قیر طبیعی چیست و چگونه تشکیل می شود ؟

قیر طبیعی که به عنوان آسفالت یا قیر نیز شناخته می شود، ماده ای طبیعی، بسیار چسبناک و چسبنده است که از بقایای موجودات دریایی باستانی تشکیل شده است. این ماده در ذخایر وسیعی در سراسر جهان یافت می شود و هزاران سال است که برای اهداف مختلف از جمله عایق رطوبتی، جاده سازی و سقف سازی استفاده می شود.

با افزایش تقاضا برای مواد پایدار و سازگار با محیط زیست، قیرمعدنی به دلیل پتانسیل آن به عنوان یک منبع تجدید پذیر، مورد توجه مجدد قرار گرفته است. این مقاله مروری بر قیر طبیعی از جمله تعریف، پیدایش، خواص فیزیکی و شیمیایی، تکنیک‌های استخراج و تصفیه، کاربردها در صنایع مختلف، و چشم‌اندازها و چالش‌های آتی ارائه می‌کند.

کامل ترین تعریف قیر طبیعی یا قیر معدنی و خواص فیزیکی و شیمیایی آن :

قیر طبیعی، (قیر معدنی) این نوع ماده معدنی به صورت جامد یا مایع در نزدیکی منابع نفتی وجود دارد.دلیل تشکیل  بیتومن در سطح زمین یا در لایه های زیرین زمین، تغییر شکل نفت در طول قرنهای طولانی است.

 همچنین، درسالهای گذشته برخی از مخازن نفت خام در سطح زمین و یا نزدیکی سطح زمین موجود بوده و در سالهای متمادی در اثر تابش آفتاب، روغنهای سبک آن متصاعد شده و قیر که سنگین‌ترین عنصر نفت خام می‌باشد در معدن باقی مانده و اکنون مورد استفاده قرار می گیرد.

باید گفت قیر معدنی، از تبخیر روغن های نفت خام در زمانی طولانی بوجود می آید. قدیمی ترین معدنهای قیر طبیعی،که از آنها بهره برداری شده است، در دره رود اردن و پیرامون دریای مرده (بحرالمیت ) و موصل بوده است، بیشتر بیتومن  که در آمریکا و اروپای غربی مصرف می شود ، از معدن های دریاچه ترینیداد و برمودا به دست می آید.

خواص فیزیکی و شیمیایی

خواص فیزیکی و شیمیایی قیر طبیعی بسته به منشاء، خواص و ترکیب آنها می تواند متفاوت باشد. به طور کلی، قیر طبیعی دارای ویسکوزیته بالا، فراریت کم و چگالی بالا است. همچنین نفوذ کمی دارد و در دمای اتاق نسبتاً سخت و شکننده است. خواص شیمیایی می تواند شامل محتوای کربن و هیدروژن بالا، محتوای گوگرد و نیتروژن کم و طیف وسیعی از عناصر کمیاب باشد.

 مشخصات عمومی:

این ماده پر کاربرد قیر طبیعی با توجه به محل معدن آن، دارای ناخالصی های مخصوص به خود می‌باشد، از جمله اجسام معدنی گوگرد و غیره.

برای مثال بیتومن  دریاچه قیر ترینیداد حدود  4درصد گوگرد دارد و قير معدنی بعضی  معادن دارای حدود ۱ درصد خاکستر هستند،در صورتی که، قیرهای پالایشی خاکستر و مواد خارجی ندارند.به این دلیل قیرهای معدنی ختما باید فراوری شوند.

در بعضی معادن، علاوه بر اجسام معدنی قیرها دارای مخلوط‌های دیگری از قبیل مواد آلی مخصوصا ریشه گیاهان می‌باشند،مانند قیر ترینیداد که دارای ۴۰ درصد مواد معدنی و ۵ درصد مواد آلی می‌باشد یا قیر برمودا که حدود ۵ درصد وزنش دارای مواد معدنی است.

