1- قیر
قیر از اجزاء اصلی قیر امولسیونی بوده و در بیشتر موارد 50 تا 75 درصد امولسیون را تشکیل میدهد. ترکیب شیمیایی قیر موضوعی پیچیده است و نیازی به بررسی و آزمایش همه خصوصیات قیر نیست، ولی برخی خصوصیات قیر به شدت روی امولسیون تاثیر میگذارند. رابطه دقیقی بین خصوصیات قیر و قابلیت تبدیل به امولسیون قیرها وجود ندارد. با وجود اینکه سختی قیر ممکن است متغیر باشد، معمولا تمام امولسیونها با قیرهای با درجه نفوذ بین 60-250 تولید میشوند
. در بعضی مواردشرایط آب و هوایی ایجاب میکند که قیر سخت تر یا نرم تر مورد استفاده قرار گیرد. در همه موارد الزم است تا عامل امولسیون ساز با قیر برای تولید امولسیونی پایدار، سازگار باشد. منبع اساسی قیر، نفت خام بوده و به همین دلیل، قیر ترکیبی از مولکولهای بزرگ هیدروکربن و یا ترکیبهای شیمیایی گوناگون میباشد.
مشخصات قیرها به ترکیب شیمیایی و درصد مولکول های هیدروکربنهای موجود و رابطه آنها به یکدیگر وابسته است. ویژگیهای مختلف فیزیکی و شیمیایی در انواع قیر نتیجه تفاوتهای نفت خام و شرایط پالایش آنها بوده و خصوصیات و عملکرد قیر باقی مانده در مسیر را تحت تاثیر قرار میدهند. واکنشهای پیچیده مولکولهای مختلف، پیش بینی رفتار قیر را هنگام امولسیون شدن تقریبا غیر ممکن میسازد. به این دلیل کنترل همیشگی کیفیت در تولید امولسیون ضروری است.
نفت خام در پالایشگاه بوسیله برج های تقطیر به اجزا سازنده اش تبدیل می شود و مواد سازنده نفت خام با توجه به تفاوت نقطه جوش در قسمت های مختلف برج از یکدیگر جدا می شود. در فرآیند تقطیر اولیه (تقطیر در فشار محیط) مقداری مواد سنگین در ته برج باقی می ماند که این مواد به برج های تقطیر در خلأ منتقل می شود و بوسیله روش تقطیر در خلأ اجزاء مختلف آن جداسازی می شود. باقی مانده این برج که به وکیوم باتوم معروف است برای تولید قیر استفاده می گردد.
به منظور تولید قیر وکیوم باتوم را در واحد تولید قیر (برج تولید قیر) تحت عملیات هوادهی قرار می دهند. دمای وکیوم باتوم در داخل برج تولید قیر ۲۴۰ تا ۳۲۰ درجه سانتی گراد است و عبور هوا از داخل وکیوم باتوم در این دما باعث می شود که یک فرآیند اکسایش اتفاق بیفتد و در نتیجه فرآیند هوادهی باعث می شود خواص ته مانده بهبود یابد. مهم ترین اثری که دمیدن هوا بر روی وکیوم باتوم دارد، تبدیل شدن مولکولهای سبک مالتن به مولکولهای سنگین تر یعنی آسفالتن است. این تبدیل باعث کاهش درجه نفوذ قیر و افزایش نقطه نرمی قیر می شود.
2- آب
دومین جزء قیر امولسیونی آب است و تاثیر آن را در خصوصیات محصول نهایی نمیتوان نادیده گرفت. آب ممکن است حامل مواد معدنی و یا مواد دیگری باشد که تولید محصولی پایدار را تحت تاثیر قرار دهد. آبی که برای نوشیدن مناسب است می تواند برای تولید امولسیون مناسب نباشد. ممکن است به دلیل وجود ناخالصیها، آب موجود در طبیعت برای حل کردن و یا تعلیق ذرات قیر مناسب نباشد. به همین دلیل یکی از مواردی که باید در نظر گرفته شود وجود یونهای کلسیم و منیزیم است. این یون ها به تشکیل امولسیون کاتیونیک پایدار کمک می کنند. در واقع به امولسیونهای کاتیونیک، کلرید کلسیم اضافه می شود تا پایداری برای ذخیره کردن امولسیون افزایش یابد. یونهای فوق الذکر برای امولسیونهای آنیونیک مضرند و این به دلیل تشکیل نمکهای غیر قابل حل کلسیم و منیزیم در واکنش بین نمکهای سدیم و پتاسیم قابل حل در آب است که به عنوان امولسی فایر استفاده میشوند. آنیونهای کربنات و بیکربنات میتوانند به پایداری امولسیونهای آنیونیک کمک کنند ولی در امولسیونهای کاتیونیک در واکنش با امولسیون سازهای آمین هیدروکلراید، باعث ناپایداری امولسیون کاتیونیک میشوند. در تولید امولسیون، آبی که دارای ذرات خارجی ریز باشد نباید مورد استفاده قرار گیرد، این آب در امولسیونهای کاتیونیک می- تواند مضر باشد. ذرات دارای بار منفی، امولسیون سازهای کاتیونیک را جذب میکنند و باعث ناپایدار شدن آن میشوند. استفاده از آب ناخالص بر توازن اجزاء امولسیون اثر گذاشته و میتواند کارایی امولسیون را تحت تاثیر قرار دهد و یا باعث شکست زود هنگام و یا غیر قابل پیش بینی شود.
