分散劑在水煤漿中的作用

河南化工HENAN CHEMICAL INDUSTRY2005年第22卷分散劑在水煤漿中的作用蘇毅2,馬步偉3,趙振新I.中國礦業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京100083;2.黃淮學(xué)院化學(xué)系,河南駐馬店4630003.平頂山工學(xué)院化學(xué)化工系,河南平頂山467001;4.鄭州大學(xué)化學(xué)系,河南鄭州450052)摘要水煤漿分散劑是水煤漿制備過(guò)程中重要的化學(xué)添加劑之一常用的分散劑有陰離子、非離子和復配分散劑三種本文對分散劑的研究現狀、作用機理及影響因素進(jìn)行了簡(jiǎn)要綜述關(guān)鍵詞水煤漿;分散劑;表面活性劑中圖分類(lèi)號TQ536文獻標識碼:文章編號1003-3467(2005)3-0008-04Application of Dispersants in Coal Water SlurrySU Yi 2, MA Bu -wei+, ZHAO Zhen-xin'A(1. Institute of Chemical and Environmental Engineering University of Mining Technology of ChirBe100083 China :2. Department of Chemistry Huanghuai College Zhumadian 463000China i 3. Department of Chemistry and Chemical Engineering Pingdingshan Institute of TechnologyPingdingshan 467001 China ; 4. Department of Chemistry Zhengzhou University Zhengzhou450052, China)Abstract Coal water slurry dispersant is one of the important chemical additives in coal - water slurrypreparation. There are three kinds of dispersants such as anionic nonionic and combined dispersantscommon use. The present status reaction mechanism and the factors influencing the reaction of dispersa-nts are reviewed brieflyKey words: coal water slurry i dispersant surfactant水煤漿是粗顆粒懸浮體煤炭屬于疏水性物質(zhì),1.1陰離子表面活性劑要使漿體具有良好的流變性和穩定性即使是易成除聚氧乙烯醚類(lèi)改性陰離子表面活性劑外聚漿的煤種同時(shí)配以高堆積率的粒度分布若不加入合陰離子分散劑一般都不起泡制漿時(shí)不需要另加化學(xué)添加劑表面活性劑)要制成所希望的水煤漿消泡劑。是不可能的。在水煤漿制備中化學(xué)添加劑的主要作1.1.1萘磺酸鹽類(lèi)用在于改變煤粒的表面性質(zhì)使煤顆粒能夠在水中其中最典型的是萘磺酸鈉甲醛縮合物其適用分散使煤漿體有良好的流動(dòng)性和穩定性。根據作范圍廣能與各類(lèi)分散劑混合使用。此分散劑制漿用不同化學(xué)添加劑可分為分散劑、穩定劑和助劑三添加量視煤種的不同而不同,大約為干煤質(zhì)量的類(lèi)。本文對水煤漿分散劑的種類(lèi)、作用機理及其影0.5%~1.5%特點(diǎn)是減粘作用及流型好但通常穩響分散劑作用的因素進(jìn)行討論。定性差常需和其他分散劑復配。