梳型聚羧酸鹽分散劑化學(xué)結(jié)構(gòu)與水煤漿流變相關(guān)性及與煤作用機(jī)理研究.pdf

1、水煤漿技術(shù)是一種將煤炭液化的潔凈利用技術(shù)。水煤漿具有燃燒率高、成本低的優(yōu)勢(shì)，容易達(dá)到節(jié)能減排的環(huán)保要求，是一種替代油的清潔燃料。水煤漿是一種固、液兩相粗分散體系，為了使?jié){體具有較好的流動(dòng)性、較低的粘度以便于運(yùn)輸，同時(shí)在靜止時(shí)具有很好的穩(wěn)定性，不易產(chǎn)生沉淀，在水煤漿的制備過程中必須加入分散劑。目前，現(xiàn)有工業(yè)使用的萘磺酸分散劑受氣候變化影響大，漿穩(wěn)定性降低，易析水產(chǎn)生硬沉淀，并具有一定的毒性，使生產(chǎn)和使用都不利于環(huán)保，需找出替代品。然而利用

2、腐植酸制備水煤漿的穩(wěn)定性較差、木質(zhì)素分散劑降粘作用差，而且這兩種分散劑成分復(fù)雜，會(huì)引入很多雜質(zhì)。而聚羧酸鹽分散劑作為水泥減水劑具有出色的性能，并且有廣泛的適應(yīng)性。梳型聚羧酸鹽分散劑用在水煤漿中，具有較好的分散性能和漿體穩(wěn)定性。它是一種人工合成的水溶性高分子，生產(chǎn)和使用環(huán)節(jié)都不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。聚羧酸鹽結(jié)構(gòu)靈活可控，可設(shè)計(jì)、生產(chǎn)各種結(jié)構(gòu)以適應(yīng)各種煤種制水煤漿。
　　目前，梳型聚羧酸鹽分散劑的分子設(shè)計(jì)、制備及結(jié)構(gòu)與水煤漿流變相關(guān)性的系

3、統(tǒng)研究比較欠缺。本論文通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、根據(jù)自由基聚合原理，制備基于聚醚大單體二元聚羧酸、基于聚醚大單體三元聚羧酸、基于聚酯聚羧酸以及兩性離子聚羧酸分散劑共四類九種梳型聚羧酸鹽分散劑，并系統(tǒng)討論了梳型聚羧酸鹽分散劑化學(xué)結(jié)構(gòu)與水煤漿流變性能的相關(guān)性，揭示了聚羧酸鹽分散劑與煤顆粒作用機(jī)理。
　　本論文設(shè)計(jì)、制備了基于聚醚大單體二元聚羧酸鹽分散劑，使用不同鏈長(zhǎng)（m=16,23,27,55）烯丙基聚氧乙烯醚（APEG）大單體分別與甲基丙烯

4、酸（MAA）、烯丙基磺酸鈉（SAS）、苯乙烯磺酸鈉（SSS）共聚，合成了具有不同側(cè)鏈長(zhǎng)度的MAA-APEG、SAS-APEG和SSS-APEG三種二元聚羧酸分散劑。采用傅里葉紅外光譜（FT-IR）和裂解氣相質(zhì)譜（Py-GCMS）及凝膠滲透色譜（GPC）表征了分散劑的結(jié)構(gòu)，使用熱失重（TGA）和差示掃描量熱（DSC）測(cè)試了分散劑的熱穩(wěn)定性。討論了聚合反應(yīng)條件對(duì)神府煤水煤漿粘度的影響，通過單因素分析確定了各種分散劑的較佳合成條件為引發(fā)劑 k

5、2S2O8用量為單體總質(zhì)量4％，反應(yīng)溫度80℃，MAA、SAS和SSS與APEG的反應(yīng)摩爾比分別是1:1、1:1和0.5:1。并通過比較篩選出分散性能較好的分散劑MAA-APEG1200（m=27）、SAS-APEG1000（m=23）和SSS-APEG1000（m=23），它們的成漿穩(wěn)定性均優(yōu)于工業(yè)萘磺酸鹽分散劑。
　　基于聚醚三元聚羧酸鹽分散劑，使用不同鏈長(zhǎng)（m=16,23,27,55）烯丙基聚氧乙烯醚（APEG）大單體，分別

6、與甲基丙烯酸、烯丙基磺酸鈉、丙烯酰胺和苯乙烯磺酸鈉中的兩種單體共聚，合成了具有不同側(cè)鏈長(zhǎng)度的三種三元聚羧酸分散劑，MAA-AM-APEG、MAA-SAS-APEG和SSS-AM-APEG。采用傅里葉紅外光譜（FT-IR）和裂解氣相質(zhì)譜（Py-GCMS）及凝膠滲透色譜（GPC）表征了分散劑的結(jié)構(gòu)，使用熱失重和差示掃描量熱測(cè)試了分散劑的熱穩(wěn)定性。討論了聚合反應(yīng)條件對(duì)水煤漿粘度的影響，通過單因素分析確定了各種分散劑的較佳合成條件為引發(fā)劑 k2

7、S2O8用量2%，反應(yīng)溫度80℃，MAA-AM-APEG、MAA-SAS-APEG和SSS-AM-APEG的反應(yīng)摩爾比分別為2.5:1:1、2.0:1:1和0.5:1:1。通過比較篩選出分散性能較好的分散劑MAA-AM-APEG1000(m=23）、MAA-SAS-APEG1000(m=23）和SSS-AM-APEG1000（m=23），其分散性能和穩(wěn)定性能較好，成漿穩(wěn)定性均優(yōu)于工業(yè)萘磺酸分散劑。
　　基于聚酯大單體聚羧酸鹽分散劑

