Einführung
Die Zusammensetzung von Rohöl ist unendlich vielfältig und komplex. Dies liegt an den verschiedenen Bestandteilen, die nach dem Trennungsprozess der Destillation aus dem Rohöl gewonnen werden können. Die aus Rohöl gewonnenen Bestandteile variieren jedoch je nach dem ursprünglichen Standort des Rohöls (Barth, 1962, S. 56).
So enthält Rohöl aus West Virginia und Pennsylvania viel Wachs, das in Rohöl aus anderen Regionen nicht vorkommt. Andererseits ist Rohöl aus Kalifornien dafür bekannt, dass es viel Asphalt enthält. Zu den verschiedenen Bestandteilen, die aus Rohöl abgetrennt werden können, gehören Schmieröl, Wachs, schweres Heizöl, Naphtha, Teer und Asphalt, um nur einige zu nennen.
In diesem Abschnitt werden die Herstellung, die Geschichte und die Verwendung von Asphalt erörtert. “Asphalt ist eine halbfeste oder hochviskose Substanz, die in natürlichen Vorkommen vorkommt oder aus Rohöl hergestellt werden kann. Asphalt hat eine schwarze Farbe und ist aufgrund seiner hohen Viskosität sehr klebrig” (Freemantle, 2013, S.1).
Es ist wichtig zu wissen, dass wir Asphalt fast jeden Tag sehen und betreten. Asphalt ist die wichtigste Substanz für den Bau von Straßen und Start- und Landebahnen für Flugzeuge. Straßen und Start- und Landebahnen sind schwarz, weil sie aus Asphalt bestehen. Daraus lässt sich ableiten, dass Asphalt weltweit stark genutzt wird. So werden beispielsweise allein in den Vereinigten Staaten von Amerika jährlich etwa 70 Milliarden Pfund Asphalt verbraucht. Es wird jedoch erwartet, dass dieser Verbrauch in Zukunft angesichts der hohen Entwicklungsrate noch zunehmen wird.
Ein großer Teil des heute verwendeten Asphalts stammt aus der Destillation von Rohöl. In der Tat ist Asphalt das Restprodukt der Rohöldestillation. “Als solches besteht Asphalt aus gesättigten und ungesättigten Verbindungen sowie aus aromatischen Verbindungen, deren Zusammensetzung je nach Herkunft des Rohöls unterschiedlich ist” (Barth, 1962, S.56).
Die meisten aliphatischen Verbindungen enthalten jedoch neben anderen Verbindungen auch Schwefel, Stickstoff, Heteroatome und Sauerstoff. “Ein typischer Asphalt besteht aus 80 % Kohlenstoff, 10 % Wasserstoff, 6 % Schwefel und geringen Mengen an Stickstoff und Sauerstoff” (Freemantle, 2013, S. 1). Auch Spurenelemente wie Eisen, Vanadium und Nickel sind im Asphalt enthalten. Die meisten aliphatischen Komponenten haben eine hohe Polarität und lösen sich daher leicht in polaren Substanzen wie Hexan und Heptan.
Aliphatische Verbindungen weisen aufgrund des Vorhandenseins von funktionellen Gruppen wie Amin, Alkohol und Carboxyl in ihrer Struktur eine hohe Polarität auf. Dennoch ist Asphalt aufgrund seines Polymernetzwerks von Natur aus thermoplastisch. Vor allem aber ist Asphalt hart und kann starken Temperaturschwankungen und Kräften standhalten, weshalb er im Straßenbau verwendet wird. Das folgende Bild zeigt ein Asphaltkorn.
Abb. 1 (Barth, 1962, S.67)
Geschichte des Asphalts
Asphalt gibt es schon seit 4000 v. Chr. Asphalt wurde zuerst als natürliche Ablagerungen auf der Erde erkannt. Man nahm an, dass diese Ablagerungen das Ergebnis alter Überreste von Lebewesen wie mikroskopisch kleinen Algen und anderen Kieselalgen waren.
Diese Überreste wurden auf dem Meeresgrund, auf Seeböden und im Schlamm gefunden, wo sie von Lebewesen bewohnt wurden. Asphalt wurde bereits in der Antike gefunden und hatte mehrere Verwendungszwecke, unter anderem als Bindemittel für Ziegelsteine, zum Zementieren von Schnitzereien, zum Abdichten und zum Abdichten von Schiffen.
“Aus der Bibel geht hervor, dass beim Bau des Turms von Babel Asphalt als Bindemittel für die Ziegelsteine verwendet wurde” (McNichol, 2005, S. 104). Dies zeigt also, dass Asphalt so alt ist wie die Bibel. Das Tote Meer, von den Römern gemeinhin als Palus Asphaltites (Asphaltsee) bezeichnet, war für die Ägypter die Hauptquelle für Asphalt.
