قیر طبیعی (گیلسونایت)
وقتی که مواد فرار نفت خام موجود در اعماق زمین به مرور زمان و در برابر عوامل جوی تبخیر شود، ماده سیاهی از آن برجای می¬ماند که قیر طبیعی نام دارد. در حقیقت قیرهای طبیعی مواد هیدروکربنی سنگینی هستند که بر اساس نحوه تشکیل، خواص فیزیکی، حلالیت در تتراکلریدکربن و ترکیب شیمیایی به گروه¬های مختلفی مانند پیروبیتیومین¬آسفالتیک ، پیروبیتیومین¬غیرآسفالتیک ، آسفالتیت و غیره تقسیم¬بندی شده و این گروه¬ها نیز خود به گروه¬های مختلفی تقسیم¬بندی می¬شوند. مثلاً آسفالتیت¬ها به سه گروه گیلسونایت ، گراهامیت و گلانس¬پیچ تقسیم می¬شوند که گروه گیلسونایت از جمله مرغوب¬ترین و مشهورترین گروه¬های قیر طبیعی می-باشد.
کشورهای آمریکا، کانادا، ونزوئلا، روسیه، استرالیا، عراق و ایران دارای منابع عظیم و عمده گیلسونایت در جهان می¬باشند. به نظر می¬رسد که ایران پس از کشور¬های آمریکا و کانادا دارای سومین ذخایر گیلسونایت در جهان است، چنانچه بيش از ۱۵ درصد کل گیلسونایت جهان در ايران وجود دارد که آن‌هم عمدتاً در مناطق غربی ایران متمرکزشده است. بیشترین ذخیره یافت‌شده قیر طبیعی در جهان در ایالت‌های یوتا و کلرادو آمریکا واقع شده است. مناطق داراي قيرطبيعي در ايران، به طور عمده در استان‌هاي كرمانشاه (گیلانغرب، قصر شیرین و سومار)، ايلام (شهرستان آبدانان، ایوان و دهلران)، خرم آباد، و خوزستان واقع گرديده و در برخي مناطق ديگر مانند بوشهر نيز بصورت محدود مشاهده گرديده است. در بسیاری از نقاط زاگرس مانند بهبهان، گورسفید، سرپل ذهاب، کوهدشت و مسجدسلیمان علایم وآثاری از مواد هیدروکربوری به چشم می‌خورد.
كشور ما به لحاظ ذخاير گيلسونايت جزء يكي از كشورهاي غني در جهان مي¬باشد كه مي¬تواند يكي از منابع اصلي تامين¬كننده اين ماده معدني در بازارهاي جهاني باشد ولي متاسفانه در سال¬هاي اخير بدليل عدم برنامه-ريزي صحيح
Asphaltic Pyrobitumen
Non-Asphaltic Pyrobitumen
Asphaltite
Gilsonite
Grahamite
Glance pitch
استخراج از اين معادن بصورت سنتي صورت مي¬گيرد و بدون عمليات فرآوري بصورت خام به خارج از كشور صادر مي¬گردد.
امروزه تحقیقات و تلاش¬های زیادی جهت افزایش مرغوبیت پودر گیلسونایت و فرآورده¬های آن با کاهش مقادیر گوگرد، رطوبت و خاکستر و نیز آسیای آن در مقیاس میکرو (مش‌های ۲۰۰ و بالاتر) انجام می¬شود. همچنین با جایگزین کردن روش¬های پیشرفته¬ی صنعتی به‌جای روش¬های سنتی و روباز، ضمن حذف آلودگی¬ها و خطرات زیست¬محیطی، از هدر رفتن محصول و خواص آن جلوگیری می شود.
