聚羧酸系分散剂的侧链结构对水煤浆性能的影响

宫丽斌

(西山煤电(集团)有限责任公司职业病防治所，山西 太原 030053)

引 言

近年来，人们对石油的需求日益激增，促使研究者们不断寻求石油的替代产品。水煤浆是一种新型的煤炭清洁利用方式，它是由60%～75%的煤、25%～40%的水以及大约1%的添加剂构成，可以作为代油燃料[1]。性能优良的水煤浆应该同时具有低粘度、高煤含量以及高稳定性等特点。为了达到这种目的，我们需要在浆体中添加合适的分散剂[2]。目前，传统的分散剂主要包括萘系、木质素系、腐殖酸系及其复配产品[3]。但是传统的分散剂由于化学结构复杂、分子量分布较宽，具有一些缺点，例如：制浆稳定性较差或者降粘作用较弱。聚羧酸系分散剂具有制浆效果好、环境友好、结构灵活以及适用范围广等优点，是一种非常有前景的水煤浆分散剂类型。研究表明[4]，含聚醚侧链的聚羧酸系分散剂能有效地使煤粒之间产生较大的空间位阻，减少煤粒的聚集，达到良好的分散稳定效果。因此，聚羧酸系分散剂的侧链结构对水煤浆的稳定性有着决定性的影响。

在本实验中，分别合成以淀粉和甲氧基聚乙二醇(MPEG600)为侧链的聚羧酸系分散剂，分别命名为PC-St和PC600。将两种分散剂用于制浆，考察分散剂侧链结构对水煤浆成浆性及稳定性的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料及仪器

1) 原料：丙烯酸(AA)、苯乙烯磺酸钠(SSS)、甲氧基聚乙二醇(MPEG600)、过硫酸钾、硫酸氢钠、氢氧化钠、盐酸(36%)、对苯二酚、异丙醇、乙醇，分析纯；玉米淀粉，工业级。

实验用煤为某矿煤，煤样的工业分析和元素分析如表1所示。水煤浆制备采用干法制浆，煤样的粒度分布按照德士古多封级配的要求，具体为：20～40目，8%；40～120目，42%；120～200目，7%；200～300目，8%；300目以上，35%。

表1 某矿煤的工业分析和元素分析

2) 仪器：DFY-600A高速万能粉粹机，无锡沃信仪器有限公司；NXS-4C型水煤浆黏度仪，国家水煤浆工程技术研究中心成都仪器厂。

1.2 聚羧酸系分散剂的合成

接枝淀粉的聚羧酸系分散剂(PC-St)：将玉米淀粉、过硫酸钾和适量蒸馏水加入在250 mL三口烧瓶中，搅拌加热至90 ℃，维持30 min，冷却至80 ℃，调节溶液pH至8；然后加入苯乙烯磺酸钠和少量硫酸氢钠，完全溶解后滴入丙烯酸和过硫酸钾溶液，使混合物在80 ℃下反应4 h，最后冷却至室温，用20%的NaOH溶液将pH值调至7，得到棕色透明的PC-St溶液。

接枝MPEG600的聚羧酸系分散剂(PC600)：根据参考文献[5]，将一定比例的丙烯酸、苯乙烯磺酸钠和自制的丙烯酸酯单体聚乙二醇单甲醚(MPEGAA600)制备PC600分散剂。

1.3 水煤浆的制备

将配好的煤粉加入到一定浓度的分散剂水溶液中，边加煤粉边搅拌，使浆体混合均匀，待煤粉全部加完后继续高速搅拌5 min直到成为均一稳定的浆体，即可制得水煤浆。

1.4 水煤浆表观粘度测试

采用NXS-4C型水煤浆黏度仪测定水煤浆的表观粘度。具体方法为：将适量的水煤浆倒入在测量筒中，设定黏度仪的剪切速率为100 s-1，测试温度为25 ℃。

1.5 水煤浆稳定性测试

水煤浆的稳定性是评价浆体是否可以工业应用最重要的指标之一。本研究采用“析水率法”对浆体的稳定性进行定量评价。具体方法为：将适量浆体倒入在量程为100 mL的量筒中，密封量筒口在室温下放置7 d，定时吸取量筒内析出的上层清液并称量，记为m1，上层清液与浆体(m0)的质量比即为析水率。一般析水率值越高，浆体的稳定性越差。