3- امولسیفایر ماده امولسیون ساز
خصوصیات امولسیون به مواد شیمیایی که به عنوان امولسیون ساز شناخته میشوند وابستگی شدیدی دارد. امولسیون ساز، ذرات قیر را به صورت معلق نگه داشته و زمان شکست را کنترل میکند، همچنین عامل تعیین کننده در طبقه بندی امولسیون به عنوان کاتیونیک، آنیونیک و غیر یونی است. در سال های اولیه تولید امولسیون، مواردی مانند خاک رس و صابون به عنوان امولسیون ساز به کار گرفته میشدند. با افزایش تقاضا برای امولسیون، امولسیون ساز هایی با کارایی بیشتر مورد استفاده قرار گرفتند. معمولترین امولسیون سازهای آنیونیک، اسیدهای چرب (acid fatty) میباشند که از مشتقات محصولات چرب به دست میآیند. امولسیونهای آنیونیک در واکنش با هیدروکسید سدیم و هیدروکسید پتاسیم به صابون تبدیل میشوند. بیشتر امولسیون سازهای کاتیونیک آمینهای چرب هستند )مانند دیآمینها، ایمیدازولینها، آمیدها و برخی ترکیبات آمینی(. این ترکیبات در واکنش با اسید به صابون تبدیل میشوند که معموال هیدروکلریک میباشد. نوع دیگری از امولسیون سازها، نمکهای آمونیوم (quartenary) چربند که برای تولید امولسیونهای کاتیونیک به کار میرود. این نمکها در آب حل میشوند و احتیاج به اضافه کردن اسید ندارند. این امولسیون سازها پایدار و موثرند. امولسیون ساز مهمترین عامل در تشکیل امولسیون است. برای اینکه امولسیون ساز بتواند در تولید قیر امولسیونی موثر واقع شود باید بخش فعال کننده سطح( surfactant) یعنی قسمتی که باعث ایجاد بارهای مثبت و منفی در سطح مولکولهای قیر میشود، محلول در آب بوده و بین خصوصیات آب دوستی و چربی دوستی آن تعادل برقرار کند. در بیشتر موارد، مواد فعال کننده سطح قبل از ورود به آسیاب کلوییدی با آب و یا قیر ترکیب میشود.
امولسیفایر، ذرات قیر را به صورت باردار (بار الکتریکی) در فاز پیوسته آب، معلق و پایدار نگه می دارد. در این مخلوط، قیر در آب حل نشده بلکه بصورت گلبولهایی بسیار ریز در آب شناور می شود.در بعضی موارد ممکن است همراه با امولسیفایر، ماده پایدار کننده نیز استفاده گردد. امولسیونهای قیری عمدتاً از نوع امولسیونهای روغن در آب هستند که قیر در فاز آب پراکنده میباشد.
امولسيفاير با پوشش سطح ذرات معلق، باعث بوجود آمدن نيروي دافعه الكتريكي مطابق شکل بين ذرات و مانع نزديك شدن آنها به يكديگر مي‌گردد. همچنين اگر انرژي مقاوم باعث چسبيدن ذرات به يكديگر شود باز هم به علت وجود يك فيلم نازك از امولسيفاير بر روي سطح ذرات امكان بهم پيوستن مجدد آنها از بين مي‌رود. تجمع و انعقاد ذرات عموماً ناشي از نشست امولسيون، وارد شدن نيروي برشي، به جوش آمدن و يا يخ‌زدن امولسيون است. همچنين بهم پيوستن ذرات معلق امولسيون ممكن است در اثر تماس با مواد معدني، در اثر شكستن قير امولسيون و يا عمل آمدن آن صورت پذيرد.
به منظور تثبيت و كارآيي بهتر مي‌توان درصد امولسيفاير مصرفي را افزايش داد. بنابراين در قير امولسيون مقداري امولسيفاير آزاد در محلول (فاز آبي) موجود مي‌باشد كه به عنوان يك ذخيره امولسيفاير، از تجمع ذرات و لخته شدن آنها در حين توليد، ذخيره و حمل امولسيون جلوگيري به عمل مي‌آورد.
