聚羧酸系分散劑的側鏈結構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%的添加劑構成，可以作為代油燃料[1]。性能優良的水煤漿應該同時具有低粘度、高煤含量以及高穩定性等特點。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，傳統的分散劑主要包括萘系、木質素系、腐殖酸系及其復配產品[3]。但是傳統的分散劑由于化學結構復雜、分子量分布較寬，具有一些缺點，例如：制漿穩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、環境友好、結構靈活以及適用范圍廣等優點，是一種非常有前景的水煤漿分散劑類型。研究表明[4]，含聚醚側鏈的聚羧酸系分散劑能有效地使煤粒之間產生較大的空間位阻，減少煤粒的聚集，達到良好的分散穩定效果。因此，聚羧酸系分散劑的側鏈結構對水煤漿的穩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，考察分散劑側鏈結構對水煤漿成漿性及穩定性的影響。

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，工業級。

實驗用煤為某礦煤，煤樣的工業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 ℃，調節溶液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4 h，最后冷卻至室溫，用20%的NaOH溶液將pH值調至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，使漿體混合均勻，待煤粉全部加完后繼續高速攪拌5 min直到成為均一穩定的漿體，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 水煤漿穩定性測試

水煤漿的穩定性是評價漿體是否可以工業應用最重要的指標之一。本研究采用“析水率法”對漿體的穩定性進行定量評價。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，定時吸取量筒內析出的上層清液并稱量，記為m1，上層清液與漿體(m0)的質量比即為析水率。一般析水率值越高，漿體的穩定性越差。

2 結果與討論

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鏈分布更加密集，側鏈相互纏繞導致水煤漿黏度增加。從圖中還可以看出，PC-St分散劑的降黏能力優于PC600分散劑，這說明聚羧酸系分散劑的降黏能力與其側鏈結構有關。這可能與兩方面因素有關，一方面是淀粉由數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為羧基，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.%，考察煤質量濃度對水煤漿表觀黏度的影響，實驗結果如圖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，煤粒聚集現象很少發生，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，導致較高的表觀黏度和較差的流動性。一般可工業應用的水煤漿表觀黏度應低于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，實驗結果如圖3所示。

圖3 水煤漿的析水率與靜置時間的關系

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定性較高。

3 結論

本實驗合成了分別以淀粉和甲氧基聚乙二醇(MPEG600)為側鏈的聚羧酸系分散劑，發現聚羧酸系分散劑的側鏈結構對水煤漿的性能產生較大的影響。以淀粉為側鏈的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，起到分散穩定的雙重效果。