Asphalt-Luftgebläseeinheit
Bei der Destillation von Rohöl werden verschiedene Produkte gewonnen, darunter Gase, schwere Brennstoffe, Naphtha, Wachs und Asphalt. Wie bereits erwähnt, ist Asphalt der Rückstand aus der Rohöldestillation und damit die niedrigste Substanz in der Destillationseinheit, wie in der Abbildung unten dargestellt.
Abb. 2 (McNichol, 2005, S. 107)
Die Rohöldestillation umfasst zwei Stufen, die atmosphärische und die Vakuumdestillation. Bei der atmosphärischen Destillation wird das Öl auf Temperaturen über dem Atmosphärendruck erhitzt, wodurch Gase und Stoffe mit geringer Dichte wie Benzin, Flugzeugtreibstoff und Heizöl gewonnen werden. Die Vakuumdestillation wird sowohl bei absolutem Druck als auch unter Vakuumbedingungen von 10-40 mmHg durchgeführt. Diese Stufe dient der Gewinnung von Schweröl, wie im folgenden Diagramm dargestellt.
Abb. 3 (Volodin et al., 2003, S. 213)
Wie im obigen Diagramm dargestellt, wird nach der Destillation das Öl mit dem Asphalt extrahiert und entasphaltiert, bevor es in den Luftblasprozess gelangt. Beim Ausblasen von Asphalt wird ein Luftkompressor eingesetzt, der Luft durch den flüssigen Asphalt bläst, der nach der Destillation übrig bleibt.
Dieser Prozess findet in einem Temperaturbereich von 235 bis 290 0C statt (Volodin et al., 2003, S. 213). Der Asphalt wird erhitzt, bis er diesen Temperaturbereich erreicht hat, und dann im Gebläseturm gehalten. In den Gebläseturm wird für eine bestimmte Zeit Heißluft eingeblasen. Die hoch erhitzte Luft wird durch den unteren Teil der Säule in die Blaskolonne eingeleitet.
Diese Luft dient normalerweise dazu, den erhitzten Asphalt zu durchmischen, um die Oberfläche für die beabsichtigte Reaktion zu vergrößern. Der Prozess des Einblasens von Luft wird sorgfältig durchgeführt, um jegliche Verbrennung des Asphalts zu vermeiden. Daher liegen die Temperaturen normalerweise unter dem Flammpunkt des Asphalts, um die Möglichkeit einer Verbrennung zu vermeiden.
Das Luftblasverfahren beinhaltet exotherme Reaktionen, da Wärme erzeugt wird. Es ist wichtig zu wissen, dass der Sauerstoff in der Luft, die für den Prozess verwendet wird, den Asphalt oxidieren lässt. Andererseits wird der Asphalt dehydriert, wodurch seine Molekülgröße zunimmt. Mehrere Faktoren beeinflussen die Reaktionsgeschwindigkeit in der Blaskolonne. Dazu gehören die verwendete Temperatur, die Verweilzeit, das Verhältnis von Luft und Zufuhr sowie die Viskosität und Herkunft des zugeführten Asphalts.
Verfahren zum Emulgieren von Asphalt
Nach dem Luftblasverfahren wird der gewonnene Asphalt einem Emulgierverfahren unterzogen, um eine Asphaltemulsion zu erhalten. Der Emulgierprozess beinhaltet im Wesentlichen das Mischen des Asphalts mit Wasser bei niedrigeren Schmelzpunkttemperaturen. Eine Emulsion kann einfach als die Dispersion von Flüssigkeitströpfchen in einer anderen Flüssigkeit mit unterschiedlicher Dichte definiert werden. Meistens handelt es sich bei Emulsionen entweder um Öl in Wasser oder um Wasser-in-Öl-Gemische.
Gängige Beispiele für Emulsionen sind u. a. Butter, Sahne und Mayonnaise. “Eine Asphaltemulsion enthält idealerweise 70 % Asphalt, der Rest sind Wasser und chemische Zusätze” (Freemantle, 2013, S.1). Dies liegt daran, dass die Emulsion durch Mischen von Asphalt mit Wasser und Emulgatoren hergestellt wird. Der Emulgator hat die Aufgabe, die Asphaltkügelchen zu dispergieren, so dass sie weit voneinander entfernt sind.
