基于微波热裂解技术制备生物再生剂的方法、生物再生剂、应用

技术领域

本发明属于沥青再生剂材料技术领域，具体涉及基于微波热裂解技术制备生物再生剂的方法、生物再生剂、应用。

背景技术

交通运输部发布数据显示，截止2021年底，全国公路总里程为528.07万公里，比2020年增长8.26万公里，高速公路里程已达16.91万公里。公路在众多交通运输基础设施中起着极为重要的作用，其中高等级公路承担着巨大的客运和货运任务。因此研发高性能、可降解的绿色生物质道路新材料成为当前亟需解决的关键问题，而关于生物质再生剂的研究，不但能改善沥青路用性能，增长路面使用寿命，还能解决当前废弃资源再利用和生态环境污染等问题。

石油沥青是高等级公路建设中不可或缺的材料，我国石油沥青的需求量呈快速增长趋势，而国内石油沥青产能难以供应整体需求。国家统计局数据表明2020年全国石油沥青表观需求量已达到8348.5万吨，比2019年的5562.9万吨增长了50.1 %，而我国2020年石油沥青的产量仅为6279.6万吨，虽比2019年5039.1万吨的产量增长了24.6 %，但是仍无法满足需求量。沥青作为石油原油精炼产物，是动植物残骸在漫长地质演化中形成的一类不可再生资源。沥青储量不断降低造成其价格不断上涨，此外，每年路面维护过程中都会产生大量的旧沥青路面（RAP）材料。据统计，仅我国路面养护产生的RAP材料每年就达到5000~8000万吨，而且这个数据还在不断增长。如果不对这些RAP材料进行处理，不仅会给环境带来很大的负担，还会造成大量的资源浪费。因此，面对原油资源紧缺和公路建设的迫切需求，再生RAP材料已成为一种兼具经济效益和环境效益的选择。迫使研究人员找到能够替代或者部分替代沥青，且能改善路用性能的绿色新材料。从环境保护和可持续发展角度考虑，将废弃资源或者易获得、储量大的生物质材料作为再生剂，用于沥青中改善材料性能，同时部分替代石油基再生剂，铺筑出耐久性好的长效路面是当前最有效的解决办法。因此开发绿色、环保、高效的再生剂成为未来道路材料领域新的发展方向，研究和评估在沥青中掺加生物基再生剂的可行性及其重要性能显得尤为重要。

发明内容

本发明提供基于微波热裂解技术制备生物再生剂的方法、生物再生剂、应用，该生物再生剂与沥青相容性较好，运用到沥青再生中，能够有效恢复废旧沥青混合料路用性能；该生物再生剂生物油组分可调、符合路用性能，且生物再生剂的加入可大幅降低石油基再生剂用量，实现农林废料再利用，达到降碳效果；本发明制备工艺环保、经济效益和生态效益显著。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于微波热裂解技术制备生物再生剂的方法，包括以下步骤：

步骤S1、热裂解处理：对玉米芯进行热裂解处理；

步骤S2、制备重质植物焦油：对步骤S1中经过处理的玉米芯进行蒸馏，分离可凝性挥发分和不可凝性挥发分，收集200℃以上冷凝点的液相产物作为重质植物焦油；

步骤S3、制备生物再生剂：将步骤S2中制备的重质植物焦油与增塑剂混合加工，得到生物再生剂。

作为本发明的进一步优选，步骤S1中热解方式为微波热裂解，热裂解温度为550℃；步骤S2中蒸馏温度为200℃。

作为本发明的进一步优选，步骤S1中热裂解过程为无氧环境。

作为本发明的进一步优选，步骤S3中增塑剂为邻苯二甲酸二甲酯或邻苯二甲酸二丁酯的一种或两种的任意比例的组合。

作为本发明的进一步优选，步骤S3中重质植物焦油与增塑剂混合方式为，采用高速搅拌机以130℃的温度搅拌10min。

还提供了一种利用所述的基于微波热裂解技术制备生物再生剂方法制备的生物再生剂，本生物再生剂以质量百分比记，包括：

重质植物焦油：85%～95% ；增塑剂：5%～15%。

作为本发明的进一步优选，以质量百分比记，重质植物焦油与增塑剂的混合比例是95：5～85：15 。

还提供了一种将所述的生物再生剂惨入老化沥青作为路面铺装材料的应用。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明制备方法具有优良的将碳效益，绿色环保，且产物经测试满足路用性能要求。

2、本发明制备方法高效实用，废物利用率高，将微波热裂解所得的产物以分馏的方式得到植物基重质焦油与增塑剂混合，制成生物再生剂。

3、本发明制备方法制备的生物再生剂可运用于公路铺装中替代石油基再生剂，可以形成稳定的降碳效果，具有良好的经济、环境效益。

4、本发明制备方法制备的生物再生剂掺入老化沥青可恢复老化沥青的流变性能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明制备生物再生剂的方法的流程图；

