复合型丙烯酸系水煤浆分散剂的性能研究

齐晶晶

（兰州石化职业技术学院，甘肃 兰州 730060）

复合型丙烯酸系水煤浆分散剂的性能研究

齐晶晶

（兰州石化职业技术学院，甘肃 兰州 730060）

以α-甲基丙烯酸、丙烯磺酸钠为原料合成的阴离子型分散剂PMS，和以α-甲基丙烯酸、丙烯磺酸钠、苯乙烯为原料合成的复合型分散剂MSS，分别用于水煤浆制浆，首先考察2种分散剂对水煤浆的黏度、流变性及稳定性的影响，并采用红外光谱、凝胶色谱等物理方法对产物进行分析。研究发现，与PMS相比，改进后的复合型分散剂MSS性质稳定，改善了水煤浆性能，具有很好的降黏效果，并明显增强了浆体的静态稳定性。

复合型 分散剂；合成；水煤浆；分析

水煤浆是将一定粒径分布的煤、水及少量添加剂按比例混合，通过物理加工得到的一种低污染、高效率、可管道输送的代油煤基流体燃料。其中分散剂是制备高质量水煤浆的技术关键，也是水 煤浆生产成本的主要影响因素之一。目前市售水煤浆分散剂多以各类取代基的萘磺酸盐聚合物为主[1]，但是随着原油价格的上涨，以石油为原料的萘系添加剂价格也不断上涨，其他添加剂如腐殖酸系、木质素磺酸盐系添加剂虽价格便宜，但效能较低[2-9]。

丙烯酸共聚物的制备过程设备投资低，周期短，生产中无“三废”产生，因此，作者研究了以α-甲基丙烯酸、丙烯磺酸钠为原料合成的甲基丙烯酸-丙烯磺酸钠（PMS）阴离子型分散剂，结果表明，它具有良好的分散降黏能力。在此基础上本文尝试合成更高效的新型丙烯酸共聚物作为水煤浆分散剂，探讨其对水煤浆性能的影响。

1 实验部分

1.1 分散剂的合成

1.1.1 合成原理

1) 以α-甲基丙烯酸、丙烯磺酸钠合成阴离子型分散剂PMS，基本反应式如下：

2) 以α-甲基丙烯酸、丙烯磺酸钠、苯乙烯为原料合成复合型分散剂MSS，基本反应式如下：

本实验采用(NH4)2S2O8和NaHSO3组成的氧化还原体系作为引发剂。其反应式如下：

1.1.2 合成原料与仪器

原料：α-甲基丙烯酸（分析纯），丙烯磺酸钠（工业级Al2O3≥30%），苯乙烯（分析纯），过硫酸铵（分析纯），亚硫酸氢钠（分析纯），氢氧化钠（分析纯）。

仪器：250mL合成装置1套，行星球磨机（XM-4），旋转式粘度仪（NDJ-4），共轴圆筒旋转式流变仪（Brookfield DV-Ⅲ Ultra）。

1.1.3 合成步骤

在装有搅拌器、冷凝管、滴液漏斗和温度计的250mL 四口烧瓶中，加入一定量的去离子水、丙烯磺酸钠、苯乙烯和亚硫酸氢钠，搅拌溶解，然后在不断搅拌下加热升温至70℃时，开始滴加单体α-甲基丙烯酸和引发剂(NH4)2S2O8水溶液，并在1～2h 内滴加完毕。之后保温反应2h。反应完毕，将反应物冷却至40～50℃时，缓慢加入浓度为30%的氢氧化钠水溶液中和至pH=7～9，得到透明粘稠的聚合物溶液。

1.2 水煤浆的性能检测

1.2.1 水煤浆的制备

实验选用变质程度较低的陕西神府煤，属于不黏-弱黏煤，难以制备出高难度水煤浆。实验利用行星球磨机采用干法制浆，所有浆样均在完全相同的条件下制备，分散剂用量为干基煤样的0.5%。

1.2.2 成浆性能的测定

水煤浆的表观黏度和浆体流变性由Brookfield DV-Ⅲ Ultra型共轴圆筒旋转式流变仪测定，表观黏度取剪切速率为100r·min-1时的黏度值，测定温度为25℃。浆体稳定性采用析水率表示。

1.3 产物分析

1.3.1 红外光谱分析

采用EQUI NX55 型红外光谱仪，样品处理采用溴化钾压片法。

1.3.2 凝胶色谱测试

相对分子质量及相对分子质量分布采用G02515-911M型515凝胶渗透色谱测定，Liner 柱（柱长为7.8mm×300mm），流动相为0.1% NaNO3溶液，流动速度为0.5mL·min-1，进样量为20μL，测试温度为30℃。

1.3.3 热重分析

热重分析采用热分析系统（Q1000DSC+LNCS+ FACEQ600SDT），在氮气保护下以10℃·min-1的升温速率由室温加热至700℃。

2 结果与讨论

2.1 2种分散剂对水煤浆表观黏度的影响

保持浆中煤的质量分数为64%，改变分散剂合成时苯乙烯的投放比例，测定浆体在剪切速率100 r·min-1下的黏度，得出水煤浆黏度随苯乙烯质量分数的变化曲线如图1所示。由图1的结果可看出，添加复合型分散剂时，随着苯乙烯质量分数的增加，水煤浆黏度有所降低。与不加入苯乙烯时的阴离子分散剂PMS相比，这种MSS分散剂的分散降黏效果明显优于PMS，对成浆有利。

