聚羧酸系分散劑的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)對水煤漿性能的影響

宮麗斌

(西山煤電(集團)有限責任公司職業(yè)病防治所，山西 太原 030053)

引 言

近年來，人們對石油的需求日益激增，促使研究者們不斷尋求石油的替代產(chǎn)品。水煤漿是一種新型的煤炭清潔利用方式，它是由60%～75%的煤、25%～40%的水以及大約1%的添加劑構(gòu)成，可以作為代油燃料[1]。性能優(yōu)良的水煤漿應(yīng)該同時具有低粘度、高煤含量以及高穩(wěn)定性等特點。為了達到這種目的，我們需要在漿體中添加合適的分散劑[2]。目前，傳統(tǒng)的分散劑主要包括萘系、木質(zhì)素系、腐殖酸系及其復(fù)配產(chǎn)品[3]。但是傳統(tǒng)的分散劑由于化學結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分子量分布較寬，具有一些缺點，例如：制漿穩(wěn)定性較差或者降粘作用較弱。聚羧酸系分散劑具有制漿效果好、環(huán)境友好、結(jié)構(gòu)靈活以及適用范圍廣等優(yōu)點，是一種非常有前景的水煤漿分散劑類型。研究表明[4]，含聚醚側(cè)鏈的聚羧酸系分散劑能有效地使煤粒之間產(chǎn)生較大的空間位阻，減少煤粒的聚集，達到良好的分散穩(wěn)定效果。因此，聚羧酸系分散劑的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)對水煤漿的穩(wěn)定性有著決定性的影響。

在本實驗中，分別合成以淀粉和甲氧基聚乙二醇(MPEG600)為側(cè)鏈的聚羧酸系分散劑，分別命名為PC-St和PC600。將兩種分散劑用于制漿，考察分散劑側(cè)鏈結(jié)構(gòu)對水煤漿成漿性及穩(wěn)定性的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料及儀器

1) 原料：丙烯酸(AA)、苯乙烯磺酸鈉(SSS)、甲氧基聚乙二醇(MPEG600)、過硫酸鉀、硫酸氫鈉、氫氧化鈉、鹽酸(36%)、對苯二酚、異丙醇、乙醇，分析純；玉米淀粉，工業(yè)級。

實驗用煤為某礦煤，煤樣的工業(yè)分析和元素分析如表1所示。水煤漿制備采用干法制漿，煤樣的粒度分布按照德士古多封級配的要求，具體為：20～40目，8%；40～120目，42%；120～200目，7%；200～300目，8%；300目以上，35%。

表1 某礦煤的工業(yè)分析和元素分析

2) 儀器：DFY-600A高速萬能粉粹機，無錫沃信儀器有限公司；NXS-4C型水煤漿黏度儀，國家水煤漿工程技術(shù)研究中心成都儀器廠。

1.2 聚羧酸系分散劑的合成

接枝淀粉的聚羧酸系分散劑(PC-St)：將玉米淀粉、過硫酸鉀和適量蒸餾水加入在250 mL三口燒瓶中，攪拌加熱至90 ℃，維持30 min，冷卻至80 ℃，調(diào)節(jié)溶液pH至8；然后加入苯乙烯磺酸鈉和少量硫酸氫鈉，完全溶解后滴入丙烯酸和過硫酸鉀溶液，使混合物在80 ℃下反應(yīng)4 h，最后冷卻至室溫，用20%的NaOH溶液將pH值調(diào)至7，得到棕色透明的PC-St溶液。

接枝MPEG600的聚羧酸系分散劑(PC600)：根據(jù)參考文獻[5]，將一定比例的丙烯酸、苯乙烯磺酸鈉和自制的丙烯酸酯單體聚乙二醇單甲醚(MPEGAA600)制備PC600分散劑。

1.3 水煤漿的制備

將配好的煤粉加入到一定濃度的分散劑水溶液中，邊加煤粉邊攪拌，使?jié){體混合均勻，待煤粉全部加完后繼續(xù)高速攪拌5 min直到成為均一穩(wěn)定的漿體，即可制得水煤漿。

1.4 水煤漿表觀粘度測試

采用NXS-4C型水煤漿黏度儀測定水煤漿的表觀粘度。具體方法為：將適量的水煤漿倒入在測量筒中，設(shè)定黏度儀的剪切速率為100 s-1，測試溫度為25 ℃。