Dadurch entsteht zwischen den Kügelchen Raum, in dem sich die Wasserkügelchen binden und eine Emulsion bilden können. Durch die Anwendung von mechanischer Energie, die ausreicht, um den Asphalt in kleine Partikel zu zerlegen, wird der Emulsionsprozess in Gang gesetzt. Das Ziel der mechanischen Energie ist es, die Viskosität des Asphalts zu senken und ihn mit Wasser und anderen Stoffen mischbar zu machen. Der Grund für die Emulgierung von Asphalt ist, dass er bei verschiedenen Temperaturen verarbeitbar sein soll, da Asphalt bei niedrigen Temperaturen normalerweise sehr hart ist.
Vor der Emulgierung ist der Asphalt von brauner Farbe, die sich bei der Emulgierung deutlich in Schwarz verändert. Dieser Farbumschlag ist ein Zeichen dafür, dass die Emulsion nach dem Verdampfen des Wassers gebrochen ist. Es ist zu beachten, dass die Zeit, die das bei der Emulgierung verwendete Wasser zum Verdampfen und Abbinden benötigt, vom Emulsionstyp abhängt.
Nachfolgend finden Sie ein typisches Diagramm, das den Emulgierprozess von Asphalt zeigt.
Abb. 4 (Volodin et al., 2003, S. 213)
Der Mischungsprozess
“Bei der Emulgierung wird der Asphalt sowohl untereinander als auch mit anderen Flüssigkeiten in unterschiedlichen Anteilen mischbar” (Freemantle, 2013, S.1). Dadurch ist es möglich, verschiedene Asphaltmischungen mit unterschiedlichen Eigenschaften herzustellen. Der Mischprozess von Asphalt wird durch die Erweichungs- und Penetrationspunkte des Asphalts bestimmt, weshalb Mischtabellen erforderlich sind.
Die Diagramme zeigen die Erweichungs- und Penetrationspunkte der Asphalte, die gemischt werden sollen. Der Schnittpunkt der beiden Linien auf dem Diagramm wird dann beim Mischen verwendet. Die Erweichungspunkte werden durch Messung der Viskosität des Asphalts mit einem Viscoliner bestimmt und ein Diagramm ähnlich dem untenstehenden erstellt.
Abb. 5 Verwendung der Viskositätstabelle für Asphaltmischungen (Volodin et al., 2003, S. 215)
Bei dieser Art von Mischungen wird Paraffinwachs mit Asphalt vermischt. Da Paraffinwachs einen niedrigen Schmelzpunkt von etwa 600 °C hat, wenn es mit Asphalt gemischt wird, hat das Ergebnis eine niedrigere Viskosität als der ursprüngliche Asphalt. Diese Mischung hat auch eine geringere Klebrigkeit, insbesondere bei niedrigen Temperaturen.
Diese werden gemeinhin als “Cutbacks” bezeichnet. Diese Mischungen werden aus Erdölprodukten wie Gasöl, Kerosin, Naphtha und anderen hergestellt. Wenn sie gemischt werden, ist das Produkt normalerweise weicher als der ursprüngliche Asphalt.
Es gibt verschiedene Arten und Sorten von Asphalt, die bei der Verarbeitung entstehen. Diese Typen unterscheiden sich in ihrer Zusammensetzung, ihren physikalischen Eigenschaften und ihrem Aussehen. Zu den gebräuchlichen Asphaltarten und -sorten gehören die folgenden:
Die Einstufung von Asphalt nach seinem Eindringvermögen ist ein System, das bereits in den 1900er Jahren eingeführt wurde. Die Penetration von Asphalt wird mit einer 100-Gramm-Nadel bestimmt, die bei einer Temperatur von 250 °C in den Asphalt gestochen wird. Bei diesem Test dringt die Standardnadel tiefer in weniger zähflüssigen Asphalt ein, der dann als Asphalt mit hoher Eindringtiefe eingestuft wird.
Bei Asphalt mit geringer Penetration dringt die Nadel nicht oder nur wenig ein. Die Einstufung der Penetration ist wichtig, um die Art des Asphalts zu bestimmen, der in verschiedenen Klimaregionen verwendet werden soll. In diesem Fall wird der Asphalt mit geringer Eindringtiefe in Regionen mit hohen Temperaturen verwendet, während der Asphalt mit hoher Eindringtiefe in kalten Klimaregionen eingesetzt wird. Diese Methode ist jedoch sehr umstritten, da die Kritiker argumentieren, dass die Methode nicht ideal ist, da sie grundlegende Parameter wie die Viskosität nicht prüft.
Asphalt wird hauptsächlich für die Herstellung von Asphaltbeton verwendet, einem Material für den Straßenbau. “Der Verbrauch von Erdölasphalt für Asphaltbeton wird auf 80 % des gesamten in den USA verwendeten Erdölasphalts geschätzt. Er wird normalerweise als Klebstoff verwendet, der Schotter, Sand, Schlacke, Kies und andere Materialien zusammenhält” (McNichol, 2005, S. 67).