تفاوت قیر طبیعی و قیر نفتی:

در مورد تفاوت قیر طبیعی با قیر نفتی، باید گفت قیر نفتی یا قیر پالایشگاهی در حقیقت ته مانده نفت است که حالت روان دارد. البته یک بخش خیلی سفت هم پیدا می‌شود که به آن کک نفتی یا زغال نفتی می‌گویند. از آن بخشی که به صورت مایع بسیار غلیظ، موسوم به وکیوم باتوم است دو محصول تولید می‌شود.

 هنگامی که نفت دارای پارافین باشد، به علت داشتن پارافین بیش از حد و  دارای چسبندگی کم از آن قیر درست نمی‌کنند و آنرا مستقیما به مازوت (نفت کوره) تبدیل می کنند. اگر نفت دارای پارافین کمی باشد به عنوان مثال زیر 4 درصد یا این نفت  را با فرآورده‌های سبک‌تر مثل نفت سفید یا گازوئیل یا نوعی ازپسماندهای  رقیق پالایشگاهی، که استاندارد گازوئیل را ندارند مخلوط می‌کنند و از آن نفت کوره تولید می کنند و به فروش می رسانند.

 روش دیگر اینگونه است که به وکیوم باتوم مقداری دمش می دهند، و بهمراه ترکیب های کمی از آن قیر تولید می کنند که قیر پالایشگاهی  یا قیر نفتی نام دارد، و این قیر نیز به گریدهای مختلفی تبدیل می‌شود. و بیشتر برای آسفالت ۷۰-۶۰ یا ۱۰۰-۸۵ یا ۱۰۰-۸۰ که استفاده می‌شود.

 اما قیر معدنی، در  معدن های مختلف بیشتر یک خصوصیت دارند، و میزان خاکستر آن خلوص و قیمت ان را مشخص می کند. برای نمونه برخی از معادن گیلسونایت زیر 5 درصد خاکستر دارند.

 که شامل مرغوب‌ترین بیتومن است و به ترتیب به زیر ده، پانزده، بیست، سی و حتی زیر پنجاه درصد می‌رسد که هرچه خاکستر (اش) مخلوط با آن بیشتر باشد، کیفیت قیر پایین‌تر است. مهم‌تر از آن جداسازی است که مرحله سختی است و معمولا کیفیت و قیمت قیر را پایین می‌آورد.

 تفاوت اساسی ،قیر طبیعی با قیر نفتی ، در زیر نوشته شده است :

الف ـ قیر نفتی کمتر از ۱% گوگرد دارد ، بیتومن گوگردش بیشتر است. قیر معدنی ترینیداد ۸/۳% ، بیتومن کالیفرنیا ۹/۳% و بیتومن مکزیک ۲/۳% گوگرد دارند .

ب ـ قیر نفتی خالص است، قیر معدنی دارای جسم‌های معدنی می‌باشد و تا ۱% هم خاکستر دارد .

ج ـ روغن قیر پالایش شده، زیادتر از بیتومن است ، روغن قیر پالایشگاهی حتی تا 70 درصد ورن آن را تشکیل می دهد.

دـ عدد صابونی و اسیدی قیر پالایشگاهی از قیر معدنی کمتر است.

مهمترین تفاوتی که بین قیر نفتی و بیتومن طبیعی وجود دارد این است که بیشتر قیر معدنی به شکل اصلاح‌کننده برای قیرهای پالایشگاهی مورد استفاده در انواع آسفالتها و ایزوگام کاربرد دارد. به همین دلیل به خاطر نبود فراوری مدرن بیتومن بیشتر در جاده سازی آسفالت و مسکن مورد استفاده قرار می گیرد.

قیر طبیعی چگونه تشکیل می شود؟

از پارامترهای تشکیل قیر طبیعی گذر طولانی مدت زمان می باشد که در روند تغییر شکل نفت خام به قیر طبیعی تاثیر دارد.بیتومین طبیعی ماده‌ای معدنی به شکل  سیاه یا قهوه‌ای می باشد که شامل درجه چگالی متغیر از مایع غلیظ تا جامد  و شیشه‌ای است.