分散剂对水煤浆的分散降黏机理主要是由于分散剂分子在煤粒表面吸附，吸附的分散剂分子使煤粒间的静电斥力升高，并在煤表面形成一定的空间位阻。静电斥力和空间位阻的双重作用导致了煤颗粒的分散[10-11]。由煤质分析结果来看，神府煤属于不黏-弱黏煤，该煤中O/C值比较低，说明其表面活性低，吸附能力弱。由于煤化学结构的主要单元是缩合芳环，复合型分散剂的分子结构中也含有芳环结构，根据非极性吸附的“相似相亲”原理，合成时添加的苯乙烯有助于增加分散剂在煤表面的吸附能力，因此制备的复合型分散剂比阴离子分散剂的分散效果好。

图1 不同质量分数苯乙烯制备的复合型分散剂对浆体表观黏度的影响Fig.1 Effect of compound dispersant with different mass fraction of Styrene on slurry apparent visconsity

2.2 2种分散剂对水煤浆流变特性的影响

图2所示1#为阴离子型分散剂制得的水煤浆流变特性曲线，2#为添加3%苯乙烯的复合型分散剂制得的水煤浆流变特性曲线。

图2 2种分散剂对浆体流变性的影响Fig.2 Effect of two dispersants on slurry rheological behavior

由图2可看出，2种分散剂均使水煤浆表现为假塑性流体，具有剪切变稀的流动特性，这一特性正是混合燃料在实际应用中所需要的。与阴离子型分散剂相比，复合型分散剂可优化浆体的流变特性，随着剪切速率的增大，制得的浆体表观黏度下降明显，更有利于浆体呈屈服假塑性行为。

2.3 2种分散剂对水煤浆静态稳定性的影响

在一定的制浆浓度下，将投放不同比例苯乙烯的复合型分散剂制备的水煤浆试样放置7d，测其析水率（见表1），并观察其沉淀情况。从表1可以看出，浆样放置3d后，浆体均有少量析水，7d后观察所有浆体的沉淀情况，所有浆样均没有产生硬沉淀，2种分散剂制备的水煤浆均具有良好的静态稳定性。

表1 不同质量分数的苯乙烯制备的复合型分散剂对浆体静态稳定性的影响Table 1 Effect of compound dispersant with different mass fraction of styrene on slurry static stability

2.4 分散剂的红外光谱表征

图3所示为复合型分散剂的红外光谱图。从图3可看出， 3442cm-1为羧基中O-H的伸缩振动吸收峰，1550cm-1、1407 cm-1分别为羧酸根离子不对称和对称伸缩振动峰； 1045 cm-1为-SO3的特征吸收峰，616 cm-1为C-S键伸缩振动峰；1608cm-1和1513cm-1为苯环骨架特征吸收峰。由此说明复合型聚合物中含有羧基、磺酸基及苯环结构。对谱图进行特征峰分析，证明产物是前面结构式所示的聚合物。

图3 复合型分散剂红外光谱图Fig.3 FTIR spectrogram of compound dispersant

2.5 分散剂的凝胶色谱谱图分析

2种聚合物的凝胶渗透色谱结果见图4、5。由GPC测得聚合物PMS的重均相对分子质量为2454，与国外同类产品的相对分子质量相当。其多分散系数为1.0763。聚合物的相对分子质量分布集中，制备工艺较为完善；聚合物MSS的重均相对分子质量分布为3014，其分散系数在2.0左右，制备工艺稳定。

图4 聚合物PMS的GPC检测结果Fig.4 GPC test result of polymer PMS

图5 阴离子聚合物MSS的GPC检测结果Fig.5 GPC test result of anion dispersant MSS

2.6 分散剂的热重分析

聚合物MSS的TGA谱图如图6所示。由图6可看出，复合型分散剂在高温加热的情况下，失重7%的分解温度约为330℃，说明该聚合物分散剂能用在较苛刻的环境，适用温度范围较宽。

图6 复合型分散剂的TGA谱图Fig.6 TGA spectrogram of compound dispersant

3 结论

1) 通过单体共聚反应，合成的2种分散剂共聚物均具有良好的分散性，并且性质稳定，可作为高效水煤浆分散剂。

2) 复合型分散剂具有优于PMS的分散降黏能力，对浆体的稳定化作用与PMS相当；随着合成时苯乙烯投加量的增多，制备的水煤浆黏度降低。

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Performance Study on Compound Acrylic CWS Dispersants

QI Jing-jing
(Lanzhou Petrochemical College of Vocational Technology, Lanzhou 730060, China)

Anionic dispersant PMS synthesized by methyl acrylic acid (MAA), sodium allyl sulfonat(SAS), and the compound dispersant MSS synthesized by MAA, SAS, styrene, were used for the preparation of coal water slurry，respectively. The viscosity, rheological behavior, stability of CWA tha t added these two dispersants, was tested, and the analysis of the product was made by Infrared spectroscopy, gel chromatography and other methods. It was founded that the compound dispersant had steady properties. It could improve performances of CWS. The compound dispersant had satisfying visbreaking effect, could enhanced the static stability of coal water slurry.

compound dispersant; synthesis; coal water slurry; analysis

TQ 536

A

1671-9905(2014)06-0013-04

2014-03-27