2 结果与讨论

2.1 分散剂用量对水煤浆表观黏度的影响

将合成的PC-St和PC600分散剂制备浓度为65wt.%的水煤浆，考察分散剂用量对水煤浆表观黏度的影响，实验结果如图1所示。

图1 分散剂用量对水煤浆表观黏度的影响

由图1可以看出，随着两种分散剂用量的增加，水煤浆的表观黏度均呈现出先急剧降低后增加的趋势，当用量达到0.45wt.%时，水煤浆的表观黏度均达到最低值。随着分散剂用量的增加，分散剂在煤粒表面的吸附量逐渐增加，在静电斥力和空间位阻的作用下，水煤浆的黏度开始降低。但是当分散剂的用量超过0.45wt.%时，水煤浆的表观黏度开始增加，这可能是因为过量的分散剂使得煤粒表面的长侧链分布更加密集，侧链相互缠绕导致水煤浆黏度增加。从图中还可以看出，PC-St分散剂的降黏能力优于PC600分散剂，这说明聚羧酸系分散剂的降黏能力与其侧链结构有关。这可能与两方面因素有关，一方面是淀粉由数百个葡萄糖单元组成，接枝到主链中可以提供更强的空间位阻作用，防止煤粒聚集，降低浆体表观黏度；另一方面淀粉被氧化后羟基变为羧基，亲水性大大增强，有利于提高煤粒在水中的亲水性，进而提高煤粒的分散性。因此，接枝淀粉的聚羧酸系分散剂具有更好的分散降黏效果。

2.2 水煤浆的最大成浆浓度

将PC-St和PC600分散剂制备水煤浆，固定两种分散剂的用量均为0.45wt.%，考察煤质量浓度对水煤浆表观黏度的影响，实验结果如图2所示。

图2 煤浓度对水煤浆表观黏度的影响

由图2可以看出，水煤浆的表观黏度随着煤浓度的增加而增加。这是因为当煤浆中的煤含量较低时，煤粒之间的体积较大，煤粒聚集现象很少发生，煤浆黏度较低，随着煤含量增加时，煤粒之间接触的几率增大，导致较高的表观黏度和较差的流动性。一般可工业应用的水煤浆表观黏度应低于1 000 mPa·s，则PC-St分散剂制备的水煤浆的最大成浆浓度可达到66.5 wt.%，高于PC600分散剂的最大制浆浓度。

2.3 水煤浆的稳定性

将PC-St和PC600分散剂制备浓度为65wt.%水煤浆，其中分散剂的用量均为0.45wt.%，考察静置时间对水煤浆析水率的影响，实验结果如图3所示。

图3 水煤浆的析水率与静置时间的关系

由图3可知，随着静置时间的延长，水煤浆的析水率均呈现逐渐增加的趋势，当静置时间为7 d，PC-St和PC600分散剂制备的水煤浆的析水率分别为3.14%和3.68%，说明PC-St水煤浆具有较好的稳定性。这可能是由于PC-St分散剂吸附在煤粒表面后可以提供更大的空间位阻作用，有效阻止了煤粒的团聚，使得制备的水煤浆稳定性较高。

3 结论

本实验合成了分别以淀粉和甲氧基聚乙二醇(MPEG600)为侧链的聚羧酸系分散剂，发现聚羧酸系分散剂的侧链结构对水煤浆的性能产生较大的影响。以淀粉为侧链的PC-St分散剂具有更好的分散降粘能力，当PC-St分散剂用量为0.45wt.%时，水煤浆的最大成浆可达66.5wt.%，且PC-St分散剂制备的水煤浆稳定性也较高，这是由于PC-St分散剂可以提供煤粒之间更强的静电斥力和空间位阻作用，起到分散稳定的双重效果。