DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2025.134361
تاريخ النشر: 2025-01-11
المؤلف: Yongping Hu وآخرون
الموضوع الرئيسي: معالجة النفط وتحليله
نظرة عامة
تسلط المخاوف البيئية المتزايدة المحيطة بالبيتومين المستخرج من الوقود الأحفوري، المستخدم بشكل أساسي في بناء الطرق، الضوء على الحاجة إلى بدائل مستدامة. تستكشف هذه الدراسة الإضافات المعتمدة على البيولوجيا كبدائل محتملة للبيتومين في خلطات الأسفلت، مع معالجة عملية الاختيار الذاتية التي تؤدي حاليًا إلى تباين في جودة البيتومين المعتمد على البيولوجيا. من خلال استخدام معلمات ذوبانية هانسن (HSP) لتقييم التوافق الفيزيائي الكيميائي بين البيتومين وإضافتين حيويتين – زيت الصنوبر وزيت الطهي المستعمل – تهدف الدراسة إلى إنشاء نهج أكثر نظامية لتكوين البيتومين الحيوي.
شملت الدراسة فصل البيتومين إلى مكوناته القطبية، المالطينات والأسفلتينات، وقياس HSPs لكل من كسور البيتومين والإضافات الحيوية. تم إجراء اختبارات ريوولوجية متنوعة، بما في ذلك اختبارات تردد المسح، واختبارات سعة المسح الخطية، واختبارات ريوومتر شعاع الانحناء، لتقييم أداء خلطات البيتومين الحيوي. أشارت النتائج إلى أن زيت الصنوبر (الإضافة الحيوية-1) تفوق على زيت الطهي المستعمل (الإضافة الحيوية-2) في تعزيز الأداء عند درجات الحرارة المنخفضة، وعمر التعب، والمتانة، على الأرجح بسبب توافقه الأقرب مع مكونات البيتومين. تؤسس هذه الدراسة إطارًا أساسيًا للتصميم العلمي للبيتومين الحيوي، مما يمهد الطريق للتقدم المستقبلي في مواد بناء الطرق المستدامة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على التقلبات الكبيرة في سوق النفط العالمي، والتي أدت إلى زيادة دراماتيكية في أسعار البيتومين – من حوالي 170 دولارًا للطن في عام 2000 إلى أعلى مستوى تاريخي بلغ 680 دولارًا للطن في عام 2022. هذه الزيادة، إلى جانب ارتفاع أسعار الديزل، قد زادت من التكاليف المرتبطة ببناء أرصفة الأسفلت. إن الاعتماد على الوقود الأحفوري غير المتجدد لإنتاج البيتومين يثير مخاوف بشأن نقص الطاقة وتأثيرات بيئية، بما في ذلك انبعاثات CO₂ العالية. وبالتالي، هناك حاجة ملحة لاستكشاف بدائل مستدامة، مثل المواد المعتمدة على البيولوجيا المستمدة من زيوت الطهي المستعملة، ومخلفات الخشب، وغيرها من المنتجات الثانوية الصناعية، لتعديل أو استبدال البيتومين التقليدي جزئيًا.
تؤكد الورقة على الفوائد المحتملة للبيتومين الحيوي، بما في ذلك تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري، وانخفاض انبعاثات CO₂، وتحسين الخصائص الأداء مثل مقاومة الحرارة والتعب المحسنة. ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات تتعلق بتوافق الإضافات الحيوية المختلفة مع البيتومين، مما قد يؤدي إلى مشاكل في الأداء إذا لم يتم اختيارها بشكل صحيح. يتم اقتراح إدخال علم الذوبانية، وخاصة نموذج معلمة ذوبانية هانسن (HSP)، كطريقة واعدة لتقييم التوافق بين الإضافات الحيوية والبيتومين. تهدف هذه الدراسة إلى إنشاء إطار علمي لاختيار الإضافات الحيوية بناءً على تفاعلاتها الفيزيائية الكيميائية، مما يحسن جودة وأداء البيتومين الحيوي ويعالج نقص النهج النظامية الحالي في هذا المجال.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام بيتومين بدرجة اختراق 70/100 جنبًا إلى جنب مع إضافتين معتمدتين على البيولوجيا للتحقيق في خصائصهما وتفاعلاتهما. تم تفصيل الخصائص الأساسية للبيتومين والإضافات الحيوية في الجدول 1، حيث توفر كسور SARA (المشبعة، العطرية، الراتنج، والأسفلتين) نظرة ثاقبة على تركيبة البيتومين. كشفت تحليل طيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، الموضح في الشكل 1، أن كل من البيتومين والإضافات الحيوية تحتوي على كميات كبيرة من الألكينات. على وجه التحديد، فإن الإضافة الحيوية-1 غنية بالألكيلات والكيتونات، بينما تتميز الإضافة الحيوية-2 بوجود الألكيلات والأحماض الكربوكسيلية، مع كميات ضئيلة من مجموعات وظيفية أخرى.