8、，論文使用自制的不同鏈長(zhǎng)衣康酸聚乙二醇酯 IAPEG(m=5,9,14,18,23,45）和馬來酸聚乙二醇酯 MaPEG（m=9,14,18,23,45）聚酯大單體，與甲基丙烯酸和苯乙烯磺酸鈉共聚合成了具有不同側(cè)鏈長(zhǎng)度的MAA-IAPEG-SSS和MAA-MaPEG-SSS兩種三元聚羧酸分散劑。采用傅里葉紅外光譜（FT-IR）和裂解氣相質(zhì)譜（Py-GCMS）及凝膠滲透色譜（GPC）表征了分散劑的結(jié)構(gòu)，使用熱失重和差示掃描量熱測(cè)試了分散劑

9、的熱穩(wěn)定性。討論了聚合反應(yīng)條件對(duì)水煤漿粘度的影響，通過單因素分析確定了分散劑 MAA-IAPEG-SSS的合成較佳條件為甲基丙烯酸、衣康酸聚乙二醇酯大單體和對(duì)苯乙烯磺酸鈉摩爾比3:1.5:1，引發(fā)劑用量為單體總質(zhì)量2%，反應(yīng)溫度為76℃，滴加物料時(shí)間2h，保溫反應(yīng)3h。MAA-MaPEG-SSS聚羧酸分散劑合成較佳條件為甲基丙烯酸、馬來酸聚乙二醇酯大單體和對(duì)苯乙烯磺酸鈉摩爾比3:1.5:1，引發(fā)劑用量為單體總質(zhì)量2%，反應(yīng)溫度80℃，滴

10、加物料時(shí)間2h，反應(yīng)時(shí)間共計(jì)5h。通過比較，篩選出分散性能較好的分散劑 MAA-IAPEG600-SSS(m=14）、MAA-MaPEG800-SSS（m=18）和SSS-AM-APEG1000（m=23），其分散性能和穩(wěn)定性能較好，成漿穩(wěn)定性均優(yōu)于工業(yè)萘磺酸分散劑。
　　在前文研究的基礎(chǔ)上，用聚乙二醇和丙烯酸酯化生成聚酯大單體，同時(shí)引入陽(yáng)離子單體甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC），另外選苯乙烯磺酸鈉為第三單體，設(shè)計(jì)、制備具有

11、季銨陽(yáng)離子、羧基和苯磺酸基的兩性聚羧酸鹽列分散劑SSS-DMC-AAPEG1000。采用傅里葉紅外光譜（FT-IR）和裂解氣相質(zhì)譜（Py-GCMS）及凝膠滲透色譜（GPC）表征了分散劑的結(jié)構(gòu)，使用熱失重和差示掃描量熱測(cè)試了分散劑的熱穩(wěn)定性。討論了聚合反應(yīng)條件對(duì)水煤漿粘度的影響，通過單因素分析確定了兩性離子聚羧酸的較佳合成條件：苯乙烯磺酸鈉與聚酯大單體的摩爾比為1:1，陽(yáng)離子單體DMC用量為聚酯大單體和苯乙烯磺酸鈉總質(zhì)量的5%，引發(fā)劑過硫

12、酸銨和亞硫酸鈉（摩爾比4:1）用量為單體總質(zhì)量的8%，反應(yīng)溫度80℃。兩性離子聚羧酸分散劑所制備水煤漿（水煤漿濃度65%）穩(wěn)定性高于萘磺酸（水煤漿濃度63%），其水煤漿析水率較低，穩(wěn)定等級(jí)達(dá)到一級(jí)，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性均較好，添加量0.5%時(shí)對(duì)神府煤最高制漿濃度為72%。
　　在實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，研究各種聚羧酸分散劑對(duì)煤種的適應(yīng)性能。研究表明，較適合于神府煤制水煤漿的分散劑有：SSS-DMC-AAPEG1000、MAA-IAPEG600

13、-SSS、SSS-AM-APEG1000和MAA-SAS-APEG1000；較適合于彬長(zhǎng)煤制水煤漿的分散劑有：SSS-DMC-AAPEG1000、SSS-AM-APEG1000、MAA-IAPEG600-SSS、MAA-AM-APEG1000和MAA-MaPEG800-SSS。采用了三種模型對(duì)聚羧酸鹽分散劑水煤漿的流變曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果顯示 Bingham模型更適合于水煤漿流變曲線的擬合，模型方程式為：τ=τ0+μγ，擬合相關(guān)系數(shù)R2為

14、0.9993。
　　通過表面接觸角、Zeta電位儀、吸附量和掃面電鏡等測(cè)試了分散劑對(duì)煤表面潤(rùn)濕性改善、煤表面 Zeta電位、分散劑在煤表面的吸附性，研究了分散劑與煤顆粒相互作用。研究表明，梳型聚羧酸鹽分散劑分子結(jié)構(gòu)對(duì)水-煤界面作用有很好的改善，分散劑分子結(jié)構(gòu)（主鏈長(zhǎng)度、側(cè)基種類和側(cè)鏈長(zhǎng)度）影響著水煤漿的體系吸附-分散穩(wěn)定狀態(tài)。煤吸附了梳型聚羧酸鹽分散劑而形成特殊的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)，梳型聚羧酸鹽分散劑對(duì)煤的分散存在著雙重作用，即靜電斥力和立