در آنالیز قیر معدنی که انجام شده است مشخص شد  که این ماده از ته مانده تقطیر نفت یا رسوب طبیعی نفت به دست می‌آید.همچنین قیرمعدنی از ترکیبات هیدروژن و کربن با نسبت جزئی نیتروژن، گوگرد و اکسیژن شکل‌ می‌گیرد.

 این ماده در طی مراحل اولیه تجزیه ذخایر آلی دریایی به نفت تشکیل شده و حاوی مواد معدنی است. این فرایند دگرگونی نفت خام باعث بوجود آمدن بیتومن می شود.قیر معدنی از طریق تغییر مواد آلی در سنگ های رسوبی از طریق فرآیندهای زمین شناسی گرما، فشار و زمان تشکیل می شود.

 این فرآیند به عنوان دیاژنز نیز شناخته می شود و در عمق حدود 1.5 تا 6 کیلومتری زیر سطح زمین اتفاق می افتد، جایی که دمای آن بین 60 تا 220 درجه سانتیگراد است. این فرآیند معمولاً میلیون‌ها سال طول می‌کشد و منبع مواد آلی می‌تواند از گیاهان و جانوران دریایی یا زمینی باشد.

پیدایش قیر طبیعی :

 محل پیدایش این ماده معدنی در سالهای گذشته  از نفت خام می باشد،  که نفت خام به لایه‌های سطح زمین حرکت می کند، و از تبخیر آرام نفت ، تحت تاثیر عامل های زمان، فشار، گرما و همچنین ایجاد فرآیندهایی مانند اکسیداسیون، سولفوریزاسیون، پلیمریزاسیون و کندانسیون، قیرمعدنی بوجود می‌آید.

تاریخچه:

بیشتر مردم تصور می کنند که قیر از نفت پالایشگاهی تولید می شود، اما در برخی کشورهای جهان معادن قیر طبیعی بوجود آمده است که  360میلیون سال قبل تشکیل شده اند.

  دوره کربنیفر که روی زمین بیشتر از باتلاق و برکه پوشیده شده بود، جاندارن زنده بسیاری درون  باتلاق‌ها زندگی می کردند که بعد از مرگ در مدت سالهای بسیار طولانی با انباشته شدن رسوب روی بقایای این موجودات، شرایط تشکیل سوخت‌های فسیلی به وجود آمد.

 وضعیتی  همانند فشار زیاد، نبودن اکسیژن و دمای بالا که با گذر زمان باعث تخمیر و تغییر شیمیایی مولکول‌های آلی می‌شود. در این شرایط بخصوص دمای بالاتر از ۵۰ درجه سانتی گراد، مواد آلی در بین رسوبات تبدیل به کروژن، قیر و نفت می‌شوند.

پراکندگی در کشورهای مختلف:

امروزه بیشترین معادن قیرهای طبیعی جهان در ایران، ونزوئلا، عمان و کانادا وجود دارند. که این نوع قیر معدنی مانند نفت خام باید استخراج و فراوری شود. در بعضی معادن دنیا قیر طبیعی در عمق کم تشکیل شده است.مانند معادن بیتومین کانادا که با تجهیزات معدنی استخراج می شوند.

 لازم است در آخر که بگویم که استخراج بیتومن هزینه زیادی در مقایسه با قیر پالایشگاهی دارد. و نیز قیرهای طبیعی در بعضی از آنها تا ۵% گوگرد، فلزهای سنگین و ناخالصی‌ وجود دارد که این ناخالصی ها هزینه فرآوری را بیشتر می کند.

انواع قیر طبیعی:

قیر طبیعی معمولا در لایه‌های کم‌عمق زمین یافت می‌شود و در برخی موارد از پوسته زمین بیرون می‌زند. نفت‌های خام سطحی با مرور زمان تبخیر شده و سپس به دلیل هوازدگی شکل بیتومن به خود می‌گیرند.