1.5 水煤漿穩(wěn)定性測試

水煤漿的穩(wěn)定性是評價漿體是否可以工業(yè)應(yīng)用最重要的指標之一。本研究采用“析水率法”對漿體的穩(wěn)定性進行定量評價。具體方法為：將適量漿體倒入在量程為100 mL的量筒中，密封量筒口在室溫下放置7 d，定時吸取量筒內(nèi)析出的上層清液并稱量，記為m1，上層清液與漿體(m0)的質(zhì)量比即為析水率。一般析水率值越高，漿體的穩(wěn)定性越差。

2 結(jié)果與討論

2.1 分散劑用量對水煤漿表觀黏度的影響

將合成的PC-St和PC600分散劑制備濃度為65wt.%的水煤漿，考察分散劑用量對水煤漿表觀黏度的影響，實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 分散劑用量對水煤漿表觀黏度的影響

由圖1可以看出，隨著兩種分散劑用量的增加，水煤漿的表觀黏度均呈現(xiàn)出先急劇降低后增加的趨勢，當用量達到0.45wt.%時，水煤漿的表觀黏度均達到最低值。隨著分散劑用量的增加，分散劑在煤粒表面的吸附量逐漸增加，在靜電斥力和空間位阻的作用下，水煤漿的黏度開始降低。但是當分散劑的用量超過0.45wt.%時，水煤漿的表觀黏度開始增加，這可能是因為過量的分散劑使得煤粒表面的長側(cè)鏈分布更加密集，側(cè)鏈相互纏繞導(dǎo)致水煤漿黏度增加。從圖中還可以看出，PC-St分散劑的降黏能力優(yōu)于PC600分散劑，這說明聚羧酸系分散劑的降黏能力與其側(cè)鏈結(jié)構(gòu)有關(guān)。這可能與兩方面因素有關(guān)，一方面是淀粉由數(shù)百個葡萄糖單元組成，接枝到主鏈中可以提供更強的空間位阻作用，防止煤粒聚集，降低漿體表觀黏度；另一方面淀粉被氧化后羥基變?yōu)轸然?，親水性大大增強，有利于提高煤粒在水中的親水性，進而提高煤粒的分散性。因此，接枝淀粉的聚羧酸系分散劑具有更好的分散降黏效果。

2.2 水煤漿的最大成漿濃度

將PC-St和PC600分散劑制備水煤漿，固定兩種分散劑的用量均為0.45wt.%，考察煤質(zhì)量濃度對水煤漿表觀黏度的影響，實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 煤濃度對水煤漿表觀黏度的影響

由圖2可以看出，水煤漿的表觀黏度隨著煤濃度的增加而增加。這是因為當煤漿中的煤含量較低時，煤粒之間的體積較大，煤粒聚集現(xiàn)象很少發(fā)生，煤漿黏度較低，隨著煤含量增加時，煤粒之間接觸的幾率增大，導(dǎo)致較高的表觀黏度和較差的流動性。一般可工業(yè)應(yīng)用的水煤漿表觀黏度應(yīng)低于1 000 mPa·s，則PC-St分散劑制備的水煤漿的最大成漿濃度可達到66.5 wt.%，高于PC600分散劑的最大制漿濃度。

2.3 水煤漿的穩(wěn)定性

將PC-St和PC600分散劑制備濃度為65wt.%水煤漿，其中分散劑的用量均為0.45wt.%，考察靜置時間對水煤漿析水率的影響，實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 水煤漿的析水率與靜置時間的關(guān)系

由圖3可知，隨著靜置時間的延長，水煤漿的析水率均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，當靜置時間為7 d，PC-St和PC600分散劑制備的水煤漿的析水率分別為3.14%和3.68%，說明PC-St水煤漿具有較好的穩(wěn)定性。這可能是由于PC-St分散劑吸附在煤粒表面后可以提供更大的空間位阻作用，有效阻止了煤粒的團聚，使得制備的水煤漿穩(wěn)定性較高。

3 結(jié)論

本實驗合成了分別以淀粉和甲氧基聚乙二醇(MPEG600)為側(cè)鏈的聚羧酸系分散劑，發(fā)現(xiàn)聚羧酸系分散劑的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)對水煤漿的性能產(chǎn)生較大的影響。以淀粉為側(cè)鏈的PC-St分散劑具有更好的分散降粘能力，當PC-St分散劑用量為0.45wt.%時，水煤漿的最大成漿可達66.5wt.%，且PC-St分散劑制備的水煤漿穩(wěn)定性也較高，這是由于PC-St分散劑可以提供煤粒之間更強的靜電斥力和空間位阻作用，起到分散穩(wěn)定的雙重效果。