青的粒径为50~60目；其中：中温煤沥青的软化点为75~ 95℃，低温煤沥青的软化点为45~75℃。
所述混合溶剂为无水乙醇与甲苯的混合溶剂，无水乙醇︰甲苯的质量比为1︰0.5；或混合溶剂为无水乙醇与N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂，无水乙醇︰N,N-二甲基甲酰胺的质量比为1︰0.4。
所述改性剂为酸酐类或为芳醇类：酸酐类为马来酸酐、丁二酸酐、邻苯二甲酸酐、乙酸酐、四氢苯酐、甲基六氢苯酐、苯甲酸酐、二甲基马来酸酐、三氯乙酸酐和戊二酸酐中的一种；芳醇类为聚乙二醇或为邻苯二甲醇。
所述催化剂为对甲苯磺酸或为无水氯化铝。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明采用常规反应器，搅拌速度为100~150r/min，在75~95℃条件下反应，改性剂用量为煤沥青用量的6~9wt％，采用减压蒸馏回收溶剂。故工艺简单、改性剂用量少、反应温度低和成本低。
2、煤沥青是一种非常复杂的化合物，其中的多环芳烃如茚、苊、芘、蒽等与3,4-苯并芘具有相似的化学结构，通常条件下煤沥青与聚合物改性剂反应时，这些多环芳烃都会与改性剂反应，而实际与3,4-苯并芘反应的量少，从而导致3,4-苯并芘降低率小，若要增大3,4-苯并芘的降低率，不但要加大改性剂用量，而且改性后的煤沥青分子结构发生改变，分子量亦会增大，从而导致煤沥青软化点升高，性能发生改变，制约了煤沥青的实际使用。本发明采用的混合溶剂能选择性将煤沥青中的致癌多环芳烃3,4-苯并芘溶解，并在改性剂和催化剂作用下与煤沥青反应，生成无害的多环化合物，在不改变煤沥青性质的条件下，达到选择性降低煤沥青中3,4-苯并芘的目的，煤沥青中3,4-苯并芘的降低率为90%以上。
因此，本发明具有工艺简单、反应温度低、改性剂用量少、溶剂可回收、成本低和能有效降低煤沥青中多环芳烃3,4-苯并芘含量的特点。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对其保护范围的限制：
为避免重复，本具体实施方式将对所涉及到的原料的主要技术参数或制备方法统一描述，各实施例中不再赘述：
中温煤沥青和低温煤沥青的粒径均为50~60目；中温煤沥青的软化点为75~ 95℃，低温煤沥青的软化点为45~75℃。
所述无水乙醇与甲苯的混合溶剂中，无水乙醇︰甲苯的质量比为1︰0.5；所述无水乙醇与N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂中，无水乙醇︰N,N-二甲基甲酰胺的质量比为1︰0.4。
所述改性剂为酸酐类或为芳醇类：酸酐类为马来酸酐、丁二酸酐、邻苯二甲酸酐、乙酸酐、四氢苯酐、甲基六氢苯酐、苯甲酸酐、二甲基马来酸酐、三氯乙酸酐和戊二酸酐中的一种；
所述芳醇类为聚乙二醇或为邻苯二甲醇。
实施例1
一种改性煤沥青及其制备方法。该方法的具体步骤是：
步骤一、先将30~35份质量的煤沥青置入带有回流装置的反应釜内，然后在75~95℃条件下，向反应釜内加入63~67份质量的混合溶剂，搅拌10~15min，搅拌速度为100~150r/min；再在相同温度和搅拌速度的条件下，加入1.8~2.7份质量的改性剂和0.20~0.30份质量的催化剂，搅拌1~4h，得到改性煤沥青混合物。
步骤二、将步骤一所得改性煤沥青混合物在95~110℃条件下，采用减压蒸馏方法回收溶剂，得到改性煤沥青。
本实施例中：煤沥青为中温煤沥青；混合溶剂为无水乙醇与甲苯的混合溶剂；改性剂为酸酐类；催化剂为对甲苯磺酸。
实施例2
一种改性煤沥青及其制备方法。除下述技术参数外，其余同实施例1：
本实施例中：混合溶剂为无水乙醇与N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂；改性剂为芳醇类；催化剂为无水氯化铝。
实施例3
一种改性煤沥青及其制备方法。除下述技术参数外，其余同实施例1：
本实施例中：煤沥青为低温煤沥青；改性剂为芳醇类。
实施例4
一种改性煤沥青及其制备方法。除下述技术参数外，其余同实施例1：
本实施例中：煤沥青为低温煤沥青；混合溶剂为无水乙醇与N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂；催化剂为无水氯化铝。
实施例5
一种改性煤沥青及其制备方法。该方法的具体步骤是：