ویژگی های بارز گیلسونایت
ویژگی منحصر بفرد گیلسونایت میزان نیتروژن بالای آن است که بیشتر به شکل پیرول، پیریدین و گروه‌های تابع آمیدی می باشند. گروه‌های فنولیک و کربونیک هم وجود دارند. میزان اکسیژن کم نسبت به نیتروژن زیاد نشان‌دهنده عملکرد بالای نیتروژن است. این امر از ویژگی‌های سطح مرطوب گیلسونایت و مقاومت آن در برابر رادیکال‌های آزاد اکسیژن بشمار می‌رود. وزن متوسط مولکولی گیلسونایت amu 3000 می‌باشد که نسبت به دیگر فرآورده‌های آسفالتی و رزین‌های سنتز شده بالاتر است. این امر ممکن است به رفتار نیمه‌پلیمری گیلسونایت هنگامی که در سیستم‌های پلیمری و الاستومری بعنوان رزین اصلاح‌کننده بکار می‌رود وابسته باشد. گیلسونایت پتانسیل واکنش پذیری دارد که در واکنش‌های شاخه پیوندی و نوع افزوده دیده شده است و همچنین تحت شرایط ویژه با اجزاء فرمالدئید واکنش می‌دهد.
گیلسونایت در درجات متفاوت در دسترس بوده و بر اساس درجه نرمی دسته بندی می شود. درجه نرمی بعنوان یک راهنمای تقریبی برای حل کردن چسب و بررسی رفتارهای حلال استفاده می¬شود. اختلاف شیمیایی بین درجات گیلسونایت ناچیز بوده و تنها تفاوت‌های جزئی در وزن مولکولی و میزان آسفالتین/ رزینی بودن آن وجود دارد.
کاربرد گیلسونایت در صنایع مختلف
گيلسونايت براي نخستين بار به صورت تجاري در روغن‌هاي جلا و آستر¬هاي ويژه واگن‌هاي اسبي استفاده شده است. همچنین از آن براي رنگ‌هاي جلاي اتومبيل با عمر طولاني و رنگ‌هاي سياه پررنگ استفاده کرده¬اند. از سال ۱۹۰۴ گيلسونايت در انواع محصولات از قبيل جعبه‌هاي باتري، موزاييك¬هاي كف، تركيبات ترموپلاستيك قالب‌ها، مشمع كف اتاق، لاستيك و… به كار برده شده است. يكي از پيشرفت‌هاي عظیم در طی این سال¬ها استفاده از گیلسونایت در سوخت‌هاي صنعتي و روكش‌هاي جاده بوده که البته لازم به ذکر است اين پيشرفت در مابين سال¬هاي ۱۹۷۳ـ۱۹۵۷ به دلايل اقتصادي متوقف شد.
گيلسونايت براي بیش از ۱۶۰ نوع محصول از قبيل مصالح ساختماني، جوهرهاي چاپ، محصولات مورد استفاده در جاده‌ها و بزرگراه¬ها، حفاري چاه¬هاي نفت، رنگ، لاستيك، فولاد و صنعت ريخته‌گري به كار رفته است. سابقه استفاده از گيلسونايت به بیش از ۱۰۰ سال مي‌رسد.
کاربرد گیلسونایت در تولید کک
گیلسونایت دارای ۸۰-۷۰ درصد کربن بر مبنای آنالیز عنصری می¬باشد، به این دلیل وقتي به فولاد مذاب اضافه مي‌شود محيطي كاهنده را به وجود مي‌آورد و می¬توان آن را در کنار مواد کک شونده مانند زغال¬سنگ استفاده کرد. همچنین امکان تهیه کک از بعضی از انواع آن وجود دارد. بيتومين را با زغال¬سنگ¬هايي كه خاصيت كك شوندگي در آنها ضعيف است مخلوط كرده و از آن كك تهيه مي‌كنند که این نوع غالباً در صنايع قند استفاده مي‌شود. همچنين از انواع بدون سولفور آن يا پس از سولفور¬زدايي، نوعي كك بنام كك سوزني تهيه مي‌شود كه مصرف فراواني در كوره¬هاي ذوب قوس الكتريك دارد.