1水煤漿用分散劑1.1.2木質(zhì)素磺酸鹽分散劑的主要作用是使水煤漿具有良好的流變木質(zhì)素磺酸鹽作為分散劑的優(yōu)點(diǎn)是原料豐富,特性也就是說(shuō)適當降低水煤漿的粘度使之具有良易于加工價(jià)格便宜而且漿的穩定性好,般用量好的流動(dòng)性其次是使水煤漿具有理想的流型最好為V凵中國煤化工是雜質(zhì)含量大因此是水煤漿能成為觸變性液體。常用的分散劑主要有除 CNMHG應用陰離子型和非離子型表面活性劑。木質(zhì)素磺酸鹽還可以經(jīng)甲醛縮合制成木質(zhì)素磺收稿日期2004-11-01作者簡(jiǎn)介蘇毅1963-)男副教授從事化學(xué)教學(xué)與研究工作電話(huà)⑩1352279633第3期蘇毅等分散劑在水煤漿中的作用酸鹽甲醛縮合物用作水煤漿分散劑其平衡離子可這類(lèi)分散劑常稱(chēng)為聚醚類(lèi)。以多元醇、多元胺以是Na'、NH、Mg2、Ca2+等?；蚨嘣贾舅狨サ葹槠鹗紕┻m宜作為高濃度水1.1.3磺化腐植酸鹽煤漿分散劑其成漿性、穩定性均很好,般以每單將泥炭、褐煤或風(fēng)化煤等在150℃下用堿抽提,位活性氬相對分子質(zhì)量為3000~6000為宜3。再經(jīng)磺化必要時(shí)還可以用甲醛縮合即可得棕黑色3復配分散劑的固體產(chǎn)物磺化腐植酸鹽類(lèi)分散劑。此類(lèi)分散劑的幾種分散劑復配使用可以提高水煤漿濃度降許多特點(diǎn)和木質(zhì)素相似但其分散性能更佳可單獨低煤漿粘度同時(shí)還可降低總添加劑用量,達到價(jià)使用添加量為干煤質(zhì)量的1%~1.5%缺點(diǎn)是漿廉、高效的目的。的穩定性較差。研究表明陰離子一非離子表面活性劑復配作1.1.4聚烯烴磺酸鹽為高效水煤漿分散劑比較理想單獨以萘磺酸甲醛聚烯烴磺酸鹽是以苯乙烯磺酸、α-甲基苯♂縮合陰離子分散劑對精煤制漿煤漿濃度最高能達烯磺酸或苯乙烯、丁二烯、乙烯等為原料共聚而成,到68.1%分散劑用量0.8%改用陰離子一非離子或是以各種烯烴(如苯乙烯、乙烯基甲苯、丙烯、丁二元表面活性劑作分散劑,則煤漿最高濃度可達二烯)為單體聚合再經(jīng)磺化而成。聚合時(shí)以水或70%總分散劑用量只需0.4%。對其他煤制漿的有機溶劑為介質(zhì)在100℃左右的條件下以偶氮二結果與之相似,單用陰離子分散劑,用量達0.9%異丁腈或過(guò)氧化苯甲酰等為引發(fā)劑進(jìn)行反應。產(chǎn)物時(shí)水煤漿濃度最高達68.7%若采用復配分散劑相對分子質(zhì)量1萬(wàn)~2萬(wàn)用量為干煤質(zhì)量的0.5%總添加劑量為0.5%時(shí)即可制得69.0%以上的水左右。聚苯乙烯磺酸鹽(PSS)比萘磺酸鹽甲醛縮煤漿。合物性質(zhì)更優(yōu)越對低灰水煤漿同時(shí)具有良好的減十二醇聚氧乙烯醚(10)硫酸酯鹽與王基酚聚粘及穩定作用前者隨分子量增加而減弱后者則相氧丙烯/聚氧乙烯醚相對分子質(zhì)量為3300)按3反。因此通過(guò)控制分子量可以同時(shí)兼顧水煤漿的1復配總用量為原煤的0.5%時(shí)可制得67.5%、流變性和穩定性甚至可以不用穩定劑。穩定性大于十夭的水煤漿。烷基酚聚氧乙烯醚硫酸1.1.5聚羧酸鹽類(lèi)酯鹽與萘磺酸鹽陰離子分散劑復配使用配比以3聚羧酸鹽類(lèi)主要包括聚丙烯酸鈉、馬來(lái)酸均聚8~7:3效果最佳當總用量為0.01%~5%時(shí)煤物、丙烯酸/苯乙烯共聚物鈉鹽、丙烯酸/丙烯酰胺共漿濃度為50%~80%。十二胺聚氧乙烯醚相對分聚物鈉鹽、馬來(lái)酸丙烯酸共聚物、多環(huán)多元酸類(lèi)、羥子質(zhì)量800)與其他分散劑復配時(shí)制漿濃度可超過(guò)基苯甲酸聚合物鈉鹽及各種烯烴與丙烯酸或馬來(lái)酸70%粘度為2800mPa·s,穩定時(shí)間達兩個(gè)月以共聚物等。1.2非離子型表面活性劑以二乙烯三胺為起始劑的EO/PO(環(huán)氧丙烷)非離子型表面活性劑作為分散劑的主要優(yōu)點(diǎn)是共聚物相對分子質(zhì)量為3400時(shí)與萘磺酸鹽甲醛可以通過(guò)改變環(huán)氧乙烷量來(lái)實(shí)現親水親油性和分縮合物以1:1復配總用量為0.02%~4%制漿濃子量的調節、控制不受水質(zhì)及煤中可溶性物質(zhì)影度達70%時(shí)煤漿粘度為1600mPa·s穩定時(shí)間超響但價(jià)格昂貴,用量一般為干煤質(zhì)量的0.5%以過(guò)兩個(gè)月若只用萘磺酸鹽甲醛縮合物煤漿粘度超上。