分散劑在水煤漿中的作用

1、分散劑在水煤漿中的作用水煤漿是粗顆粒懸浮體，煤炭屬于疏水性物質(zhì)，要使?jié){體具有良好的流變性和穩(wěn)定性，即使是易成漿的煤種，同時配以高堆積率的粒度分布，若不加入化學(xué)添加劑（表面活性劑），要制成所希望的水煤漿是不可能的。在水煤漿制備中化學(xué)添加劑的主要作用在于改變煤粒的表面性質(zhì)，使煤顆粒能夠在水中分散，使煤漿體有良好的流動性和穩(wěn)定性。根據(jù)作用不同，化學(xué)添加劑可分為分散劑、穩(wěn)定劑和助劑三類。本文對水煤漿分散劑的種類、作用機(jī)理及其影響分散劑作用的因素進(jìn)行討論。1水煤漿用分散劑分散劑的主要作用是使水煤漿具有良好的流變特性，也就是說適當(dāng)降低水煤漿的粘度，使之具有良好的流動性；其次是使水煤漿具有理想的流型，最好是

2、水煤漿能成為觸變性液體。常用的分散劑主要有陰離子型和非離子型表面活性劑。1.1 陰離子表面活性劑除聚氧乙烯醍類改性陰離子表面活性劑外，聚合陰離子分散劑一般都不起泡，制漿時不需要另加消泡劑。1.1.1 蔡磺酸鹽類其中最典型的是蔡磺酸鈉甲醛縮合物，具適用范圍廣，能與各類分散劑混合使用。此分散劑制漿添加量視煤種的不同而不同，大約為干煤質(zhì)量的0.5%1.1.1 特點是減粘作用及流型好，但通常穩(wěn)定性差，常需和其他分散劑復(fù)配。1.1.2 木質(zhì)素磺酸鹽木質(zhì)素磺酸鹽作為分散劑的優(yōu)點是原料豐富，易于加工，價格便宜，而且漿的穩(wěn)定性好，一般用量為干煤質(zhì)量的1%2%;缺點是雜質(zhì)含量大，因此，除易制漿煤種外，通常不單獨

3、應(yīng)用。木質(zhì)素磺酸鹽還可以經(jīng)甲醛縮合制成木質(zhì)素磺酸鹽甲醛縮合物，用作水煤漿分散劑，其平衡離子可以是Na、NH4、Mg、Ca等。1.1.3 磺化腐植酸鹽將泥炭、褐煤或風(fēng)化煤等在150c下用堿抽提，再經(jīng)磺化，必要時還可以用甲醛縮合，即可得棕黑色的固體產(chǎn)物磺化腐植酸鹽類分散劑。此類分散劑的許多特點和木質(zhì)素相似，但其分散性能更佳，可單獨使用，添加量為干煤質(zhì)量的1%1.1.4 缺點是漿的穩(wěn)定性較差。1.1.5 聚烯炫磺酸鹽+2+2+聚烯炫磺酸鹽是以苯乙烯磺酸、a理基苯乙烯磺酸或苯乙烯、丁二烯、乙烯等為原料共聚而成，或是以各種烯燒（如苯乙烯、乙烯基甲苯、丙烯、丁二烯）為單體聚合，再經(jīng)磺化而成。聚合時以水或有

4、機(jī)溶劑為介質(zhì)，在100c左右的條件下，以偶氮二異丁睛或過氧化苯甲酰等為引發(fā)劑進(jìn)行反應(yīng)。產(chǎn)物相對分子質(zhì)量1萬2萬，用量為干煤質(zhì)量的0.5%左右。聚苯乙烯磺酸鹽（PSS叱蔡磺酸鹽甲醛縮合物性質(zhì)更優(yōu)越，對低灰水煤漿同時具有良好的減粘及穩(wěn)定作用，前者隨分子量增加而減弱，后者則相反。因此，通過控制分子量可以同時兼顧水煤漿的流變性和穩(wěn)定性，甚至可以不用穩(wěn)定劑。1.1.6 聚竣酸鹽類聚竣酸鹽類主要包括聚丙烯酸鈉、馬來酸均聚物、丙烯酸/苯乙烯共聚物鈉鹽、丙烯酸/丙烯酰胺共聚物鈉鹽、馬來酸/丙烯酸共聚物、多環(huán)多元酸類、羥基苯甲酸聚合物鈉鹽及各種烯炫與丙烯酸或馬來酸共聚物等。1.2 非離子型表面活性劑非離子型表面