کاربرد گیلسونایت در جوهرهاي چاپ
گيلسونايت به عنوان نخستين عامل كربن سياه مرطوب براي رنگ‌هاي تيره جوهرهاي روزنامه و مجله استفاده شده است. كنسانتره‌هاي بالايي از گيلسونايت در تركيب جوهرهاي چاپ روزنامه استفاده شده است. استفاده اصلي از گيلسونايت به عنوان يك ماده افزودني براي پراكندگي ذرات كربن سياه می¬باشد كه رنگ تيره جوهرهاي چاپ از آن است. به¬طور نرمال گيلسونايت در دوزهاي ۲ تا ۵ درصد در فرمول و تركيب رنگ¬های مختلف استفاده مي‌شود اما در بعضي مواقع مقادير ۱۰ تا ۲۰ درصد به عنوان يك جايگزين كم‌هزينه براي ساير رزين‌ها در تركيبات جوهر سياه به كار مي‌رود.
کاربرد گیلسونایت در رزين ER125 مورد استفاده در صنعت جوهرسازي
رزين ER125 در ساخت جوهرهاي حرارتي، چاپ و گراور استفاده مي‌شود. اين ماده با تغيیرات جزئي براي رزين هيدروكربني، رزين آلكيدي، رزين تغييريافته هيدروكربني، رزين‌هاي روغني تغييريافته فنولي، آسفالت اكسيد¬شده و رزين‌هاي فلزي استفاده مي‌شود. بهترين كاربرد آن در وسايل پودر كردن كربن سياه زماني است كه جاي بيشتر از نصف رزين هيدروكربني و يك¬چهارم رزين آلكاليدي را بگيرد. اين ماده همچنين در واكس‌هاي ژله‌اي كه مي‌تواند جاي يك¬چهارم رزين هيدروكربني تغييريافته فنوليكي و بيشتر از يك¬چهارم رزين‌هاي روغني تغييريافته فنولي را بگيرد، استفاده مي‌شود. برخلاف رزين‌هاي هيدروكربني، رزين‌هاي ER125 (رزين‌هاي گيلسونايتي) اين قابليت را دارند كه با مواد آلومينيومي ژله‌اي واكنش دهند. در جوهرهاي چاپ، رزينER125 به عنوان جايگزين جزئي براي گيلسونايت و آسفالت اكسيد¬شده استفاده مي‌شود. رزين ER125 گرانروي محلول دارد كه كمتر از گيلسونايت است بنابراين رزين بيشتري در همان سطح گرانروي و جهت حركت مي‌توان استفاده كرد. مقدار رزين افزايش يافته قابليت پاك‌شدن بهتري به جوهر چاپ مي‌دهد و همچنین در جوهرهاي گراور، رزين ER125 سياه‌كنندگي كربن را موثرتر از هر ماده¬ی تركننده ديگري به نمايش مي‌گذارد.
کاربرد گیلسونایت در صنعت رنگ
گيلسونايت در صنعت رنگ‌سازي براي سال هاي متمادي استفاده مي‌شده است. اين ماده در رنگ‌هايي كه بيتومين پايه‌رنگ را تشكيل مي‌داده، براي افزايش سختي لايه رنگ به كار مي‌رفته است. همچنين در مواد سياه براي رنگ‌كردن شاسي اتومبيل‌ها و روكش رادياتورها به عنوان رزين‌هاي كم‌هزينه و در رنگ‌كننده‌هاي چوب به خاطر رنگ قهوه‌اي تيره به كار رفته است. به دليل خواص فيزيكي و شيميايي منحصر به‌فرد گيلسونايت، اين ماده مي‌تواند خواص بسيار مفيدي را به رنگ و روكش بدهد. مقدار نيتروژن بالاي گيلسونايت، چسبندگي و پايداري در مقابل نور ماوراء بنفش روكش را افزايش مي‌دهد. گيلسونايت هم آبران و هم از لحاظ شيميايي خنثي است. اين خواص مقاومت شيميايي و مقاومت در برابر آب روكش را زياد مي‌كند. وقتي بيتومين با دمش هوا تغيير مي‌يابد تعادل كلوئيدي به هم مي‌ريزد كه اين باعث مي‌شود روغن و واكس در بيتومين خارج شود. اگر اين روغن‌ها و واكس‌ها به سطح بيايند درخشندگي روكش كمتر مي‌شود و اگر اين روغن و واكس‌ها به سطح داخلي روكش بروند چسبندگي روكش كاهش مي‌يابد. فرمول‌هاي زيادي براي روكش‌هايي كه با گيلسونايت تهيه شده‌اند توسط شركت امريكن گيلسونايت به دست آمده است.
