天然物水煤浆分散剂的合成及成浆性研究

摘要

水煤浆是20世纪70年代由于石油危机而发展起来的一种新型煤基液化技术，它旨在改变传统的燃煤方式，减少污染物排放，提高煤炭利用效率。与直接燃煤相比，水煤浆具有燃烧效率更高，污染小，成本更低，发热量高等优点。分散剂是制备高浓度水煤浆低粘度水煤浆的关键影响因素，目前应用最广泛的分散剂多为萘系磺酸盐系列，其多来源于石油化工产品，随着石油价格的持续走高，原料价格也随之水涨船高。因此，开发价格低廉，分散性能优良并且对环境友好型的分散剂显得尤为重要。
　　本实验以造纸废液中的副产物木质素磺酸钠为原料，经过提纯与丙烯酰胺进行接枝共聚反应，合成的分散剂用于制备水煤浆，其分散性和稳定性均优于商用木质素磺酸钠和萘磺酸盐，溶液的表面张力最大降低幅度为8.47 mN·m-1;通过单因素法确定了分散剂的最佳改性条件为:木质素磺酸钠与丙烯酰胺的质量比为5∶1，引发剂K2S2O8-NaHSO3用量为木质素磺酸钠与接枝单体丙烯酰胺的总质量的3％，反应温度为40℃，反应时间为2.5 h，并且引发剂中K2S2O8和NaHSO3的比例为3∶2。在3415 cm-1、3205 cm-1、1566 cm-1处存在的红外特征吸收峰，分别代表游离-NH2的吸收峰，缔合-NH2的吸收峰和-CONH-中的N-H弯曲振动吸收峰，表明丙烯酰胺成功接枝在木质素磺酸钠结构上。在添加量为干煤基质量的0.8％时，测得浓度为65％的水煤浆的粘度最低为550 mPa·s，比改性之前制浆粘度低60 mPa·s，而且制浆最大浓度为69％，与商用萘磺酸钠甲醛缩合物分散剂制浆稳定性比较发现，改性物在第72 h时的穿透率高于后者7.82％，析水率低于后者4.45％，具有较好的稳定性。
　　鉴于腐殖酸在结构上与煤具有很大相似性的特点，实验以此为原料与丙烯酸和马来酸在引发剂存在下聚合改性，成功地合成了腐殖酸基聚羧酸型水煤浆分散剂（HAP）。腐殖酸经碱溶、酸析过程，确定了最佳提纯条件是HCl浓度为20％，NaOH溶液的浓度为15％。合成HAP的最佳反应条件为:腐殖酸与丙烯酸和马来酸的质量比为1∶1.08，引发剂K2S2O8-NaHSO3用量占腐殖酸与单体总质量的5％，反应温度为75℃，反应时间为3h，并且引发剂中K2S2O8和NaHSO3的比例为4∶2。红外吸收光谱表明，在1712cm-1和1610cm-1处出现羧酸中的-C=O和-COO伸缩振动吸收峰;与腐殖酸相比，对水的表面张力降低达6.52 mN·m-1。在添加量为干煤基质量的0.5％时，浓度为67％的水煤浆的粘度最低为505 mPa·s，比改性之前制浆粘度低245mPa·s，而且制浆最大浓度为70％，腐殖酸-聚羧酸型分散剂能提高煤浆浓度约2％，与商用萘磺酸钠甲醛缩合物分散剂制浆稳定性进行对比，发现在72 h时二者穿透率相差8.87％，同时析水率低于后者1.85％。
　　研究了超声辅助作用下上述两种水煤浆分散剂制浆稳定性，二者在超声功率为80 W和100W下作用3 min后煤浆粘度下降，同时稳定性能优于机械搅拌制浆。流动性的观察说明，合成的两种分散剂制浆流动性均为A级，优于商用萘系分散剂D级，说明引入了亲水性较强的活性基团的改性分散剂，能有效降低粘度，在保证粘度的前提下同时提高浓度。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 选题背景和意义

1．1．1 选题背景

1．1．2 选题意义

1．2 水煤浆概况

1．2．1 水煤浆技术

1．2．2 水煤浆技术的研究进展

1．2．3 水煤浆的主要影响因素

1．3 水煤浆分散剂及其研究进展

1．3．1 分散剂的作用机理

1．3．2 分散剂的种类

1．3．3 国内外分散剂的研究进展

1．4 未来水煤浆分散剂的研究趋势

1．5 木质素的基本概况

1．5．1 木质素的结构及性质

1．5．2 木质素的改性方法

1．6 腐殖酸的基本概况

1．6．1 腐殖酸的结构及其性质

1．6．2 腐殖酸的改性方法

1．7 本论文主要研究内容和创新点

第二章 实验部分

2．1 实验部分

2．1．1 实验原料与试剂

2．1．2 实验仪器

2．1．3 木质素基水煤浆分散剂的制备

2．1．4 腐殖酸基聚羧酸型水煤浆分散剂的制备

2．2 合成产物表征

2．2．1 红外光谱分析

2．2．2 热重分析

2．2．3 表面张力的测定

2．3 水煤浆性能测试

2．3．1 水煤浆的制备

2．3．2 水煤浆的表观粘度测试

2．3．3 水煤浆浓度测定

2．3．4 水煤浆流动性能评价

2．3．5 水煤浆稳定性能评价

第三章 木质素基水煤浆分散剂的制备与性能研究

3．1 影响接枝反应的因素

3．1．1 木质素磺酸钠与丙烯酰胺质量比对煤浆粘度影响

3．1．2 聚合时间对水煤浆粘度的影响

3．1．3 反应温度对水煤浆粘度的影响

3．1．4 引发剂的含量对水煤浆粘度的影响

3．1．5 引发剂的配比对水煤浆粘度的影响

3．2 产物结构与性能表征

3．2．1 红外吸收光谱分析

3．2．2 热重分析

3．2．3 产物的表面活性分析

3．3 产物对制浆的影响

3．3．1 分散剂含量的确定

3．3．2 分散剂与最高制浆浓度的关系

3．3．3 水煤浆的稳定性

3．3．4 超声作用对制浆的粘度影响

3．3．5 超声处理与水煤浆的稳定性关系

3．3．6 制浆效果对比

3．4 本章小结

第四章 腐殖酸基聚羧酸型水煤浆分散剂的制备与性能研究

4．1 影响提纯腐殖酸含量的因素

4．1．1 酸浓度

4．1．2 碱浓度

4．2 影响反应的因素

4．2．1 反应物的质量比对煤浆粘度的影响

4．2．2 反应时间对煤浆粘度的影响

4．2．3 反应温度对煤浆粘度的影响

4．2．4 引发剂的含量对煤浆粘度的影响

4．2．5 引发剂的配比对煤浆粘度的影响

4．3 产物结构与性能表征

4．3．1 产物的红外吸收光谱分析

4．3．2 产物的热重分析

4．3．3 产物的表面活性分析

4．4 产物对制浆的影响

4．4．1 分散剂含量与水煤浆粘度的关系

4．4．2 分散剂与最高制浆浓度的关系

4．4．3 水煤浆的稳定性

4．4．4 超声作用对制浆的粘度影响

4．4．5 超声处理与水煤浆的稳定性关系

4．4．6 制浆效果对比

4．5 本章小结

第五章 结论及展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间论文情况