淀粉改性水煤浆分散剂的制备及其应用性能研究

摘要

我国是世界产煤大国，但煤炭资源的综合利用率却不高，与此同时燃煤引起的环境污染问题日渐严重。因此，如何高效、环保地利用煤炭资源已经引起了广大专家学者的关注。水煤浆燃烧率高，运输方便，作为一种新型的清洁代油燃烧受到了业内人士的高度重视。分散剂是制备高浓低黏水煤浆不可或缺的一种重要添加剂，是影响水煤浆性能和价格的关键因素。淀粉在自然界中储量非常丰富，其价格低廉、环保可再生的特点使其逐渐成为水煤浆分散剂领域一个极具潜力的研究方向。
　　淀粉基水煤浆分散剂由天然高分子淀粉经改性制得，具有来源广泛、绿色环保、制浆稳定性高等优点。然而，已有的研究仅局限于对淀粉进行接枝共聚及部分初级改性，淀粉接枝共聚物虽然拥有良好的分散效果，但其接枝单体价格较高，从而增加了制浆成本。
　　本论文从玉米淀粉的化学性质及分散剂作用机理出发，以三磺酸钠铵(N(SO3Na)3)为磺化剂，次氯酸钠为氧化剂，制备了磺化-氧化淀粉水煤浆分散剂(SOS)。通过红外光谱(FT-IR)、核磁共振氢谱(1H-NMR)、凝胶渗透色谱(GPC)、X-射线衍射对其分子结构、相对分子质量及分布进行了表征和分析。将其应用于彬长煤制浆，以水煤浆表观黏度作为参照，确定其最佳磺酸基取代度为0.3，最佳羧基含量为0.41％。SOS分散剂的最佳添加量为0.9％，最大制浆浓度可达到67％，表观黏度为927.6mPa·s;放置7天析水率为2.7％。而萘系分散剂的最大制浆浓度仅为66％，7天析水率为4.1％。
　　采用氧化、酸解两种方式对淀粉进行降解预处理，以H2O2-Fe2+为引发剂，丙烯酸、苯乙烯磺酸钠为单体，通过自由基聚合反应制备了氧化淀粉接枝共聚物水煤浆分散剂(OSSA)和酸解淀粉接枝共聚物水煤浆分散剂(HSSA)。通过理化性质、FT-IR、1H-NMR、GPC等对其结构及相对分子质量与分布进行了表征与分析。将两种分散剂应用于彬长煤制浆，考察对比了两种不同降解方式对水煤浆表观黏度、流变性、稳定性、吸附量的影响，并与萘系分散剂进行了对比。结果表明，OSSA对彬长煤具有相对较好的降黏、稳定效果;OSSA的最佳添加量为0.4％，最大成浆浓度可达到67％，表观黏度为906mPa·s;浆体具明显的剪切变稀流动特性;OSSA的吸附模型为单层吸附，饱和吸附量为4.35mg/g;浆体的稳定性高。
　　以苄基氯为疏水化试剂，异丙醇和水的混合溶液为溶剂，羟乙基淀粉及氧化淀粉为主链，分别合成了苄基氧化淀粉(BOS)及苄基羟乙基淀粉(BHS)水煤浆分散剂。通过FT-IR、1H-NMR对其结构进行了表征和分析，通过热重分析仪(TA)对产物的热力学性能进行了测试。将两种分散剂应用于神华煤制浆，考察分散剂最佳用量及最大成浆浓度，并对浆体流变性、稳定性，分散机理等进行了研究。结果表明，相较于BHS，BOS的应用性能较佳;BOS的最佳添加量为0.5％，最大成浆浓度为65％，表观黏度为754mPa·s;放置7天后析水率为3.35％。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 水煤浆技术

1．2．1 水煤浆的性能要求

1．2．2 水煤浆分散剂的作用机理

1．2．3 水煤浆分散剂的应用现状

1．2．4 水煤浆分散剂存在的问题及未来发展趋势

1．3 淀粉基水煤浆分散剂的研究背景

1．3．1 淀粉的结构与性质

1．3．2 变性淀粉的种类及应用

1．4 本文的研究意义、目的及内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究目的

1．4．3 主要研究内容

1．5 本文创新点

2 实验部分

2．1 实验试剂与仪器

2．1．1 实验原料及试剂

2．1．2 实验所需仪器

2．2 产物结构性能分析

2．2．1 固含量的测定

2．2．2 单体转化率的测定

2．2．3 磺酸基含量的测定

2．2．4 羧基含量的测定

2．2．5 红外光谱分析

2．2．6 核磁

2．2．7 XRD

2．2．8 GPC

2．3 水煤浆的制备与应用性能测试方法

2．3．1 水煤浆的制备

2．3．2 水煤浆浓度的测定

2．3．3 水煤浆表观黏度的测定

2．3．4 Zeta 电位测定

2．3．5 表面张力的测定

2．3．6 水煤浆流交性的测定

2．3．7 煤粒吸附量的测定

2．3．8 水煤浆稳定性测定

2．3．9 接触角的测定

2．3．10 扫描电镜分析

3 磺化-氧化淀粉的制备及其对水煤浆的分散作用研究

3．1 引言

3．2 磺化-氧化淀粉的制备

3．3 结果与讨论

3．3．1 分散剂合成工艺的确定-磺酸基、羧基含量的确定

3．3．2 分散剂的红外光谱分析

3．3．3 分散剂的核磁共振氢谱分析

3．3．4 X-射线衍射分析

3．3．5 淀粉改性前后的相对分子质量及其分布

3．3．6 分散剂添加量对水煤浆表观黏度的影响

3．3．7 水煤浆浓度对水煤浆表观黏度的影响

3．3．8 分散剂对水煤浆流变性的影响

3．3．9 水煤浆的稳定性分析

3．3．10 扫描电镜分析

3．3．11 分散剂与煤粒表面的作用机理研究

3．4 本章小结

4 不同降解方式对淀粉基水煤浆分散剂性能的影响

4．1 引言

4．2 分散剂的制备

4．2．1 酸解淀粉的制备

4．2．2 氧化淀粉的制备

4．2．3 接枝共聚物的制备

4．3 结果与讨论

4．3．1 产物的物化性能

4．3．2 红外光谱分析

4．3．3 核磁共振氢谱分析

4．3．4 聚合物的相对分子质量及其分布

4．3．5 分散剂添加量对水煤浆表观黏度的影响

4．3．6 水煤浆浓度对表观黏度的影响

4．3．7 水煤浆的流变特性

4．3．8 分散剂接触角的分析

4．3．9 分散剂用量对吸附量的影响

4．3．10 水煤浆的稳定性分析

4．4 本章小结

5 苄基疏水化淀粉接枝共聚物的制备及应用性能测试

5．1 引言

5．2 苄基疏水化淀粉接枝共聚物的合成

5．2．1 苄基氧化淀粉的合成

5．2．2 苄基羟乙基淀粉的合成

5．3 结果与讨论

5．3．1 分散剂的红外光谱分析

5．3．2 分散剂的核磁共振氢谱分析

5．3．3 分散剂的热力学性能分析

5．3．4 分散剂质量分数对表面张力的影响

5．3．5 分散剂添加量对水煤浆表观黏度的影响

5．3．6 水煤浆浓度对其表观黏度的影响

5．3．7 水煤浆的稳定性

5．3．8 水煤浆的流变特性

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

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