步骤一、先将35~40份质量的煤沥青置入带有回流装置的反应釜内，然后在75~95℃条件下，向反应釜内加入57~63份质量的混合溶剂，搅拌10~15min，搅拌速度为100~150r/min；再在相同温度和搅拌速度的条件下，加入2.7~3.5份质量的改性剂和0.30~0.35份质量的催化剂，搅拌1~4h，得到改性煤沥青混合物。
步骤二、将步骤一所得改性煤沥青混合物在95~110℃条件下，采用减压蒸馏方法回收溶剂，得到改性煤沥青。
本实施例中：煤沥青为中温煤沥青；混合溶剂为无水乙醇与甲苯的混合溶剂；改性剂为酸酐类；催化剂为对甲苯磺酸。
实施例6
一种改性煤沥青及其制备方法。除下述技术参数外，其余同实施例5：
本实施例中：混合溶剂为无水乙醇与N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂；改性剂为芳醇类；催化剂为无水氯化铝。
实施例7
一种改性煤沥青及其制备方法。除下述技术参数外，其余同实施例5：
本实施例中：煤沥青为低温煤沥青；改性剂为芳醇类。
实施例8
一种改性煤沥青及其制备方法。除下述技术参数外，其余同实施例5：
本实施例中：煤沥青为低温煤沥青；混合溶剂为无水乙醇与N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂；催化剂为无水氯化铝。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下优点：
1、本具体实施方式采用常规反应器，搅拌速度为100~150r/min，在75~95℃条件下反应，改性剂用量为煤沥青用量的6~9％，采用减压蒸馏回收溶剂。故工艺简单，改性剂用量少，反应温度低，成本低。
2、煤沥青是一种非常复杂的化合物，其中的多环芳烃如茚、苊、芘、蒽等与3,4-苯并芘具有相似的化学结构，通常条件下煤沥青与聚合物改性剂反应时，这些多环芳烃都会与改性剂反应，而实际与3,4-苯并芘反应的量少，从而导致3,4-苯并芘降低率小，若要增大3,4-苯并芘的降低率，不但要加大改性剂用量，而且改性后的煤沥青分子结构发生改变，分子量亦会增大，从而导致煤沥青软化点升高，性能发生改变，制约了煤沥青的实际使用。本具体实施方式采用的混合溶剂能选择性将煤沥青中的致癌多环芳烃3,4-苯并芘溶解，并在改性剂和催化剂作用下与煤沥青反应，生成无害的多环化合物，在不改变煤沥青性质的条件下，达到选择性降低煤沥青中3,4-苯并芘的目的，煤沥青中3,4-苯并芘的降低率为90%以上。
因此，本具体实施方式具有工艺简单、反应温度低、改性剂用量少、溶剂可回收、成本低和能有效降低煤沥青中多环芳烃3,4-苯并芘含量的特点。
Claims (3)
1.一种改性煤沥青的制备方法，其特征在于所述制备方法的步骤是：
步骤一、先将30~40份质量的煤沥青置入带有回流装置的反应釜内，然后在75~95℃条件下，向反应釜内加入57~67份质量的混合溶剂，搅拌10~15min，搅拌速度为100~150r/min；再在相同温度和搅拌速度的条件下，加入1.8~3.5份质量的改性剂和0.20~0.35份质量的催化剂，搅拌1~4h，得到改性煤沥青混合物；
步骤二、将步骤一所得改性煤沥青混合物在95~110℃条件下，采用减压蒸馏方法回收溶剂，得到改性煤沥青；
所述混合溶剂为无水乙醇与甲苯的混合溶剂，无水乙醇︰甲苯的质量比为1︰0.5；或混合溶剂为无水乙醇与N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂，无水乙醇︰N,N-二甲基甲酰胺的质量比为1︰0.4；
所述改性剂为酸酐类或为聚乙二醇或为邻苯二甲醇：酸酐类为马来酸酐、丁二酸酐、邻苯二甲酸酐、乙酸酐、四氢苯酐、甲基六氢苯酐、苯甲酸酐、二甲基马来酸酐、三氯乙酸酐和戊二酸酐中的一种；
所述催化剂为对甲苯磺酸或为无水氯化铝。
2.根据权利要求1所述的改性煤沥青的制备方法，其特征在于所述煤沥青为中温煤沥青或为低温煤沥青，煤沥青的粒径为50~60目；其中：中温煤沥青的软化点为75~ 95℃，低温煤沥青的软化点为45~75℃。
3.一种改性煤沥青，其特征在于所述改性煤沥青是根据权利要求1~2项中任一项所述的改性煤沥青的制备方法所制备的改性煤沥青。
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