5、活性劑作為分散劑的主要優(yōu)點是可以通過改變環(huán)氧乙烷量，來實現(xiàn)親水親油性和分子量的調(diào)節(jié)、控制，不受水質(zhì)及煤中可溶性物質(zhì)影響，但價格昂貴，用量一般為干煤質(zhì)量的0.5%以上。在多數(shù)情況下一般不需要再加穩(wěn)定劑，但需要配用消泡劑。1.2.1 聚氧乙烯醍類這類分散劑是由含活潑氫的憎水原料與環(huán)氧乙烷經(jīng)加成反應(yīng)而得到?；顫姎渲噶u基（一OH）、竣基（一COOH）氨基（一NH2）和酰胺基（一CONH2）等基團(tuán)中的氫原子。當(dāng)含上述基團(tuán)的憎水結(jié)構(gòu)和煤大分子結(jié)構(gòu)相似時分散性能最好。其特點可通過控制環(huán)氧乙烷加和數(shù)n調(diào)節(jié)分散劑分子量及HLB值，通常情況下n值應(yīng)大于40才有良好的效果。1.2.2 聚氧乙烯/聚氧丙烯嵌xx這類分

6、散劑常稱為聚醍類。以多元醇、多元胺或多元醇脂肪酸酯等為起始劑，適宜作為高濃度水煤漿分散劑，其成漿性、穩(wěn)定性均很好，一般以每單位活性氫相對分子質(zhì)量為30006000為宜。1.3 復(fù)配分散劑幾種分散劑復(fù)配使用，可以提高水煤漿濃度，降低煤漿粘度，同時還可降低總添加劑用量，達(dá)到價廉、高效的目的。研究表明，陰離子一非離子表面活性劑復(fù)配作為高效水煤漿分散劑比較理想，單獨以蔡磺酸甲醛縮合陰離子分散劑對精煤制漿，煤漿濃度最高能達(dá)到68.1%,分散劑用量0.8%;改用陰離子一非離子二元表面活性劑作分散劑，則煤漿最高濃度可達(dá)70%,總分散劑用量只需0.4%。對其他煤制漿的結(jié)果與之相似，單用陰離子分散劑，用量達(dá)0.

7、9%時，水煤漿濃度最高達(dá)68.7%;若采用復(fù)配分散劑，總添加劑量為0.5%時，即可制得69.0%以上的水煤漿。十二醇聚氧乙烯醍（10）硫酸酯鹽與壬基酚聚氧丙烯/聚氧乙烯醍（相對分子質(zhì)量為3300）按3：1復(fù)配，總用量為原煤的0.5%時，可制得67.5%、穩(wěn)定性大于十天的水煤漿。烷基酚聚氧乙烯醍硫酸酯鹽與蔡磺酸鹽陰離子分散劑復(fù)配使用，配比以3：87：3效果最佳，當(dāng)總用量為0.01%5%時，煤漿濃度為50%80%。十二胺聚氧乙烯醍（相對分子質(zhì)量800）與其他分散劑復(fù)配時，制漿濃度可超過70%,粘度為2800mPas,穩(wěn)定時間達(dá)兩個月以上。以二乙烯三胺為起始劑的EO/PO環(huán)氧丙烷）共聚物，相對分子質(zhì)

8、量為3400時，與蔡磺酸鹽甲醛縮合物以1：1復(fù)配，總用量為0.02%4%,制漿濃度達(dá)70%時，煤漿粘度為1600mPas,穩(wěn)定時間超過兩個月；若只用蔡磺酸鹽甲醛縮合物，煤漿粘度超過2200mPas;如果多胺類聚醍經(jīng)硫酸化或磷酸化改性后，再與蔡磺酸甲醛縮合物復(fù)配，用量為原煤的1%時，煤漿濃度可達(dá)70%,粘度990mPas,穩(wěn)定時間大于四周。2分散劑的作用機(jī)理根據(jù)煤的表面性質(zhì)、分散劑的結(jié)構(gòu)特點及其物性和水煤漿性能指標(biāo)關(guān)系的研究，認(rèn)為其作用機(jī)理主要有以下三個方面：2.1 提高煤表面的親水性煤的表面是疏水的，分散劑分子通過其疏水基和煤表面結(jié)合后，此時親水基朝向水，這種定向排列方式把水分子吸附在煤粒的表