تم تحديد معلمات ذوبانية هانسن (HSPs) لكل من البيتومين والإضافات الحيوية من خلال إذابة المواد في 33 مذيبًا مختلفًا، كل منها له HSPs معروفة، كما هو موضح في الجدول 2. يسمح هذا النهج الشامل بفهم دقيق لسلوك الذوبانية والتوافق للمواد المعنية، وهو أمر حاسم لتطبيقاتها المحتملة في تركيبات مختلفة.
نتائج
تستكشف الدراسة تطبيق علم الذوبانية في تقييم التفاعلات الفيزيائية الكيميائية والتوافق بين البيتومين والإضافات الحيوية. تؤسس علاقة كبيرة بين معلمات الذوبانية وأداء البيتومين، مما يوفر رؤى قيمة لتصميم بيتومين حيوي مستدام. تشير النتائج إلى أن دمج الإضافات الحيوية يعزز الأداء عند درجات الحرارة المنخفضة للبيتومين من خلال خفض درجات الحرارة الحرجة وتقليل القابلية للتشقق. بالإضافة إلى ذلك، تحسن هذه الإضافات الحيوية أداء التعب من خلال تقليل الضغوط، وتمديد عمر التعب، وتقليل الاعتماد على الشد.
من الجدير بالذكر أن الإضافة الحيوية-1 تفوقت على الإضافة الحيوية-2 عند مستويات تعديل متساوية، حيث أظهر البيتومين الحيوي 1 معلمة G-R أعلى بنسبة 438%، وعمر تعب أطول بنسبة 70%، ومقاومة أعلى للتشقق الحراري بنسبة 200% مقارنة بالبيتومين الحيوي 2. تُعزى هذه التحسينات إلى النسب الأعلى من تداخل كرات هانسن بين الإضافة الحيوية-1 وكسور البيتومين المالطين والأسفلتين، والتي كانت أعلى بنسبة 45.9% و35.2% على التوالي، مقارنة بتلك الخاصة بالإضافة الحيوية-2. بشكل عام، تؤكد الدراسة على إمكانية علم الذوبانية كأداة فعالة لاختيار الإضافات الحيوية التي يمكن أن تحل جزئيًا محل البيتومين التقليدي، مما يسهم في تطوير مواد عالية الأداء ومستدامة.
مناقشة
تؤكد قسم المناقشة في هذه الدراسة على تطبيق علم الذوبانية لتحليل التفاعلات الفيزيائية الكيميائية والتوافق بين البيتومين والإضافات الحيوية. شملت البحث فصل البيتومين إلى أسفلتينات ومالطينات، وقياس معلمات ذوبانية هانسن (HSPs) الخاصة بها، وتقييم التوافق من خلال نسب تداخل كرات هانسن. تشير النتائج إلى أن الإضافة الحيوية 1 أظهرت كرة هانسن أكبر، مما يشير إلى توافق أعلى مع البيتومين مقارنة بالإضافة الحيوية 2. تم تقييم الأداء الريولوجي للبيتومين الحيوي من خلال اختبارات متنوعة، مما كشف أن دمج الإضافات الحيوية حسّن بشكل كبير مقاومة التشقق الحراري وعمر التعب للبيتومين، حيث أظهرت الإضافة الحيوية 1 أداءً متفوقًا.
تسلط الدراسة أيضًا الضوء على العلاقة بين معلمات الذوبانية والخصائص الريولوجية، مما يشير إلى أن النسب الأعلى من تداخل كرات هانسن تؤدي إلى تحسين مقاييس الأداء مثل معلمة G-R وعمر التعب. تشير النتائج إلى أن خصائص الذوبانية للإضافات الحيوية يمكن أن تكون تنبؤية لفعاليتها في تعديل البيتومين، مما يوفر إطارًا لتطوير مواد رصف معتمدة على البيولوجيا في المستقبل. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على أهمية علم الذوبانية في تحسين التوافق والأداء للإضافات الحيوية في تطبيقات البيتومين.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2025.134361
Publication Date: 2025-01-11
Author(s): Yongping Hu et al.
Primary Topic: Petroleum Processing and Analysis
Overview
The increasing environmental concerns surrounding fossil fuel-derived bitumen, primarily used in road construction, highlight the need for sustainable alternatives. This study explores bio-based additives as potential substitutes for bitumen in asphalt mixtures, addressing the subjective selection process that currently leads to variability in the quality of bio-based bitumen. By employing Hansen solubility parameters (HSP) to evaluate the physicochemical compatibility between bitumen and two bio-additives—tall oil and waste cooking oil—the research aims to establish a more systematic approach to bio-bitumen formulation.