کاربرد گیلسونایت در گل حفاري
گيلسونايت در گل حفاري و در سيماني كردن چاه¬هاي نفتي به كار مي‌رود. اين ماده در سايزهاي بسيار ريز و نقطه نرم‌شدگي بالا مي‌تواند به عنوان يكي از اجزاء استاندارد گل‌هاي حفاري، چشمه‌هاي نفتي كه در شيل‌ها و ديگر ساختارهاي سخت زمين‌شناسي استفاده مي‌شوند، به كار ¬رود. گيلسونايت با داشتن خواص ويژه، از طریق پايدار كردن ساختارهاي شيلي مزاحم اگر به گل حفاري اضافه شود، فرسايش چال‌ها را به حداقل مي‌رساند و با كاهش نيروهاي گشتاور و كششي به درزگيري ماسه‌هاي بسيار تراوا و نفوذپذير كمك مي‌كند. براي سال¬هاي متمادي، گيلسونايت به عنوان يك ماده افزودني گل حفاري در ميدان‌هاي نفتي كاربرد داشته است. گيلسونايت با عيارها و فرمولاسيون‌هاي متفاوت، براي جلوگيري از مشكلات ناپايداري گمانه‌ها و انجام روغن¬كاري در گمانه‌هاي به شدت منحرف‌شده، به كار مي‌رفته است. اخيراً بيشتر به عنوان يك عامل براي مقابله با فشارهاي ناشي از چسبندگي‌هاي مختلف و مهياكردن يك مغزه گل با قدرت تهاجم كم به كار مي‌رود. با توجه به مطالب بالا مي‌توان نتيجه‌گيري كرد كه شكل‌هاي خاص و مناسبي از محصولات گيلسونايتي مي‌توانند ريزش چال‌ها را در ساختارهاي به شدت تراوا و باتلاق¬هاي شيلي كاهش دهند و نيز با ايجاد يك قالب ديواره مانند باريك و صاف درون چال، مشكلات استفاده از لوله‌هاي چسبناك را كاهش دهند. عوامل موثر در ناپايداري گمانه‌ها بسيار زياد مي‌باشند كه شامل عوامل فيزيكي، شيميايي، مكانيكي و… مي‌باشند.
کاربرد گیلسونایت در صنایع ریخته گری
گيلسونايت به عنوان يک افزودني کربناته در ماسه هاي ريخته گري استفاده مي‌شود که باعث ايجاد صفحات هموارتر بر روي قالب هاي آهن خاکستري مي گردد. گيلسونايت همراه زغال تشکیل شده در پوسته اقیانوسی مخلوط گرديده و به عنوان يک چسب ويژه براي ماسه هاي ريخته گري استفاده مي شود که باعث کاهش عيب-های پايان عمليات ريخته گري مي گردد. همچنین از گیلسونایت در ریخته گری به عنوان گيرش‌دهنده برای شكل‌دادن فلزات و مخلوط کردن با ترکیبات شیمیایی مانند منيزيم و آهك هيدراته برای عمل گوگرد زدایی در صنایع فولاد استفاده می شود.
کاربرد گیلسونایت در ساخت فولاد
گیلسونایت به عنوان يك جزء تركيبي افزودني در محصولات فولاد استفاده مي¬شود كه در سنگ آهك، آهك منيزيم و كاربيدكلسيم به سيستم اضافه مي‌شود كه باعث جابجايي ناخالصي‌هايي نظير گوگرد، سيليس و فسفر از فولاد مذاب مي‌شود و آنها را به سرباره منتقل مي‌كند. ۷۵% گیلسونایت به عنوان مواد فرار در ۱۹۰۰ درجه فارنهايت، وقتي كه با فولاد مذاب مخلوط مي‌شود ناخالصي‌ها را به سرباره منتقل مي‌کند.