在多數情況下一般不需要再加穩定劑,但需要過(guò)2200mPa·s洳如果多胺類(lèi)聚醚經(jīng)硫酸化或磷酸配用消泡劑化改性后再與萘磺酸甲醛縮合物復配用量為原煤1.2.1聚氧乙烯醚類(lèi)的1%時(shí)煤漿濃度可達70%粘度990mPa·s穩這類(lèi)分散劑是由含活潑氫的憎水原料與環(huán)氧乙定時(shí)間大于四周]烷經(jīng)加成反應而得到?；顫姎柚噶u基(-0H羧2分散劑的作用機理基(-COOH)氨基(一NH2)和酰胺基(一CONH2)中國煤化工劑的結構特點(diǎn)及其物等基團中的氫原子。當含上述基團的憎水結構和煤性和CNMHG開(kāi)究,認為其作用機理大分子結構相似時(shí)分散性能最好。其特點(diǎn)可通過(guò)控主要有以下三個(gè)方面制環(huán)氧乙烷加和數n調節分散劑分子量及HLB值,2.1提高煤表面的親水性通常情況下n值應大于40才有良好的效果2煤的表面是疏水的分散劑分子通過(guò)其疏水基1.2.2聚氧乙烯/聚氧丙烯嵌段聚醚和煤表面結合后此時(shí)親水基朝向水這種定向排列河南化工HENAN CHEMICAL INDUSTRY2005年第22卷方式把水分子吸附在煤粒的表面變疏水性為親水面進(jìn)行改性以使其表面親水性減弱或將其經(jīng)低溫性并形成一層水化膜借水化膜將煤粒隔開(kāi)從而減改質(zhì)處理少煤粒間阻力達到降低粘度的作用。分散劑應3.1.2取代基有很好的水溶性但并不是對煤的潤濕性越好降粘在分散劑基本結構中引入不同的取代基對煤作用就越佳的成漿性影響也不同主體結構中多核芳烴單體上2.2增強顆粒間的靜電斥力不同的取代基導致不同的成漿性。對不同變質(zhì)程度根據DLO理論顆粒穩定分散的先決條件是的煤使用單體結構中無(wú)仼何取代基的分散劑時(shí)其粒子間的靜電斥力超過(guò)粒子間的范氏引力。離子型漿體煤濃度普遍相對較低而分散劑單體結構中甲分散劑不僅能改善煤表面的親水性還具有増強煤基取代基的存在則進(jìn)一步降低了漿體的定粘濃度粒間靜電斥力的作用進(jìn)一步促進(jìn)煤粒分散于水介構成分散劑的多核芳烴單體中芐基取代基的導入質(zhì)中靜電斥力對煤粒分散懸浮起穩定作用然而分使煤具有最高的定粘濃度這說(shuō)明分散劑中芳環(huán)的散劑的作用并不只是改變煤粒的表面電性。研究表引入有利于提高煤的成漿性能。明3提高電位值有利于改善水煤漿的流動(dòng)3.1.3聚合度和磺化度性但起不了決定性作用同一種煤分散劑的聚合度和磺化度不同對煤2.3空間位阻效應的成漿性能影響不同聚合度對煤的成漿性能影響離子型分散劑在產(chǎn)生較強的空間位阻效應的同有一最佳范圍。聚合度較低或較高時(shí)其成漿性能時(shí)還可提高煤粒表面的電性使周?chē)删奂嗟亩驾^低。而在一定范圍內煤的成漿性能則隨磺化離子這些離子和水分子結合也形成水化膜水化膜度的增加而增加。中的水與體系中的自由水”不同,它因受到表面電3.2分散劑種類(lèi)對水煤漿性能的影響場(chǎng)吸引而呈定向排列。當顆粒相互靠近時(shí)水化膜煤化程度不同及產(chǎn)地不同的煤其表面結構及受到擠壓而產(chǎn)生變形引力則力圖恢復原來(lái)的定向,性質(zhì)差異很大從而導致煤的成漿性不同。萘磺酸這樣就使水化膜表現出有一定的彈性所以水化膜鹽甲醛縮合物類(lèi)表面活性劑NSF)在一定范圍內也可稱(chēng)之為一種空間位阻都使變質(zhì)程度高的水煤漿的定粘(1500mPa·s分散劑在煤粒表面形成的吸附膜的厚度可以反2800s-)濃度達到70%以上流變性也較理想泄但映顆粒間空間障礙大小的程度。對兩種陰離子(萘對變質(zhì)程度低的煤測定粘濃度就要差很多。