9、面，變疏水性為親水性并形成一層水化膜，借水化膜將煤粒隔開，從而減少煤粒間阻力，達(dá)到降低粘度的作用。分散劑應(yīng)有很好的水溶性，但并不是對煤的潤濕性越好，降粘作用就越佳。2.2 增強(qiáng)顆粒間的靜電斥力根據(jù)DLVO理論，顆粒穩(wěn)定分散的先決條件是粒子間的靜電斥力超過粒子間的范氏引力。離子型分散劑不僅能改善煤表面的親水性，還具有增強(qiáng)煤粒間靜電斥力的作用，進(jìn)一步促進(jìn)煤粒分散于水介質(zhì)中，靜電斥力對煤粒分散懸浮起穩(wěn)定作用，然而分散劑的作用并不只是改變煤粒的表面電性。研究表明，提高t電位值有利于改善水煤漿的流動性，但起不了決定性作用。2.3 空間位阻效應(yīng)離子型分散劑在產(chǎn)生較強(qiáng)的空間位阻效應(yīng)的同時，還可提高煤粒表面的

10、電性，使周圍可聚集更多的離子，這些離子和水分子結(jié)合也形成水化膜，水化膜中的水與體系中的自由水”不同，它因受到表面電場吸引而呈定向排列。當(dāng)顆粒相互靠近時，水化膜受到擠壓而產(chǎn)生變形，引力則力圖恢復(fù)原來的定向，這樣就使水化膜表現(xiàn)出有一定的彈性，所以水化膜也可稱之為一種空間位阻。分散劑在煤粒表面形成的吸附膜的厚度可以反映顆粒間空間障礙大小的程度。對兩種陰離子（蔡磺酸鹽甲醛縮合物和聚竣酸鹽）和非離子（聚醍類）分散劑的物化性能指標(biāo)與自由制漿效果間的關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)非離子型的潤濕效果及提高電位的效果雖然遠(yuǎn)不及離子型，但它的吸附效果大大地超過陰離子型，對于離子型分散劑，雙電層效應(yīng)和吸附空間位阻效應(yīng)同時存在，

11、共同作用實現(xiàn)漿體流變穩(wěn)定性；而非離子分散劑，其主要作用是在煤表面所形成的分散劑吸附膜的空間位阻效應(yīng)。3影響分散劑作用的因素3.1 分散劑結(jié)構(gòu)對煤成漿性影響分散劑分子特征包括主結(jié)構(gòu)特征、取代基的類型及性質(zhì)、聚合度、磺化度、HLB值及羥值等，與煤質(zhì)及煤表面物化性質(zhì)間有著密切的相關(guān)性。3.1.1 主體結(jié)構(gòu)同一類分散劑對不同煤種在不同的條件下制漿，其成漿性能有很大區(qū)別，一般說來，變質(zhì)程度高的煤種成漿性好，煤燃料比越大，成漿性越好；變質(zhì)程度低的煤，對分散劑聚合度有很高的選擇性。為了提高其成漿性，要選用適宜的表面活性劑對煤表面進(jìn)行改性，以使其表面親水性減弱，或?qū)⑵浣?jīng)低溫改質(zhì)處理。3.1.2 取代基在分散劑

12、基本結(jié)構(gòu)中，引入不同的取代基對煤的成漿性影響也不同，主體結(jié)構(gòu)中多核芳煌單體上不同的取代基導(dǎo)致不同的成漿性。對不同變質(zhì)程度的煤，使用單體結(jié)構(gòu)中無任何取代基的分散劑時，其漿體煤濃度普遍相對較低，而分散劑單體結(jié)構(gòu)中甲基取代基的存在則進(jìn)一步降低了漿體的定粘濃度。構(gòu)成分散劑的多核芳炫單體中節(jié)基取代基的導(dǎo)入，使煤具有最高的定粘濃度，這說明分散劑中芳環(huán)的引入有利于提高煤的成漿性能。3.1.3聚合度和磺化度同一種煤，分散劑的聚合度和磺化度不同對煤的成漿性能影響不同，聚合度對煤的成漿性能影響有一最佳范圍。聚合度較低或較高時，其成漿性能都較低。而在一定范圍內(nèi)，煤的成漿性能則隨磺化度的增加而增加。3.2 分散劑種類