کاربرد گیلسونایت در ساخت پوشش لوله‌های نفت و گاز
جهت حفاظت از لوله‌های نفت و گاز در مقابل خوردگی، پوشش آنها با مواد عایق‌کننده الزامی است. قیرهای قطرانی گرچه عملکرد مناسبی دارند ولی بدلیل مشکلات زیست‌محیطی و خطرات جانبی برای انسان‌ها از نظر کاربرد محدودیت پیدا کرده‌اند. در همین رابطه فرمولاسیون ساخت پرایمر و انامل با استفاده از افزایش قیر طبیعی به قیر نفتی بدست آمده و این محصول توسط برخی از شرکت‌های داخلی تولید گردیده است.
كاربرد گیلسونایت در آسفالت و روسازي راه‌ها
گیلسونایت به عنوان يك عامل براي افزايش كارايي و بازدهي، در مخلوط آسفالت به كار مي‌رود. آسفالت آميخته‌شده با گیلسونایت عيار بالا، بدون نياز به ديگر مواد متعادل‌كننده كه به صورت پودر به آسفالت اضافه مي‌شوند به صورت كاملاً يكپارچه درمي‌آيد. گیلسونایت به صورت كلي يا جزئي و يا به عنوان مكمل از نظر ارزش و قيمت مي‌تواند جايگزين پليمرهاي SBS در متعادل‌كننده‌هاي آسفالت شود. آسفالت‌هاي متعادل‌شده با گیلسونایت، پايداري بالاتر، تغيير شكل كمتر، توانايي در برابر درجه حرارت كمتر و مقاومت بيشتر در برابر آب، نسبت به آسفالت‌هاي مخلوط‌نشده با گیلسونایت را دارند. در واقع وظيفه اصلي گیلسونایت در اين كاربرد بهبود پايداري روسازي‌ها و مقاومت آنها در برابر تغيير شكل است كه توانايي تحمل بار را افزايش مي‌دهد و در ناحيه‌هايي كه تحت فشار بالا هستند مورد استفاده قرار مي‌گيرند.
گیلسونایت معمولاً به دو روش در ساخت روسازی‌های آسفالتی به کار می‌رود: افزودن گیلسونایت به قیر پیش از اختلاط با سنگ¬دانه و یا افزودن آن به سنگ¬دانه‌ها پیش از اختلاط با قیر. افزودن گیلسونایت به عنوان افزودنی به قیر، گرانروی آن را افزایش و درجه نفوذ آن را کاهش می‌دهد. نتیجه این افزودن، ایجاد یک قیر اصلاح‌شده با سختی بیشتر است. به علت نقطه نرمی بالاتر، سختی گیلسونایت در دمای اتاق بسیار بیشتر از قیرهای رایج است (حدود ۵۰ برابر سختی قیر خالص در دمای اتاق). با افزایش درصد گیلسونایت، گرانروی قیر افزایش یافته، عملکرد قیر اصلاح شده در دمای بالا بهبود می‌یابد اما در دمای متوسط و پایین بدتر می‌شود؛ با این وجود دامنه‌ی دمای سرویس‌دهی افزایش می‌یابد و می‌تواند برخی از رده‌های عملکردی مورد نیاز را تامین کند. استفاده از گیلسونایت به جای پلیمری نظیر SBS بسیار مقرون به صرفه است در حالی که همان خصوصیات رفتاری را در قیر دماهای بالا ایجاد می‌کند. از طرفی دیگر ایران نیز در نقطه‌ای از دنیا قرار گرفته است که معادن عظیمی از گیلسونایت غنی در آن نهفته است؛ بنابراین شاخص هر چه بیشتر این ماده از ضرورت بالایی برخوردار است زیرا علاوه بر بهبود برخی از خواص عملکردی قیر و مخلوط آسفالتی، هزینه پروژه‌های راهسازی را کاهش می‌دهد.