實(shí)驗磺酸鹽甲醛縮合物和聚羧酸鹽)和非離(聚醚類(lèi))表明用萘磺酸鹽甲醛縮合物作分散劑對大同煤制分散劑的物化性能指標與自由制漿效果間的關(guān)系進(jìn)漿煤濃度最高只能達到65%洏而每單位活潑氫相行研究2發(fā)現非離子型的潤濕效果及提高電位的對分子質(zhì)量為3000~6000或更高的多支鏈高分子效果雖然遠不及離子型,但它的吸附效果大大地超量的聚醚類(lèi)非離子表面活性劑,卻能使大同煤的濃過(guò)陰離子型對于離子型分散劑雙電層效應和吸附度和穩定性提高可制出濃度為69%甚至70%的空間位阻效應同時(shí)存在共同作用實(shí)現漿體流變穩水煤漿穩定性達28天以上[13定性而非離子分散劑其主要作用是在煤表面所形煤質(zhì)和分散劑的匹配十分重要每一種分散劑成的分散劑吸附膜的空間位阻效應都有各自適宜的煤種。對于易成漿煤或即燒用的煤3影響分散劑作用的因素漿,一般選用較便宜的木質(zhì)素磺酸鹽、萘磺酸鹽甲醛3.1分散劑結構對煤成漿性影響縮合物等分散劑即可制得工業(yè)實(shí)用水煤漿于難分散劑分子特征包括主結構特征、取代基的類(lèi)成漿或要求高、貯存時(shí)間長(cháng)、需要長(cháng)途運輸的水煤型及性質(zhì)、聚合度、磺化度、HB值及羥值等與煤漿只選用一種分散劑往往是不夠的霈用陰離子分質(zhì)及煤表面物化性質(zhì)間有著(zhù)密切的相關(guān)性。散劑聚醚類(lèi)非離子分散劑或在一般聚磺酸鹽基本3.1.1主體結構結構中國煤化工基的分散劑。實(shí)驗表同一類(lèi)分散劑對不同煤種在不同的條件下制明CNMHG穩定性、降低粘度和制漿其成漿性能有很大區別,一般說(shuō)來(lái)變質(zhì)程度高漿成本的有效途徑。但所選單體分散劑的種類(lèi)搭的煤種成漿性好煤燃料比越大成漿性越好;變質(zhì)配、配比及用量要合適而且要與煤匹配。程度低的煤對分散劑聚合度有很高的選擇性。為3.3分散劑對水煤漿流變性及穩定性的影響了提高其成漿性要選用適宜的表面活性劑對煤表分散劑對水煤漿流變特性的影響不僅與分散劑第3期蘇毅等分散劑在水煤漿中的作用II本身有關(guān)而且還取決于煤質(zhì)特性。①分散劑單體本結構為多核芳烴的分散劑單體結構中導入非多核結構為多核芳烴的聚合物當其多核芳烴單體上取芳烴類(lèi)第二單體將有利于提高漿體穩定化作用。此代基為甲基或芐基時(shí)對大多數的流變性影響不大,外對同一分散劑煤中灰分含量高有利于漿體的穩但對一些變質(zhì)程度較高的煤分散劑單體中甲基取定有時(shí)甚至不需另加穩定劑代基似乎更有利于漿體呈屈服假塑性流體11;另外在多核芳烴基本結構中引入非多核芳烴能大幅參考文獻度改善煤漿流動(dòng)性,使各種變質(zhì)程度的煤的漿體呈[I]范麗娟.水煤漿添加劑的研究進(jìn)展J]日用化學(xué)工現良好的流變特性,多為屈服假塑性流體1。②業(yè)200232(1):46-48對大多數變質(zhì)程度低的煤非離子型分散劑比陰離[2] Nilgun Karatepe. Adsorption of a non- ionic dispersal子型分散劑更有利于漿體呈屈服假塑性流體。on lignite particle surfaces[ J ] Energy Conv. Manage分散劑的強分散性往往是導致漿體呈現不同程度屈ment,200344275-1284.服假塑性行為的重要因素。④在一定的范圍內分[3] Kaushal k Sibendra K b, Kumaresh C B,tal.High-散劑聚合度和磺化度的增加有利于改變漿體的流變concentration coal water slurry from Indian coals usinewly developed additives[ J]. Fuel Process. Tech性但當添加劑的聚合度太大時(shí)就會(huì )增加漿體的表2003,85:31-42觀(guān)粘度對改善漿體流動(dòng)性不利。[4]周明松邱學(xué)青王衛星.