مقدمه
عملکرد بلندمدت مواد قیری به‌طور قابل‌توجهی تحت تأثیر پیرشدگی اکسیداتیو قرار دارد که موجب تغییر در ساختار مولکولی و خواص رئولوژیکی چسب قیری می‌شود. قرار گرفتن در معرض تنش‌های محیطی، از جمله گرما، تابش فرابنفش و اکسیژن، سبب از بین رفتن تدریجی اجزای مالتنی می‌شود و در نتیجه، سختی بیش از حد، کاهش خاصیت کشسانی و افزایش شکنندگی ایجاد می‌گردد. این تغییرات، مقاومت روسازی را در برابر خستگی و ترک‌خوردگی کاهش می‌دهند.
در سال‌های اخیر، پژوهشگران به‌طور گسترده استفاده از عوامل جوان‌ساز را برای بازگرداندن ویژگی‌های اولیه قیر پیرشده بررسی کرده‌اند. در میان این مواد، پسماند نفتی پالایشگاه، به‌عنوان یک پسماند باقی‌مانده از فرایند پالایش نفت، به دلیل شباهت شیمیایی به اجزای هیدروکربنی قیر و پتانسیل آن در کاهش ضایعات صنعتی، به‌عنوان گزینه‌ای پایدار و نویدبخش مطرح شده است.
۲. پیش‌زمینه و هدف پژوهش
هدف اصلی این مطالعه، بررسی امکان استفاده از پسماند نفتی پالایشگاه (پس از تصفیه و پالایش) به‌عنوان یک عامل جوان‌ساز کارآمد برای بازیابی تعادل فیزیکوشیمیایی، ساختاری و حرارتی قیر پیرشده است. در این تحقیق، تأثیر مقادیر مختلف پسماند بر عملکرد فیزیکی، ریزساختار و ترکیب شیمیایی قیر پیرشده مصنوعی مورد ارزیابی قرار گرفت. افزون بر بهبود ویژگی‌های فیزیکی، این پژوهش به دنبال درک عمیق‌تر فرایند جوان‌سازی در سطح مولکولی و کلوئیدی بود.
۳. مواد و آماده‌سازی نمونه‌ها
کار آزمایشگاهی با استفاده از یک قیر معمولی مورد استفاده در روسازی آغاز شد که در شرایط کنترل‌شده آزمایشگاهی تحت پیرشدگی تسریع‌شده قرار گرفت. برای شبیه‌سازی پیرشدگی ایجادشده در طول تولید و عمر خدمت، از روش آون لایه نازک چرخان (RTFOT) استفاده شد.
پسماند نفتی پالایشگاه، که به‌عنوان محصول جانبی عملیات پالایش نفت به‌دست آمد، دارای درصد بالایی از هیدروکربن‌ها همراه با آب و ناخالصی‌های جامد بود. پیش از استفاده، این پسماند طی فرایند تصفیه شامل فیلتراسیون، جداسازی و استخراج با حلال، پالایش شد تا بخش غنی از هیدروکربن‌های آن جدا گردد.
سه نوع قیر اصلاح‌شده با افزودن ۱٪، ۳٪ و ۵٪ (وزنی) از پسماند تصفیه‌شده به قیر پیرشده تهیه گردید. فرایند اختلاط در دمای بالا و با همزن برشی شدید انجام شد تا توزیع یکنواخت عامل جوان‌ساز در کل ماتریس قیر تضمین شود.
۴. روش‌های ارزیابی و آزمون‌ها
برای بررسی تأثیر پسماند نفتی پالایشگاه بر قیر پیرشده، مجموعه‌ای از آزمون‌های فیزیکی، رئولوژیکی، شیمیایی و میکروسکوپی انجام شد. آزمون‌های استاندارد نفوذپذیری و نقطه نرمی جهت تعیین قوام و حساسیت حرارتی مورد استفاده قرار گرفت.
آزمون رئومتر برشی دینامیکی (DSR) رفتار ویسکوالاستیک قیر را از نظر مدول مرکب و زاویه فاز ارزیابی کرد.
تغییرات شیمیایی با استفاده از طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) و بررسی گروه‌های عاملی مرتبط با اکسیداسیون مطالعه شد.
میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) برای مشاهده تغییرات ریزساختاری و آنالیز گرماوزنی (TGA) برای سنجش پایداری حرارتی و الگوهای تخریب به‌کار رفت.
علاوه بر این، آنالیز SARA (اشباع‌ها، آروماتیک‌ها، رزین‌ها و آسفالتن‌ها) جهت تعیین تغییر در تعادل کلوئیدی از طریق نسبت آسفالتن به مالتن انجام شد.
۵. ویژگی‌های فیزیکی و رئولوژیکی
افزودن پسماند نفتی پالایشگاه سبب تغییر محسوس در خواص فیزیکی قیر پیرشده شد. مقدار نفوذپذیری با افزایش درصد پسماند بیشتر گردید که نشان‌دهنده افزایش انعطاف‌پذیری و کاهش سختی است. جالب آنکه نقطه نرمی نیز افزایش یافت که حاکی از حفظ یکپارچگی در دماهای بالا و کاهش شکنندگی می‌باشد.
آزمون‌های رئولوژیکی کاهش در مدول مرکب را نشان دادند، که بیانگر قیر نرم‌تر و کارپذیرتر است، در حالی که زاویه فاز اندکی به سمت رفتار ویسکوز میل کرد. پارامتر مقاومت در برابر شیارشدگی کاهش یافت اما همچنان در محدوده قابل‌قبول برای کاربردهای روسازی باقی ماند، که نشان‌دهنده حفظ پایداری ساختاری قیر جوان‌شده در برابر بارگذاری‌های تکراری است.