 قیرمعدنی بر اساس خواص شمیایی و فیزیکی به چند بخش تقسیم می‌شود:

  غیر قابل ذوب ونامحلول در دیسولفید کربن  asphaltic pyrobitumen  

 قیر غیر قابل ذوب حرارتی غیر آسفالتی بیتومن Non-Asphaltic Pyrobitumen  

 و قیر جامد محلول بیتومین طبیعی یا آسفالتیت Asphaltite

کاربرد قیر طبیعی در صنایع مختلف

همچنین موارد عمده کاربرد قیر طبیعی به شرح زیر می باشد  :

1 – کارهای عمرانی :راه‌ها، فرودگاه‌ها ، زمین‌های ورزشی ، بنیادهای ساختمان ، عایق کاری ساختمان و …

2 –  زمینه‌های هیدرولیکی : کانالها ، پلها ، مخازن آب ، سد و…

3 – مصارف صنعتی: پوشش محافظ  فلزات  ،  رنگ آمیزی  ، درزبندی ، باطری سازی ، تایر سازی ، کفاشی  ،  پوشش  لوله گاز زیر زمینی و …  فروش قیر

4 –   کشاورزی: حفظ رطوبت ، زودرسی گیاه ، جلوگیری از سله و ایجاد جنگل‌های مصنوعی ، فرسایش خاک و شنهای روان و ….

5 –    الکتریکی : نوارهای آسفالتی ،پرکردن اتصالات الکتریکی ، پوشش سیمها ، عایق کاری و…

در دنیای پیشرفته و صنعتی بیتومن استفاده زیادی دارد. به طور معمول برای استفاده از قیر باید کیفیت آن مشخص شود. این آنالیز , در آزمایشگاه بر اساس نوع کاربرد و استفاده از آن انحام می شود.

یکی از بهترین کاربردهای قیر طبیعی ویژگی چسبندگی و غیر قابل نفوذ بودن آن ذر برابر رطوبت است.که  در صنایع مختلف به کار گرفته می شود.همچنین به دلیل قیمت ارزان بیتومین در ایزوبام خانه ها از آن استفاده می شود.اما قیر معدنی بیشترین استفاده را در تولید آسفالت و مخلوطهای آسفالتی دارد.

خواص:

محتوای نیتروژنی قیر معدنی، مقاومت آن را در مقابل دما و اکسیداسیون به طرز چشم‌گیری افزایش می‌دهد و به همین خاطر، این ماده برای استفاده در روکش آسفالت بسیار مناسب است.

در آزمایش بیتومن طبیعی مشخص شد که کاربرد آن در ساخت ایزوگام کیفیت آن را به بالا ترین سطح می رساند. همچنین در برابر رطوبت غیر قابل نفوذ بوده و از هدر رفتن گرمای داخل ساختمانها جلوگیری می کند.

به دلیل  کیفیت و چسبندگی بالا،در آسفالت و  راهسازی از بیتومین استفاده می شود زیرا دوام و عمر آسفالت را افزایش می دهد.

کاربردهای تاریخی قیر طبیعی

استفاده از قیر طبیعی را می توان به زمان های قدیم ردیابی کرد، جایی که از آن به عنوان یک ماده ضد آب برای قایق ها و سازه ها، درزگیر برای کوزه ها و یک ماده اتصال دهنده در ساخت و ساز استفاده می شد.

به عنوان مثال، مصریان باستان از بیتومین برای مومیایی کردن مردگان خود استفاده می کردند، در حالی که بین النهرینی ها از آن برای سنگفرش خیابان ها و ساختن ساختمان ها استفاده می کردند. یونانی ها و رومی ها نیز از گیلسونایت برای ضد آب بودن سازه های خود استفاده می کردند و چینی ها از آن به عنوان مصالح ساختمانی و سوخت استفاده می کردند.