图2是本发明原始、老化和生物再生沥青的粘度曲线；

图3是本发明原始、老化和生物再生沥青的复数模量主曲线；

图4是本发明弯曲梁流变m值折线图；

图5是本发明蠕变劲度折线图；

图6是本发明原始、老化和生物再生沥青的羰基和亚砜指数条形图；

图7是本发明原始、老化和生物再生沥青凝胶色谱重均分子量、数均分子量和多分散指数条形图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

本申请一种基于微波热裂解技术制备生物再生剂的方法，包括以下步骤：

步骤S1、热裂解处理：对玉米芯进行热裂解处理；

优选地，步骤S1中热解方式为微波热裂解，热裂解温度为550℃；且热裂解过程为无氧环境。具体地，将玉米芯经过研磨仪研磨10min并过标准筛，使其平均粒径小于2mm，将研磨过筛后的玉米芯在微波热裂解装置中进行热裂解处理。

步骤S2、制备重质植物焦油：对步骤S1中经过处理的玉米芯进行蒸馏，分离可凝性挥发分和不可凝性挥发分，收集200℃以上冷凝点的液相产物作为重质植物焦油；收集的重质植物焦油的化学成分如表1。

表

步骤S3、制备生物再生剂：将步骤S2中制备的重质植物焦油与增塑剂混合加工，得到生物再生剂；

具体地，重质植物焦油与增塑剂以质量比95：5～85：15的比例混合加工制备生物再生剂。增塑剂为邻苯二甲酸二甲酯或邻苯二甲酸二丁酯的一种或两种的任意比例的组合。重质植物焦油与增塑剂混合方式为，采用高速搅拌机以130℃的温度搅拌10min。

实施例1

本实施例提供一种优选实施方案，一种基于微波热裂解技术制备生物再生剂的方法，重质植物焦油与增塑剂以质量比90:10的比例混合加工制备生物再生剂，具体包括以下步骤：

步骤S1、热裂解处理：对玉米芯进行热裂解处理；

将玉米芯经过研磨仪研磨10min并过标准筛，使其平均粒径小于2mm，将研磨过筛后的玉米芯在微波热裂解装置中经过550℃的高温。

步骤S2、制备重质植物焦油：对步骤S1中经过处理的玉米芯进行蒸馏，分离可凝性挥发分和不可凝性挥发分，收集200℃以上冷凝点的液相产物作为重质植物焦油；

步骤S3、制备生物再生剂：将步骤S2中制备的重质植物焦油与增塑剂混合加工，得到生物再生剂；

具体步骤如下：

步骤S3-1、按质量百分比，重质植物焦油85% 、增塑剂15%，选取重质植物焦油和增塑剂；

步骤S3-2、将步骤S3-1中选取的重质植物焦油放入高速剪切机中，以120℃恒温加热10min后，剪切机200r/min搅拌20min，边搅拌边按步骤S3-1中确定的质量百分比加入增塑剂；

步骤S3-3、搅拌结束后待自然冷却至室温即制得生物再生剂。

本实施方案的基本原理为所用重质植物焦油具有一定黏度且流动性好，与老化沥青具有较高的相容性。同时重质植物焦油中含有含量较高的芳香分组分,芳香分是沥青再生剂的基础。芳香分是沥青中小分子量化合物,具有分散溶解沥青质的作用。在沥青老化过程中，沥青中沥青质组分增加而芳香分组分减少，因此再生剂应具有一点含量的芳香分。并且，重质植物焦油中含有大量小分子化合物，可以补充沥青老化过程中轻质组分的损失。在生物油中加入增塑剂,可以增强再生剂对老化沥青延度及黏度恢复的能力，复配出能够再生老化沥青的生物再生剂。

本实施方案还提供将本实施例中制备的生物再生剂惨入老化沥青中作为路面铺装材料的应用。上述生物再生剂与沥青相容性较好，运用到沥青再生中，能够有效恢复废旧沥青混合料路用性能。上述生物再生剂生物油组分可调、符合路用性能，且生物再生剂的加入可大幅降低石油基再生剂用量，实现农林废料再利用，达到降碳效果。

如图2所示，可知剂量为5%、10%的生物再生剂有助于将粘度降低到原始沥青和PAV老化沥青之间的粘度，并且生物再生沥青的旋转粘度随着生物再生剂含量的增加而降低，这是由于生物油的流动性越好，生物油中轻质化合物含量越高，有助于粘度的降低。因此，可以使用重质植物焦油作为再生剂。

如图3所示，生物再生剂有利于降低老化沥青的复数模量，这表明生物再生剂可以软化老化沥青。因此，可以使用重质植物焦油作为再生剂。

如图4和图5所示，生物再生剂有助于降低老化沥青的蠕变劲度并提高老化沥青的m值，这表明生物再生剂有助于恢复老化沥青的低温性能。

如图6所示，为原始、老化和生物再生沥青的羰基和亚砜指数。两种指数都随着生物再生剂的添加而降低。这表明生物再生剂可以从官能团指数方面再生老化沥青。

如图7所示，生物再生剂会减少老化沥青的重均分子量、数均分子量和多分散指数。由于老化过程中氧化，聚合导致沥青分子量增大，而生物再生剂可以降低老化沥青的分子量，因此，可以使用生物油作为再生剂。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。