HRP引发淀粉接枝共聚物水煤浆分散剂的合成及其性能研究

摘要

近年来，全球日益严重的能源问题和环境问题使水煤浆（CWS）这种清洁燃料备受关注，尤其在我国这样一个富煤少油的国家尤为重要。分散剂在制备高质量的水煤浆时必不可少。当前对水煤浆分散剂的要求，不仅要达到高性能，同时又要符合绿色环保的理念。淀粉是一种可再生的天然产物，廉价易得，易降解。辣根过氧化物酶（HRP）是一种具有特殊催化性能的生物酶，可引发淀粉与功能单体的接枝共聚。使用这两种天然产物来制备水煤浆分散剂正符合当下的发展需求。
　　本文以淀粉（St）为主要原料，以对羟基苯磺酸钠（HBS）、丙烯酰胺（AM）及丙烯酸钠（NaAA）为单体，在辣根过氧化物酶（HRP）/双氧水（H2O2）/乙酰丙酮（ACAC）的催化作用下，合成了两种淀粉接枝共聚物水煤浆分散剂SHA和SHN。使用红外（FTIR）和核磁（1H NMR）对分散剂结构进行了表征，并测定了分散剂的固含量、单体转化率、接枝率和接枝效率以及分子量，使用热重分析仪（TG）和差示扫描量热仪（DSC）对分散剂的热性能进行了测定。
　　首先，将两种分散剂应用于彬长煤，以水煤浆表观粘度作为衡量标准对分散剂的合成工艺进行了优化。最佳的合成条件为，淀粉的使用量为25％，两种功能单体 HBS:AM（NaAA）为3:1。研究表明， SHA（St-HBS-AM）使用性能优于SHN（St-HBS-NaAA），所制浆体的粘度，稳定性以及最大成浆浓度均优于SHN。
　　其次，使用 CH3COONH4，CH3COOH，NaOH三种介质溶液对彬长煤中的可溶金属离子进行溶出，使用应用性能较好的SHA分散剂制浆。与原煤相比，使用不同溶液对彬长煤中可溶金属离子处理后，煤的成浆性得到明显的改善，作用效果依次为CH3COONH4>NaOH>CH3COOH。通过改变处理液的浓度，温度以及最终的 pH值，考察了不同条件对彬长煤表观粘度，最大成浆浓度，稳定性，Zeta电位，吸附量以及吸附膜厚度等的影响。最终的结果表明，当处理液温度为40℃，溶液浓度为1 mol·L-1，pH为7时，各种溶液处理后所得煤样的成浆性达到最佳。可溶金属离子的含量降低后，Zeta电位降低，分散剂的吸附量增大，水化膜厚度增加，而这三个指数的改变均有利于成浆性的提高。
　　最后，将SHA分散剂应用于新疆煤，并与萘磺酸盐系分散剂（NSF）进行了对比，发现了两种分散剂在单独使用时，SHA分散剂所制水煤浆的定浓粘度（67%）为667 mPa·s，析水率为3.6%，最大成浆浓度为68%；NSF的定浓粘度（67%）为365 mPa·s，析水率为6.93%，最大成浆浓度为70%；SHA分散剂的定浓粘度高于NSF，最大成浆浓度比NSF小，稳定性却优于NSF。因此，将这两种分散剂复配后应用于新疆煤，考察了分散剂的复配比例以及分散剂的添加量对表观粘度、稳定性以及最大成浆浓度的影响，得出分散剂的复配比例NSF:SHA为1:2，总的添加量为0.5%时，新疆煤的成浆性能达到最佳，稳定性基本达到单独使用 SHA，最大成浆浓度与单独使用 NSF时相同，为70%。同时，分别用 CH3COONH4和 NaOH对新疆煤中的可溶金属离子进行处理，结果表明，这两种方式也可以改善新疆煤的成浆性问题，但对于新疆煤而言，复配更有利于成浆性的提高。
　　通过测试SHA、NSF、复配分散剂在煤粒表面的吸附膜厚度，以及两种溶液处理方式对煤粒表面吸附膜厚度、浆体流变性以及稳定性的影响，对其作用机理进行了初步的解释。

目录

符号说明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 水煤浆概况

1.3 水煤浆分散剂

1.4 淀粉接枝共聚物

1.5 辣根过氧化物酶

1.6 本文的研究内容、目的和意义

2 实验部分

2.1 实验所需药品和仪器

2.2 分散剂分子的结构表征

2.3 水煤浆的制备及性能测试

2.4 煤/水界面性能测试

3 SHA和SHN的制备及性能测试

3.1 引言

3.2 SHA和SHN的合成

3.3 结果与讨论

3.4 分散剂对水煤浆成浆性和稳定性的影响

3.5 分散剂与煤的作用机理研究

3.6小结

4 溶液处理对分散剂分散性能的影响

4.1 引言

4.2 实验方案

4.3 结果与讨论

4.4 小结

5 淀粉接枝共聚分散剂对新疆煤成浆性的影响

5.1 引言

5.2 结果与讨论

5.3 小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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