Walzasphaltbeton enthält beispielsweise das Asphaltbindemittel und die Zuschlagstoffe, Rückschnittasphalt enthält Erdöl-Lösungsmittel, Asphaltemulsionen enthalten chemische Zusätze und Asphalt, und Gussasphalt enthält weniger Zuschlagstoffe als Walzasphaltbeton.
Zweitens wird Asphalt für Dachschindeln verwendet, die etwa ein Fünftel des gesamten in den USA verwendeten Asphalts ausmachen. Dachmaterialien aus Asphalt sind in den USA das vorherrschende Material für Dächer (McNichol, 2005, S. 34). In China und Japan wird Asphalt in Keramik eingearbeitet, um sie wasserdicht zu machen. In Frankreich wird Asphalt in der Fotografie und Kunst eingesetzt, wo er zur Herstellung von Fotofilmen verwendet wird, die in Kameras eingesetzt werden.
Asphalt wird auch zum Pflastern von Parkplätzen für Fahrzeuge und Start- und Landebahnen auf Flughäfen verwendet. Darüber hinaus wird er auch für die Herstellung von Dammverkleidungen, Kanälen und Stauseen verwendet. Asphalt wird auch für die Herstellung von Batteriegehäusen und Bodenfliesen verwendet. Aufgrund seiner wasserabweisenden Eigenschaften wird Asphalt zur Imprägnierung von Materialien wie Textilien verwendet.
Er kann auch zur Herstellung von Viehsprays und zur Behandlung von Holzobjekten und -materialien wie Holzzaunpfählen verwendet werden. Insgesamt ergibt sich der Nutzen von Asphalt aus seiner Bindungsfähigkeit und seiner wasserabweisenden Eigenschaft. Diese Eigenschaften sorgen gemeinsam dafür, dass Materialien mit Asphalt zäh, hart und dauerhaft sind.
Schlussfolgerung
Aus der obigen Diskussion über Asphalt lässt sich ableiten, dass Asphalt in der Tat ein wichtiger Bestandteil ist, obwohl es sich um ein Rückstandsprodukt bei der Rohöldestillation handelt. Asphalt ist das Produkt, das nach der Destillation von Rohöl zurückbleibt, obwohl es auch als natürliche Ablagerungen in Meeres- und Seeböden vorkommen kann.
Um für die Verwendung geeignet zu sein, wird Asphalt verschiedenen Prozessen unterzogen, wie z. B. dem Einblasen, Emulgieren und Mischen (Barth, 1962, S. 68). Darüber hinaus gibt es verschiedene Asphalttypen, die sich vor allem in ihren physikalischen Eigenschaften und Anwendungen unterscheiden. Zu den gebräuchlichen Typen gehören Gussasphalt, Heißmischgut, Warmmischgut und Rückbauasphalt.
Asphalt ist das Hauptprodukt beim Bau von Straßen und Start- und Landebahnen (Volodin et al., 2003, S. 214). Andere in dem Papier erwähnte Verwendungszwecke von Asphalt sind Bedachungen, Bodenbeläge, Abdichtungen und Bindemittel, um nur einige zu nennen.
Trotz seiner vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten hat Asphalt nachweislich erhebliche Auswirkungen auf die Gesundheit, insbesondere bei längerem Kontakt mit diesem Stoff. Asphaltdämpfe, denen man in der Regel durch Einatmen ausgesetzt ist, stellen eine Gefahr für die Atemwege des Menschen dar.
Zu den unmittelbaren Atembeschwerden nach der Exposition gehören Husten und Reizungen der Atemwege. Wenn sie nicht sofort behandelt werden, kann Lungenkrebs entstehen. Asphaltdämpfe können auch Hautausschläge, Augenreizungen, Kopfschmerzen, Müdigkeit und andere kleinere Beschwerden hervorrufen. Da Asphaltdämpfe krebserregend sind, können sie bei längerer Exposition zu verschiedenen Krebsarten wie Magen- und Kehlkopfkrebs führen.
Referenzliste
Barth, E. (1962). Asphalt: Wissenschaft und Technik. New York: Gordon and Breach.
Freemantle, M. (2013). Asphalt. Abgerufen von http://pubsapp.acs.org/cen/whatstuff/stuff/7747scit6.html?
McNichol, D. (2005). Paving the Way: Asphalt in Amerika. Lanham, MD: National Asphalt Pavement Association.
Volodin, Yu, et al. (2003). Production of Asphalt from Activated Crude Oil Residues. Chemistry and Technology of Fuels and Oils, 39(4), 213-215.