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分散剂的结构特征对其在煤粒表面吸附性能的影响

王玥  
【摘要】: 20世纪70年代,人们开始发展以水煤浆替代石油的技术。水煤浆既保持了煤炭原有的物理化学特性,又具有和石油类似的流动性和稳定性,具有很强的实用性和推广价值。分散剂是影响水煤浆性能的关键因素之一,通过分散剂的主体结构、取代基、分子量和磺化度与煤粒表面相互作用,可改变颗粒性质,使浆体达到很好的流变特性。神华煤作为一种低阶煤,内在水含量和氧含量过高,分散降粘性能较差。因此,研究不同结构的分散剂与低阶煤之间的作用机理,对分散剂的合成及低阶煤水煤浆的发展具有重要意义。 本论文采用磺化缩聚法制备出一系列不同分子量和不同磺化度的脂肪族磺酸盐SAF和改性木质素磺酸钠GCL3S系列产品,研究了其对难制浆煤种神华煤的流变特性的影响。通过分散剂的吸附性能所产生的空间位阻、静电斥力和润湿性探讨其作用机理。在此研究基础上以三聚磷酸钠为助剂,研究其与不同结构特征分散剂复配后的能性。 实验首先研究了不同分子量、不同磺化度和超滤的脂肪族磺酸盐SAF对其在煤粒表面吸附性能的影响。SAF对神华煤制浆研究发现,适宜的分子量(Mw为31800~36800)和磺化度(1.53~1.64 mmol/g)有利于提高SAF对水煤浆的分散降粘性能。SAF在神华煤表面的吸附等温线类似于Langmuir单分子层吸附。通过热力学分析,说明吸附过程均是自发进行的熵增的放热反应,温度对不同磺化度相似分子量的SAF在煤粒表面的吸附影响较小。Zeta电位的测试表明,分散降粘性能好的SAF均具有较高的Zeta电位绝对值。测定SAF在煤粒表面的接触角,发现分散剂的润湿能力越强,分散降粘性能越好。对SAF进行超滤分级后测定其制浆性能,截留分子质量大于50000的SAF分散降粘性能明显优于FDN。吸附实验得出结论,SAF截留分子质量越大,吸附量越小,且均小于FDN。热力学分析表明,温度升高对截留分子质量小于2500的SAF吸附有抑制作用,对截留分子质量大于50000的SAF吸附有促进作用。而分散剂在煤水界面的Zeta电位绝对值越大,分散降粘性能越好。分散剂的润湿能力适中,分散降粘性能较好。 以木质素为原料通过磺化缩聚法研制出高效能水煤浆分散剂,不仅可以大幅度提高造纸废液木质素的附加值,走可持续发展之路,而且可以降低合成分散剂成本。以不同分子量和不同磺化度的改性木质素磺酸钠GCL3S系列分散剂对神华煤制浆,研究发现其适宜的分子量(特性粘度11.86 mL/g,Mw为45396)和较低的磺化度(1.35 mmol/g)有利于提高GCL3S对神华煤水煤浆的分散降粘性能。GCL3S在煤粒表面的吸附等温线均属于Langmuir型单分子层吸附。随着GCL3S分子量的增加,在煤粒上的吸附量逐渐减少。热力学分析结果表明,温度对低分子量(特性粘度5.57 mL/g,Mw为17463)和低磺化度(1.23 mmol/g)GCL3S的吸附无影响,而对大分子量(特性粘度12.38~23.9 mL/g,Mw为57478~58483)和高磺化度(1.72~2.06 mmol/g)GCL3S的吸附有促进作用。拟合的热力学函数说明吸附过程是自发进行的放热反应。Zeta电位绝对值越大,分散降粘性能越好。分散剂的润湿能力较好的分散剂具有良好的分散降粘性能。 在此研究基础上,实验选取了三聚磷酸钠与几种不同分子结构的分散剂复配后对水煤浆浆体性能的影响。三聚磷酸钠的加入导致低分子量(特性粘度5.21~7.03 mL/g,Mw为20800~31800)SAF分散降粘能力降低,对高分子量(特性粘度10.87~19.70 mL/g,Mw为36800~38100)SAF分散降粘变好。在吸附实验中,吸附等温线不再符合Langmuir型吸附。三聚磷酸钠明显减少了分散剂SAF在煤粒表面的吸附,甚至产生了负吸附。同时,减小了煤粒表面的Zeta电位绝对值。三聚磷酸钠有利于中等磺化度(1.64 mmol/g)SAF的分散降粘。SAF在煤粒上的吸附量减少,对煤粉Zeta电位影响不大。三聚磷酸钠不利于截留分子量大于5万的级分SAF的分散降粘。SAF的吸附量明显减少,Zeta电位波动较大。 三聚磷酸钠有利于不同分子量(特性粘度5.21~23.90 mL/g,Mw为17463~57478)GCL3S的分散降粘能力。可促进低分子量(特性粘度5.57~6.47 mL/g,Mw为17463~27676)GCL3S的吸附,降低高分子量GCL3S在煤粒上的吸附,使煤粒表面的Zeta电位绝对值均大幅减小。对掺不同磺化度GCL3S的浆体,浆体从“剪切变稠”的胀塑性流体逐渐转变为“剪切变稀”的假塑性流体。三聚磷酸钠有助于提高低磺化度(1.23 mmol/g)GCL3S浆体的分散降粘作用,同时增加Zeta电位绝对值;而不利于掺中高磺化度(1.35~2.06 mmol/g)GCL3S浆体的分散降粘。


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