4- كلسيم كلرايد
يكي از موادي كه عموما در تهيه امولسيون ها بكار گرفته مي شوند كلسيم كلرايد يا ساير انواع نمكهاي محلول مي باشند . از اين نمك ها در تهيه فاز آبي امولسيون هاي كاتيوني به ميزان 2/0%- 0/05% استفاده مي‌گردد. ممكن است قير بدليل نمك‌زدايي نامناسب نفت خام داراي مقداري نمك بصورت اوليه باشد لذا با تراوش اسمزي آب به درون ذرات قير ( رسيدن آب به نمك موجود در ذرات قير) ذرات متورم مي گردند .(شكل 2) .
تورم ذرات قير سبب افزايش موقت ويسكوزيته قير امولسيون گرديده كه به مرور زمان با دفع نمك از قير ويسكوزيته نيز رو به كاهش خواهد گذاشت. سديم كلرايد از تراوش اسمزي آب به درون ذرات قير كاسته و نتيجه آن تعديل افزايش وسيكوزيته امولسيون در زمان ذخيره سازي است . همچنين كلسيم كلرايد با افزايش چگالي فاز آبي از تمايل رسوب گذاري امولسيون كاسته و در برخي موارد عملكرد امولسيفاير را نيز ارتقا مي بخشد.
1-9-2- سديم تري پلي فسفات
براي رفع حساسيت احتمالي امولسيون هاي آنيونيك نسبت به آب هاي سخت مي توان از 1/0 % سديم تري پلي فسفات بعنوان نرم كننده آب در طرح اختلاط استفاده نمود .شايان ذكر است كه سديم تري پلي فسفات در ارتقاء كيفيت امولسيون نيز نقش بسزايي دارد.
1-9-3- غليظ كننده‌ها
غليظ كننده هاي محلول در آب مي توانند براي افزايش ويسكوزيته امولسيون مطابق با استانداردها و دستور العمل‌هاي ملي عمل نموده و يا اينكه از خروج قير امولسيون در مخلوط هاي با دانه بندي باز جلوگيري بعمل آورند . ميزان استفاده از اين ماده در حدود 2/0%-02/0 % مي باشد كه مي توان آن را به فاز آبي يا به قير امولسيون توليد شده نهايي افزود. از آنجا كه ثقيل كننده‌ها بر روي شكستن و چسبندگي قيرهاي امولسيون اثر مي گذارد لذا انتخاب نوع و ميزان استفاده از اين مواد نياز به دقت خاصي دارد .
1-9-4- تقويت كننده هاي چسبندگي
از مهمترين خواص مخلوط هاي و پوشش هاي قيري خاصيت ضد آب بودن آنها است . در برخي موارد امولسيون هاي آنيوني و به ندرت امولسيون كاتيوني ممكن است چسبندگي كافي با مصالح دانه‌اي نشان ندهند، كه در اينصورت مي توان از تقويت كننده هاي چسبندگي براي رفع اين مشكل استفاده نمود . اين افزودني را هم مي توان در زمان توليد قير امولسيون و هم پس از توليد نهايي به آن اضافه نمود .
1-9-5- لخته زدا كننده هاي قير
با در نظر گرفتن اين نكته كه قيرهاي مختلف در توليد امولسيون واكنش هاي متفاوتي از خود نشان مي‌دهند لذا در برخي موارد مي توان كيفيت قير امولسيون را با استفاده از وا لخته كننده ها بهبود بخشيد . اين بهبود شامل كاهش ميزان رسوب، افزايش ويسكوزيته، كاهش قطر ذرات معلق و تقويت چسبندگي مي باشد . (شكل3)
1-9-6- لاتكس
اصلاح پليمري قيرها باعث بهبود چسبندگي مقاومت در مقابل ايجاد ترك در دماهاي پائين و مقاومت در مقابل رواني در دماهاي بالا مي گردد . چنانچه بدنبال توليد قير امولسيون از قير اصلاح شده پليمري باشيم آنگاه استفاده از لاتكس به عنوان يك توزيع كننده پليمر محلول در آب كه بطور خاص براي توليد قيرهاي امولسيون اصلاح شده به كار برده مي شود مطرح مي گردد جهت استفاده از لاتكس مي توان آن را با فاز آبي و يا فاز قيري تركيب نمود ضمن اينكه امكان اضافه كردن آن به توليد نهايي قير امولسيون در مراحل بعدي نيز وجود دارد . البته تركيب با فاز آبي عموما بهترين نتيجه را به دنبال دارد . لاتكس در انواع مختلف آنيونيك، نانيونيك و كاتيونيك موجود بوده اما بايستي دقت نمود تا نوع لاتكس مصرفي متناسب با امولسيون باشد.