13、對水煤漿性能的影響煤化程度不同及產(chǎn)地不同的煤，其表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)差異很大，從而導(dǎo)致煤的成漿性不同。蔡磺酸鹽甲醛縮合物類表面活性劑(NSF)在一定范圍內(nèi)都使變質(zhì)程度高的水煤漿的定粘(1500mPas/2800s1)濃度達(dá)到70%以上，流變性也較理想；但對變質(zhì)程度低的煤，則定粘濃度就要差很多。實驗表明，用蔡磺酸鹽甲醛縮合物作分散劑對大同煤制漿，煤濃度最高只能達(dá)到65%;而每單位活潑氫相對分子質(zhì)量為30006000或更高的多支鏈高分子量的聚醍類非離子表面活性劑，卻能使大同煤的濃度和穩(wěn)定性提高，可制出濃度為69%,甚至70%的水煤漿，穩(wěn)定性達(dá)28天以上。煤質(zhì)和分散劑的匹配十分重要，每一種分散劑都有各自適

14、宜的煤種。對于易成漿煤或即燒用的煤漿，一般選用較便宜的木質(zhì)素磺酸鹽、蔡磺酸鹽甲醛縮合物等分散劑即可制得工業(yè)實用水煤漿；對于難成漿或要求高、貯存時間長、需要長途運輸?shù)乃簼{，只選用一種分散劑往往是不夠的，需用陰離子分散劑/聚醍類非離子分散劑或在一般聚磺酸鹽基本結(jié)構(gòu)中引入另一單體或取代基的分散劑。實驗表明，復(fù)配分散是提高煤濃度及穩(wěn)定性、降低粘度和制漿成本的有效途徑。但所選單體分散劑的種類搭配、配比及用量要合適，而且要與煤匹配。3.3 分散劑對水煤漿流變性及穩(wěn)定性的影響分散劑對水煤漿流變特性的影響不僅與分散劑本身有關(guān)，而且還取決于煤質(zhì)特性。分散劑單體結(jié)構(gòu)為多核芳煌的聚合物，當(dāng)其多核芳煌單體上取代基為

15、甲基或節(jié)基時，對大多數(shù)的流變性影響不大，但對一些變質(zhì)程度較高的煤，分散劑單體中甲基取代基似乎更有利于漿體呈屈服假塑性流體；另外，在多核芳煌基本結(jié)構(gòu)中引入非多核芳煌能大幅度改善煤漿流動性，使各種變質(zhì)程度的煤的漿體呈現(xiàn)良好的流變特性，多為屈服假塑性流體。對大多數(shù)變質(zhì)程度低的煤，非離子型分散劑比陰離子型分散劑更有利于漿體呈屈服假塑性流體。分散劑的強(qiáng)分散性往往是導(dǎo)致漿體呈現(xiàn)不同程度屈服假塑性行為的重要因素。在一定的范圍內(nèi)，分散劑聚合度和磺化度的增加有利于改變漿體的流變性，但當(dāng)添加劑的聚合度太大時就會增加漿體的表觀粘度，對改善漿體流動性不利。3.4分散劑的研究方向及展望經(jīng)過幾十年的研究，已有相當(dāng)多的水煤

16、漿分散劑用于實際生產(chǎn)。但由于煤結(jié)構(gòu)和組成的復(fù)雜性，不同變質(zhì)程度的煤及同一種煤不同的產(chǎn)地，具結(jié)構(gòu)和組成千差萬別，從而導(dǎo)致分散劑的普適性較差。止匕外，由于水煤漿分散劑的用量較大，且價格與煤相比要高出許多。長期以來，水煤漿分散劑的研究主要內(nèi)容是提高分散劑的性能、降低分散劑的用量與降低制漿成本。從分散劑的性能來看，非離子型分散劑比陰離子型分散劑具有更好的分散性能，同時具有一定的穩(wěn)定作用，在制漿時一般不需要另加穩(wěn)定劑，且用量較陰離子分散劑小。目前，水煤漿分散劑研究的主要內(nèi)容之一就是要盡可能降低分散劑的成本和用量，而開發(fā)新型非離子型水煤漿分散劑是分散劑研究的主流方向之一。特別是非離子分散劑與陰離子分散劑的復(fù)配，不僅具有更為良好的制漿效果，同時分散劑總用量要比單獨使用相應(yīng)分散劑時少得多。因此，研究開發(fā)新的水煤漿分散劑，特別是非離子型水煤漿分散劑，并對其與其他