两性离子型腐殖酸基接枝共聚物水煤浆分散剂的合成、性能及其作用机理研究

摘要

如何使传统能源得到清洁高效利用是我国目前的一个关注热点。水煤浆作为一种煤基清洁燃料具有广泛的应用。满足工业应用需求的水煤浆需具备有高浓度、低黏度和优秀的流变性、稳定性等性能特点，制浆过程当中必须添加少许专用添加剂。
　　现阶段制浆用分散剂大多以阴离子与非离子型分散剂为主。制浆用的腐殖酸系水煤浆分散剂主要由腐殖酸盐及其改性产品所组成，特点是原料易得价廉，且制浆分散性能良好，可单独使用，但同样也存在制浆稳定性差、对金属离子敏感等问题。有研究表明，两性离子型分散剂不但可以有效降低水煤浆的表观黏度，还能提高浆体稳定性。
　　本论文以腐殖酸（HA），烯丙基磺酸钠（SAS）、二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）为原料，过硫酸钾为引发剂，采用水溶液自由基聚合原理，制备一种新型两性离子型腐殖酸接枝共聚物水煤浆分散剂—HA-SAS-DMDAAC（HSC），并通过红外光谱、热重分析和差示扫描量热等对聚合物的结构进行了表征和分析。考察了阳离子单体用量、引发剂用量、反应温度对彬长煤水煤浆性能的影响。优化的工艺条件如下:m(DMDAAC):m(SAS):m(HA)=0.3∶1.0∶2.0，引发剂用量7.0 wt％，反应温度80℃。研究表明:两性离子型腐殖酸接枝共聚物分散剂（HSC）比阴离子型腐殖酸接枝共聚物分散剂（HS）具有更好的降黏效果，并明显增强了浆体的静态稳定性，其减黏效果接近市售萘磺酸盐缩合物分散剂NSF。通过稳定性分析仪对由HSC、HS及NSF所制水煤浆体系的稳定性进行研究，结果表明：随着静置时间的增长，由HSC、HS制备的水煤浆体系中主要发生沉降现象，清液层相对宽度逐渐增大，浑浊区粒径缓慢减小，不稳定系数增大，水煤浆稳定性减小；而由 NSF所制水煤浆体系主要发生团聚、沉降现象，清液层相对宽度增大，浑浊区粒径增大，不稳定系数增大，水煤浆稳定性减小。三种分散剂对水煤浆的稳定性增强能力依次为：HSC>HS>NSF。
　　研究了HSC、HS分散剂在彬长煤表面的吸附量、分散剂溶液在彬长煤表面的接触角及Zeta电位。结果表明：两性离子型分散剂HSC在彬长煤表面的吸附行为属于多层吸附；阴离子型分散剂HS在彬长煤表面的吸附行为则属于单分子层吸附，符合Langmuir吸附等温方程，最大吸附量为12.2224 mg/g。HSC、HS分散剂均可以有效降低煤/水界面的接触角，且 HSC具有比HS更佳优秀的润湿作用；Zeta电位测试表明：HSC、HS分散剂均可以提高煤粒表面的Zeta电位绝对值，具有较好的静电斥力减黏效果。
　　将HSC、HS、NSF分散剂及腐殖酸钠分散剂（HA）用于彬长煤水煤浆制浆，考察分散剂种类、制浆浓度、温度对浆体流变特性的影响，并以Herschel-Bulkey模型对水煤浆的流变曲线进行拟合。结果表明：彬长煤水煤浆的流变曲线符合Herschel-Bulkey模型，采用具有接枝结构的HSC、HS分散剂所制得的水煤浆表现出明显的屈服假塑性流体特性，而由NSF、HA分散剂所制得的水煤浆则表现出轻微的屈服胀塑性流体特性；随着制浆浓度增加，水煤浆的表观黏度、屈服应力、流动系数均表现出增大趋势，水煤浆的流动特征会向屈服胀塑性流体转变。在5℃时，由HSC、HS所制水煤浆具有较高的表观黏度、屈服应力，且浆体表现出轻微屈服胀塑性流体特征；温度升至25℃时，水煤浆的流体模型转变为屈服假塑性流体，此后随着制浆温度的升高，由HSC、HS所制水煤浆的表观黏度、屈服应力、稠度系数均呈减小趋势，而流动性指数则不断增大，升高温度能够减弱浆体的屈服假塑性特性，促使浆体向宾汉流体转变。
　　在彬长煤水煤浆制备过程中分别添加CaCl2、MgCl2、FeCl3、AlCl3四种电解质，考察了四种金属离子对由HSC、HS分散剂所制的水煤浆的成浆性、稳定性及流变性的影响。研究表明：金属离子对腐殖酸系分散剂 HSC、HS所制水煤浆的成浆性、稳定性及流变性具有很大的影响。随着外加金属离子浓度的增加，由HSC所制得的水煤浆表观黏度逐渐增大，而由HS所制得水煤浆表观黏度则是先减小后增大的趋势。四种金属离子对由分散剂HSC、HS所制水煤浆的成浆性的影响均为：Al3+>Fe3+>Ca2+>Mg2+。金属离子的引入可以显著增强HSC、HS水煤浆的静态稳定性，但同时减弱了水煤浆的流动性；金属离子的引入能够有效减弱水煤浆体系中的煤粒粒径变化，抑制煤粒沉降。随着金属离子浓度的增大，水煤浆的屈服假塑性特征逐渐减弱，当金属离子浓度超过临界值时，浆体转变为屈服胀塑性流体，此后金属离子浓度越大，浆体的屈服胀塑性特征越显著。三价金属离子Al3+对水煤浆的屈服应力、流动系数的影响远比二价金属离子Ca2+更为显著。分散剂对添加金属离子后的水煤浆流变性的影响主要体现在改善其流动系数的变化。对于由阴离子型分散剂HS制备的彬长煤水煤浆，能够引起其流变性转变为屈服胀塑性流体的二价金属离子Ca2+临界浓度约为1000 mg/L；而由两性离子型分散剂HSC制备的水煤浆的临界浓度可达10000 mg/L以上，HSC分散剂表现出比HS更优异的抵抗二价金属离子干扰特性。

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符 号 说 明

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1 前言

1.1 背景

1.2 水煤浆技术

1.3 水煤浆分散剂

1.4腐殖酸

1.5 选题的目的及意义

2 实验部分

2.1 实验原料、试剂与仪器

2.2 分散剂结构性能测试

2.3水煤浆的制备及性能测试

2.4 煤/水界面性能测试

3 两性离子型腐殖酸接枝共聚物分散剂的制备及性能

3.1 引言

3.2 两性离子型腐殖酸接枝共聚物分散剂(HSC)的合成

3.3 分散剂的分子结构表征

3.4 分散剂的制浆性能及其浆体稳定性的研究

3.5 分散剂与煤的作用机理研究

3.6 本章小结

4 腐殖酸基分散剂对水煤浆流变性能的影响

4.1 前言

4.2 结果与讨论

4.3 本章小结

5 金属离子对水煤浆的影响

5.1 前言

5.2 结果与讨论

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

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