در پژوهشی از گیلسونایت به عنوان ماده میانی قیر و سنگ¬دانه به منظور کاهش تمرکز تنش بین این دو استفاده کردند که نتایج آزمایش بر روی این نمونه‌ها نشان از بهبود مقاومت در برابر رطوبت داشت. اما این کاربرد گیلسونایت، یعنی استفاده از آن به عنوان لایه میانی بین قیر و سنگ¬دانه رایج نیست زیرا دشواری‌هایی نظیر حل کردن آن در تری‌کلرواتیلن به منظور پوشش سنگ¬دانه‌های درشت، در صنعت عملیاتی نیست. با این حال، حساسیت رطوبتی مخلوط آسفالتی اصلاح شده با گیلسونایت تاکنون مورد بررسی قرار نگرفته است. نتایج آزمایش‌ها نشان می‌دهد که استفاده از قیر اصلاح شده با گیلسونایت، مقاومت کششی غیر مستقیم مخلوط آسفالتی را افزایش و حساسیت رطوبتی آن را کاهش می‌دهد. بنابراین استفاده از آن در مناطق مرطوب و بارانی توصیه می‌شود. البته باید در نظر داشت که حساسیت رطوبتی، تنها یکی از ویژگی‌های مخلوط آسفالتی است که باید در کنار سایر موارد دیده شود و سپس تصمیم مناسب گرفته شود.
همچنين گیلسونایت براي ساختن حلال پايه، سنگفرش امولسيوني با مشخصات آب و هوايي و نمايي برتر مورد استفاده قرار مي‌گيرد. گیلسونایت به عنوان يك عامل نگهدارنده در مخلوط‌هاي داغ روسازي استفاده مي‌شود. مخلوط‌هاي اصـلاح شـده پايـداري روسازي را افزايش مي‌دهد. در واقع وظيفه اصلي گیلسونایت در اين كاربرد بهبود پايداري روسازي‌ها و مقاومت آنها در برابر تغيير شكل است كه توانايي تحمل بار را افزايش مي‌دهد و در ناحيـه‌هـايي كـه تحـت فشـار بالا هستند مورد استفاده قرار مي‌گيرند. بيش از ۱۰ درصد از آسفالت پوششي جاده‌ها در ايالات متحده آمريكا كـه مورد بررسي قرار گرفته سطح‌هاي تحت فشار بالا هستند و تعديل‌كننده‌هايي مانند گیلسونایت فقـط در حـدود ۱% از اين جاده‌ها استفاده شده است. هر چند كه مواد رقابت‌كننده با گیلسونایت در اين كاربرد آسفالت سـخت، آسفالت دميده‌شده، لاستيك‌ها پليمرها، كربن سياه و فيبرها هستند. حدود ۳۵ نـوع جـايگزين متفـاوت بـراي گیلسونایت وجود دارد ولي به خاطر اينكه نسبت هزینه به مزایای گیلسونایت كمتر از آنها است، گیلسونایت مورد استفاده بهتري دارد. به عبارت ديگر مزاياي گیلسونایت از هزينه‌هاي آن بيشتر است.
در يك پژوهش انجام گرفتـه در آمريكا تاثير گیلسونایت بر آسفالت مورد بررسي قرار گرفته است. در اين پژوهش از آسـفالت هـاي penـ۳۰ و penـ۵۰ استفاده شده است. Penـ۳۰ بيان‌كننده ميزان نفوذپذيري آسفالت مي‌باشد، به اين طريق كه در يـك آزمايش ميزان فرورفتگي سوزني را كه تحت يك فشار خاص قرار دارد در دما و زمان معين اندازه گرفته و به عنوان پارامتر نفوذپذيري آسفالت بيان مي¬كنند. Penـ ۳۰ نشان‌دهنده آن است كه سوزن، ۳۰ صدم ميليمتر در آسفالت نفوذ كرده است. Penـ۵۰ آسفالتي است كه سوزن تا ۵۰ صدم ميليمتر در آن فرورفته است. بنابراين آسفالت penـ ۳۰ داراي مقاومت بيشتري نسبت به آسفالت penـ ۵۰ مـي‌باشـد. بـا افـزايش درجـه حـرارت و همچنين پايين بودن نقطه نرم‌شدگي آسفالت اين تعداد نيز افزايش مي‌يابـد. بـه عبـارت ديگـر حـرارت باعـث نرم‌شدن و نفوذ بيشتر سوزن مي‌گردد. گیلسونایت اين نفوذپذيري را كاهش مي‌دهـد زيـرا نقطـه نـرم شـدگي آسفالت را بالا مي برد.
This post is also available in: English