۶. ویژگی‌های شیمیایی
نتایج FTIR شواهد مهمی از فرایند جوان‌سازی شیمیایی ارائه داد. کاهش شدت باند جذب مربوط به گروه‌های سولفوکسیدی، نشان‌دهنده بازگشت نسبی اثرات اکسیداسیون بود. همچنین حضور گروه‌های آلیفاتیک و آروماتیک جدید ناشی از پسماند، ترکیب شیمیایی قیر را مجدداً متعادل کرد. اگرچه شدت باندهای کربونیل تغییر چندانی نداشت، اما کاهش شاخص‌های اکسیداسیون به‌طور کلی بیانگر اثر جوان‌سازی و کاهش آثار مخرب پیرشدگی طولانی‌مدت بود.
۷. مشاهدات ریزساختاری
تصاویر میکروسکوپی قیر پیرشده، سطحی زبر و نامنظم همراه با ترک‌ها و جدایش فازی مشخص را نشان داد. پس از افزودن پسماند نفتی پالایشگاه، مورفولوژی سطحی به‌طور محسوسی تغییر کرد. قیر اصلاح‌شده سطحی صاف‌تر، هم‌بندتر و یکنواخت‌تر داشت، به‌ویژه در نمونه‌های با درصد بالاتر پسماند. این بهبودها نشان می‌دهد که اجزای هیدروکربنی پسماند با قیر پیرشده تعامل مؤثری داشته و خلل‌های میکروسکوپی را پر کرده و یکنواختی ساختاری را بازسازی نموده‌اند.
۸. عملکرد حرارتی
نتایج TGA نشان داد که افزودن پسماند نفتی پالایشگاه الگوی تخریب حرارتی قیر را تغییر داده است. در حالی که افت جرم در دماهای پایین محدود بود، مرحله اصلی تجزیه حرارتی به‌صورت تدریجی‌تر رخ داد که نشان‌دهنده سازگاری بهتر حرارتی است.
جرم باقی‌مانده نهایی با افزایش غلظت پسماند کاهش یافت که بیانگر کاهش ساختارهای آسفالتنی غیرقابل‌تجزیه می‌باشد. این کاهش، نشان‌دهنده سامانه‌ای متعادل‌تر و پاسخ‌پذیرتر در برابر نوسانات حرارتی است، بدون تشکیل محصولات سخت تخریب حرارتی.
۹. ساختار کلوئیدی و تفسیر مکانیزمی
نتایج آنالیز SARA کاهش پیوسته نسبت آسفالتن به مالتن را با افزایش میزان پسماند نفتی پالایشگاه نشان داد. این امر بیانگر بازتوزیع در شبکه کلوئیدی است، به‌گونه‌ای که اجزای شبه‌مالتنی پسماند موجب تجزیه تجمعات بزرگ آسفالتنی و بازسازی ساختار میسلار پایدارتر شدند.
با افزایش توان حلالیت ذرات آسفالتنی، پسماند به پراکندگی یکنواخت‌تر و کاهش شکنندگی کلی قیر کمک کرد. در نتیجه، قیر جوان‌شده دارای چقرمگی و کشسانی بهتری شد و رفتاری نزدیک به قیر تازه از خود نشان داد.
۱۰. نتایج و کاربردها
این پژوهش تأیید کرد که پسماند نفتی پالایشگاه، در صورت تصفیه مناسب و استفاده در مقادیر بهینه، می‌تواند به‌عنوان یک عامل جوان‌ساز مؤثر برای قیر پیرشده عمل کند. این ماده نه‌تنها ویژگی‌های فیزیکی و رئولوژیکی را بازیابی می‌کند، بلکه تعادل شیمیایی، انسجام ریزساختاری و رفتار حرارتی قیر را نیز بهبود می‌بخشد.
پسماند پالایشگاهی به‌عنوان عاملی فعال در فرایند جوان‌سازی عمل کرده و موجب بازسازی سازگاری مولکولی و تعادل کلوئیدی می‌شود، نه صرفاً رقیق‌سازی قیر پیرشده.
از دیدگاه پایداری زیست‌محیطی، استفاده از پسماند نفتی پالایشگاه دو مزیت عمده دارد: بهبود عملکرد روسازی و کاهش آلودگی ناشی از دفع پسماندهای صنعتی. با این حال، مطالعات میدانی بلندمدت برای ارزیابی عملکرد واقعی و درک عمیق‌تر سازوکارهای مولکولی جوان‌سازی ضروری است.
۱۱. جمع‌بندی نهایی
یافته‌های این پژوهش مسیر ارزشمندی را برای توسعه فناوری‌های پایدار روسازی نشان می‌دهد؛ جایی که محصولات جانبی صنعتی مانند پسماند نفتی پالایشگاه می‌توانند به عوامل جوان‌ساز مؤثر تبدیل شوند.
از دیدگاه ساختاری و حرارتی، این ماده هم از نظر زیست‌محیطی و هم از نظر مهندسی حائز اهمیت است و می‌تواند به‌عنوان مؤلفه‌ای کارآمد در فرمول‌بندی آسفالت‌های سبز آینده مورد استفاده قرار گیرد.
این مطالعه بار دیگر پتانسیل مواد بازیافتی را در جهت حرکت صنعت قیر به‌سوی آینده‌ای چرخشی و پایدار برجسته می‌سازد.