The study involved separating bitumen into its polar components, maltenes and asphaltenes, and measuring the HSPs of both the bitumen fractions and the bio-additives. Various rheological tests, including frequency sweep tests, linear amplitude sweep tests, and bending beam rheometer tests, were conducted to assess the performance of the bio-bitumen blends. Results indicated that tall oil (bio-additive-1) outperformed waste cooking oil (bio-additive-2) in enhancing low-temperature performance, fatigue life, and durability, likely due to its closer HSP alignment with bitumen components. The research establishes a foundational framework for the scientific design of bio-bitumen, paving the way for future advancements in sustainable road construction materials.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant volatility in the global oil market, which has led to a dramatic increase in bitumen prices—from approximately $170 per ton in 2000 to a historic high of $680 per ton in 2022. This surge, alongside rising diesel prices, has escalated the costs associated with asphalt pavement construction. The reliance on non-renewable fossil fuels for bitumen production raises concerns about energy shortages and environmental impacts, including high CO₂ emissions. Consequently, there is an urgent need to explore sustainable alternatives, such as bio-based materials derived from waste cooking oils, wood residues, and other industrial by-products, to modify or partially replace traditional bitumen.
The paper emphasizes the potential benefits of bio-bitumen, including reduced reliance on fossil fuels, lower CO₂ emissions, and improved performance characteristics such as enhanced thermal and fatigue resistance. However, challenges remain regarding the compatibility of various bio-additives with bitumen, which can lead to performance issues if not properly selected. The introduction of solubility science, particularly the Hansen solubility parameter (HSP) model, is proposed as a promising method to evaluate the compatibility between bio-additives and bitumen. This study aims to establish a scientific framework for selecting bio-additives based on their physicochemical interactions, thereby improving the quality and performance of bio-bitumens and addressing the current lack of systematic approaches in this field.
Methods
In this study, a penetration grade 70/100 bitumen was utilized alongside two bio-sourced additives to investigate their properties and interactions. The fundamental characteristics of the bitumen and bio-additives were detailed in Table 1, with the SARA (saturate, aromatic, resin, and asphaltene) fractions providing insight into the composition of the bitumen. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis, illustrated in Fig. 1, revealed that both the bitumen and the bio-additives contain significant quantities of alkenes. Specifically, Bio-additive-1 is rich in alkyls and ketones, while Bio-additive-2 is characterized by a predominance of alkyls and carboxylic acids, along with trace amounts of other functional groups.
The Hansen solubility parameters (HSPs) for both the bitumen and the bio-additives were determined by dissolving the materials in 33 different solvents, each with known HSPs, as outlined in Table 2. This comprehensive approach allows for a thorough understanding of the solubility behavior and compatibility of the materials involved, which is crucial for their potential applications in various formulations.
Results
The study explores the application of solubility science in assessing the physicochemical interactions and compatibility between bitumen and bio-additives. It establishes a significant correlation between solubility parameters and the performance of bitumen, thereby providing valuable insights for the design of sustainable bio-based bitumen. The findings indicate that the incorporation of bio-additives enhances the low-temperature performance of bitumen by lowering critical temperatures and reducing susceptibility to cracking. Additionally, these bio-additives improve fatigue performance by decreasing stresses, extending fatigue life, and reducing strain dependency.
Notably, bio-additive-1 outperformed bio-additive-2 at equivalent modification levels, with bio-bitumen 1 exhibiting a 438% greater G-R parameter, a 70% longer fatigue life, and a 200% higher resistance to thermal cracking compared to bio-bitumen 2. These improvements are attributed to the higher overlapping ratios of Hansen spheres between bio-additive-1 and the bitumen subfractions maltene and asphaltenes, which were 45.9% and 35.2% greater, respectively, than those for bio-additive-2. Overall, the study underscores the potential of solubility science as an effective tool for selecting bio-additives that can partially replace conventional bitumen, thereby contributing to the development of high-performing and sustainable materials.
Discussion
The discussion section of this study emphasizes the application of solubility science to analyze the physicochemical interactions and compatibility between bitumen and bio-additives. The research involved separating bitumen into asphaltenes and maltenes, measuring their Hansen solubility parameters (HSPs), and evaluating the compatibility through overlapping ratios of Hansen spheres. The findings indicate that bio-additive 1 exhibited a larger Hansen sphere, suggesting higher compatibility with bitumen compared to bio-additive 2. The rheological performance of bio-bitumens was assessed through various tests, revealing that the incorporation of bio-additives significantly improved the thermal cracking resistance and fatigue life of bitumen, particularly with bio-additive 1 demonstrating superior performance.
The study also highlights the correlation between solubility parameters and rheological properties, suggesting that higher overlapping ratios of Hansen spheres lead to enhanced performance metrics such as the G-R parameter and fatigue life. The results indicate that the solubility characteristics of bio-additives can be predictive of their effectiveness in modifying bitumen, thereby providing a framework for future development of bio-based paving materials. Overall, the research underscores the importance of solubility science in optimizing the compatibility and performance of bio-additives in bitumen applications.