化学交联改性降低煤沥青中毒性多环芳烃含量的研究

摘要

国家高等级公路交通网络以及城市道路建设的快速发展，对筑路用沥青的数量和质量都提出更高要求。煤焦油沥青（简称煤沥青）在我国资源丰富、价格低廉，然而由于其毒性多环芳烃的含量超出相关环境标准而在筑路应用中受到限制。为能够解决煤沥青产能过剩，而石油沥青却价格昂贵、产量不足的问题，将煤沥青进行筑路利用，针对煤沥青进行改性抑毒的研究工作十分必要。
　　本文采用交联剂对苯二甲醛/对苯二甲醇，在环己烷作溶剂，对甲苯磺酸作催化剂条件下对煤沥青进行改性，以降低煤沥青中毒性多环芳烃目标物的含量，对改性的工艺条件进行了筛选优化，并对改性前后煤沥青的一些基本性质进行了分析测定和比较，最后通过模型化合物蒽、荧蒽、芘、苯并[g,h,i]苝与改性剂的反应研究，对反应机理进行初步的探索验证。得到以下相关结论：
　　（1）在环己烷溶剂作用下，对甲苯磺酸作催化剂，使用交联剂对苯二甲醛、对苯二甲醇对煤沥青进行化学改性脱毒，煤沥青中毒性多环芳烃目标物含量的降低率明显。由于环己烷的溶剂效应（对煤沥青的溶解量相对较大，对煤沥青中毒性多环芳烃的溶解选择性相对较好）作用，使得毒性多环芳烃、改性剂与催化剂之间形成相对均相的反应体系，很好地解决了以往改性中直接混合加热改性温度高和改性剂利用率低这两个问题。
　　（2）采用对苯二甲醛改性煤沥青，筛选出最佳工艺条件为：对苯二甲醛添加量8％（相对于煤沥青量），对甲苯磺酸添加量5%，反应温度60℃，反应时间4 h，该条件下16种毒性多环芳烃目标物总含量的降低率达到82.75%。煤沥青软化点由改性前101.5℃降低为改性后的77.1℃，由高温煤沥青转变为中温煤沥青，甲苯不溶物含量由26.36%增加到44.91%，喹啉不溶物含量由9.30%降低为1.01%，结焦值基本保持不变；煤沥青沥青烟中检测到8种毒性多环芳烃目标物，其总含量平均降低率为8.68%；煤沥青水可溶物中检测到6种毒性多环芳烃目标物，其总含量增加了1.52倍。
　　（3）采用对苯二甲醇对煤沥青进行改性，筛选出最佳工艺条件为：对苯二甲醇添加量6%，对甲苯磺酸添加量12%，反应温度50℃，反应时间2 h，该条件下16种毒性多环芳烃目标物总含量降低率达到74.14%。改性后，煤沥青喹啉不溶物含量稍有降低，由9.30%变为7.96%，软化点升高到118.4℃，甲苯不溶物含量升高为40.81%，结焦值基本保持不变；煤沥青沥青烟及煤沥青水可溶物中也均检测到毒性多环芳烃目标物，沥青烟中含量平均降低率为17.67%，煤沥青水可溶物中含量增加了1.91倍。
　　（4）通过气相色谱、傅里叶红外及热重分析对改性前后煤沥青以及模型化合物与改性剂之间的反应进行研究，初步推断多环芳烃与改性剂对苯二甲醛/对苯二甲醇之间发生了亲电取代交联反应，且对于这个反应来说，多环芳烃的反应活性随着其芳环数的增加而加强。

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符号说明

第一章 文献综述

1.1引言

1.2煤沥青概述

1.3多环芳烃概述

1.4煤沥青脱毒研究

1.5研究目的与内容

参考文献

第二章 实验部分

2.1 实验试剂及原料

2.2实验仪器设备

2.3实验装置及操作过程

2.4改性前/后煤沥青中毒性多环芳烃含量的测定

2.5改性前后煤沥青固体产品的分析表征

参考文献

第三章 采用交联剂改性煤沥青的相关研究

3.1煤沥青改性中改性剂与催化剂的选择

3.2煤沥青改性工艺条件的优化

3.3多环芳烃活性对其降低率的影响

3.4采用交联剂改性煤沥青机理初步分析

3.5本章小结

参考文献

第四章 改性前后煤沥青基本属性评价

4.1改性前后煤沥青中毒性多环芳烃目标物含量变化

4.2改性前后煤沥青四项基础技术指标变化

4.3改性前后煤沥青烟组分分析

4.4改性前后煤沥青水可溶物组分分析

4.5本章小结

参考文献

第五章 相关模型化合物交联反应研究

5.1模型化合物选择与交联反应条件探索

5.2多环芳烃反应活性研究

5.3模型化合物芘反应产物研究

5.4本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6.1论文总结

6.2实验建议

致谢

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