اکتشاف و استخراج قیر طبیعی

انواع ذخایر قیر طبیعی

رسوبات قیر طبیعی را می توان به دو نوع کانسارهای اولیه و کانسارهای ثانویه طبقه بندی کرد. کانسارهای اولیه حاوی بیتومن است که هنوز در مرحله تشکیل است، در حالی که کانسارهای ثانویه حاوی قیر طبیعی هستند که قبلاً دستخوش تغییرات و تخریب قابل توجهی شده است.

تکنیک های اکتشاف

 اکتشاف قیر طبیعی مستلزم استفاده از تکنیک های مختلف زمین شناسی و لرزه نگاری از جمله حفاری چاه های اکتشافی، تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) و توموگرافی لرزه ای است. این تکنیک ها به شناسایی محل، وسعت و کیفیت رسوبات قیر معدنی کمک می کند.

روش های استخراج

استخراج قیر طبیعی از طریق روش های مختلفی از جمله استخراج سطحی، استخراج در محل و شکست هیدرولیکی انجام می شود. استخراج سطحی شامل حذف لایه بالایی خاک و سنگ، افشای رسوبات طبیعی قیر و استخراج آن با استفاده از ماشین آلات سنگین است.

 از طرف دیگر، استخراج در محل شامل تزریق بخار به داخل رسوب برای سیال تر کردن قیر و امکان پمپاژ آن به سطح است. شکست هیدرولیک یکی دیگر از روش های استخراج است که شامل استفاده از آب پرفشار و مواد شیمیایی برای شکستن سنگ های اطراف ذخایر است.

 معادن قیرهای معدنی در ایران:

معدن های بیتومین بهبهان – معدنهای استان کرمانشاه (معدن گیلسونایت ماد)و همچنین پیش کوه و پشت کوه استان لرستان و غیره،ازجمله معادن بیتومین ایران می باشند. به دلیل اینکه در ایران قیر نفتی فراوان است و ارزان تر تولید می شود و همچنین خصوصیات آن قابل کنترل است، کمتر به بیتومن توجه می شود.

همچنین قیر معدنی، شبیه به قیری است که از نفت خام تولید می‌شود و به مواد هیدروکربنی طبیعی، غیرکریستالی و ویسکوز سیاه رنگ یا قهوه‌ای تیره اطلاق می‌گردد. اغلب قیر طبیعی، آسفالتیت (قیر خالص) نامیده می‌شود.

چشم انداز آینده برای قیر طبیعی

کاوش سپرده های جدید

با افزایش تقاضا برای قیر طبیعی، اکتشاف ذخایر جدید حیاتی تر می شود. تحقیقات بیشتری برای شناسایی ذخایر جدید و درک پتانسیل اقتصادی آنها مورد نیاز است.

توسعه تکنیک های استخراج جدید

تکنیک های استخراج جدید نیز در افق هستند. فن آوری هایی که فرآیند استخراج را بهینه می کنند و اثرات زیست محیطی را به حداقل می رساند در حال توسعه هستند. این تکنیک ها می تواند هزینه استخراج را کاهش دهد و قیر طبیعی را در بازار رقابتی تر کند.

حمل و نقل و نگه داری:

 حمل و نقل قیر معدنی باید با دقت زیاد انجام شود، کیفیتهای مختلف قیر باید جداگانه تفکیک و انبار شوند. در محل انبار قیرهای مختلف باید آنالیز، منطبق با محصول درخواستی وجود داشته باشد.همچنین هنگام بارگیری در کامیونها با چادر ضد آب پوشیده شود تا از ورود آب  باران یا برف به داخل محصول جلوگیری شود.

نکته مهم در نگهداری قیر در انبار این است که حتما باید هواکش و تهویه وجود داشته باشد تا از جمع شدن گازهای قابل آتش گرفتن جلوگیری کرد.انبارهای قیر لازم است دور از مواد قابل اشتعال باشند و همچنین لوازم ایمنی ضد آتش سوزی را از قبل باید فراهم  نمود.