水煤漿分散劑的研究進(jìn)展3.4分散劑的研究方向及展望[J]化工進(jìn)展20042X8):846-851經(jīng)過(guò)幾十年的研究已有相當多的水煤漿分散[5] Funk James E.Coal- water slurry and method for its劑用于實(shí)際生產(chǎn)。但由于煤結構和組成的復雜性preparation P ] US 55599355 ,1999-1l-22不同變質(zhì)程度的煤及同一種煤不同的產(chǎn)地其結構[6] Gross A E Branning M L, Fong D w. Dispersant for higl和組成千差萬(wàn)別,從而導致分散劑的普適性較差。solids coal -water slurries[ P ]. US: 4282006, 1979此外由于水煤漿分散劑的用量較大且價(jià)格與煤相比要高出許多。長(cháng)期以來(lái)水煤漿分散劑的研究主[7] Mishra S K Senapatip PK et al. theological behavior of要內容是提高分散劑的性能、降低分散劑的用量與coal-water slurr[ J ] Energy Sources 2002, 24 :159167降低制漿成本。從分散劑的性能來(lái)看非離子型分[8] Staczka A. Piszczynski Z. The rheology and stability of散劑比陰離子型分散劑具有更好的分散性能同時(shí)concentrated coal water slurrys[ J具有一定的穩定作用在制漿時(shí)一般不需要另加穩Pittsburgh Coal Conf, 1995, 12: 691-696定劑且用量較陰離子分散劑小。[9]朱書(shū)全王袒訥水煤漿用煤的結構特性與CWS流變目前水煤漿分散劑研究的主要內容之一就是的關(guān)系研究D]中國礦業(yè)大學(xué)北京研究生部1990要盡可能降低分散劑的成本和用量而開(kāi)發(fā)新型非[10]顧全榮王祖訥水煤漿分散劑作用機理及其效能提離子型水煤漿分散劑是分散劑研究的主流方向之高D]中國礦業(yè)大學(xué)北京研究生部1993特別是非離子分散劑與陰離子分散劑的復配,[11] Dincer h, Boylu F sirkeci AA,etal. The effect of不僅具有更為良好的制漿效果同時(shí)分散劑總用量chemicals on the viscosity and stability of coal waterslurrie[J ] Int. J. Miner. Process 2003, 70: 4要比單獨使用相應分散劑時(shí)少得多。因此研究開(kāi)發(fā)新的水煤漿分散劑特別是非離子型水煤漿分散[12]曾凡黃仁和分散劑在煤表面吸附膜厚度的研究劑并對其與其他分散劑復配性能和規律的研究對[J]中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報19952(2):20-24水煤漿的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應用都具有十分重要的意[13]黃仁和曾凡煤對CWM分散劑吸附性能的研究J]煤炭轉化199721(1):59-654結束語(yǔ)[14]李永昕李保慶.添加劑分于結構特征與靈武煤水煤綜上所述就漿體的穩定性而言非離子型分散中國煤化工研究J]燃料化學(xué)學(xué)報劑形成漿體的穩定性明顯好于陰離子型分散劑。相CNMHG同條件下非離子型分散劑形成漿體的穩定性明顯好15 J Nam S R Dae H Shin Dong C K et al. Rheological be-haviour of coateres: 1. effects of coal type于萘磺酸鹽甲醛縮合物前者即使形成沉淀也是可loading and particle size J ] Fuel 1995 748): 1220再生的軟沉淀后者往往成漿的流動(dòng)性很好但若形成沉淀則為不可再生的硬沉淀。據報道在這類(lèi)基