羧基/磺酸基含量對(duì)聚羧酸鹽水煤漿分散劑性能的影響

王　睿，張光華，朱軍峰，何志琴

(陜西科技大學(xué) 教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710021)

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羧基/磺酸基含量對(duì)聚羧酸鹽水煤漿分散劑性能的影響

王睿，張光華，朱軍峰，何志琴

(陜西科技大學(xué) 教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710021)

摘要：以甲基丙烯酸(MAA)、烯丙基磺酸鈉(SAS)按一定比例合成了5種含有不同

關(guān)鍵詞：聚羧酸鹽；分散；羧基；磺酸基；pH值

0引言

聚羧酸鹽水煤漿分散劑結(jié)構(gòu)靈活，性能優(yōu)良，但在其制備過程產(chǎn)生的均聚物和其它未聚合的小分子雜質(zhì)較多，影響了分散劑的分散性能。近年來水煤漿分散劑的研究集中在聚羧酸鹽分散劑的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)上，如張光華等[1]，研究了具有不同側(cè)鏈長度的梳型聚羧酸酸鹽型SAS/MAA/APEG，其側(cè)鏈長度對(duì)分散性能的影響。結(jié)果表明SAS/MAA/APEG1000(n=23)的聚羧酸鹽分散劑在最佳用量為0.4%時(shí)，水煤漿最高制漿濃度可達(dá)到72%，zeta電位由-12.6 mV變化到-53.1 mV，具有良好的潤濕效果，具有更好的降粘、分散和穩(wěn)定作用。朱軍峰等[2]以聚乙二醇、丙烯酸共聚大單體，苯乙烯磺酸鈉和丙烯酰胺原料制備的帶長側(cè)鏈的梳型聚羧酸水煤漿分散劑，結(jié)果表明帶長側(cè)鏈的此類分散劑具有良好的分散降粘效果，并從靜電斥力和空間位阻的角度分析了作用機(jī)理。主鏈結(jié)構(gòu)對(duì)分散性能的影響研究較少，對(duì)聚合單體的用量及比例，但是對(duì)聚羧酸鹽分散劑的聚合單體的聚合度，以及分散劑分子鏈上的官能團(tuán)的含量與比例對(duì)其分散性能的影響的研究相對(duì)較少。而作為分散劑的兩大基本結(jié)構(gòu)部分，即主鏈錨固段和側(cè)鏈溶劑化段是決定分散劑性能的重要因素。本文主要通過自制的聚羧酸鹽水煤漿分散劑，通過分析聚羧酸型分散劑分子鏈中的羧基和磺酸基含量及羧基/磺酸基比值，探討了兩者含量對(duì)水煤漿分散性能的影響，這不僅能更好地優(yōu)化其結(jié)構(gòu)以及有效提高其使用效果[3]，而且對(duì)合理使用功能單體達(dá)到降低聚磺酸鹽分散劑的制造成本具有一定的參考意義。

1實(shí)驗(yàn)

1.1主要試劑

甲基丙烯酸(MAA)、烯丙基磺酸鈉(SAS)為工業(yè)品，過硫酸氨、次亞磷酸鈉、氫氧化鈉均為分析純。煤樣：陜西彬長煤。

1.2水煤漿分散劑的合成

在裝有攪拌器、回流冷凝器和恒壓滴液漏斗的250 mL三口燒瓶中按一定比例滴加單體MAA、SAS，加入總質(zhì)量的10%的次亞磷酸鈉，在恒溫水浴鍋里升溫到80 ℃，開始滴加單體總量4%的引發(fā)劑過氯酸氨5 min，然后再開始滴加混合單體(甲基丙烯酸和烯丙基磺酸鈉)，控制滴加速度，滴3 h。滴加完后保溫3 h，反應(yīng)完畢后冷卻到室溫，用30%氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值至7～8。得到無色透明液體或淡黃色透明液體，即為聚羧酸鹽水煤漿分散劑，根據(jù)聚合物單體摩爾比不同，記為PMAS-0、PMAS-1、PMAS-2、PMAS-3、PMAS-4。分散劑的合成反應(yīng)式如圖1所示。

圖1　分散劑合成方程式

1.3煤質(zhì)分析與水煤漿的制備

實(shí)驗(yàn)選用陜西的彬長煤。該煤屬于低硫、低灰、低變質(zhì)程度的煙煤，煤中O/C比和內(nèi)水含量都相對(duì)較高，因而很難制備高濃度水煤漿。煤質(zhì)分析見表1。

表1　彬長煤質(zhì)分析

注：M：moisture，A：ash content，V：volatile matter；S,C,H,O,N：chemical element

采用干法制漿。實(shí)驗(yàn)用球磨機(jī)以600 r/min的轉(zhuǎn)速下磨煤，將煤粉磨制成一定粒徑分布的粒子，使煤粉緊密堆積，可提高水煤漿的制漿濃度。本文所用水煤漿采用多峰級(jí)配[4-5]分布為20～40，40～120，120～200，200～300，300目以下，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8%，42%，7%，8%和35%，由以上數(shù)據(jù)可知其符合制漿試驗(yàn)粒徑分布要求。將球磨機(jī)磨好的多峰級(jí)的煤樣按照以上比例混合，分散劑用量為絕干煤粉質(zhì)量的0.4%，在轉(zhuǎn)速為600 r/min的條件下，機(jī)械攪拌10 min，即得水煤漿。

1.4水煤漿表觀黏度和析水率的測定

采用NXS-4C型水煤漿黏度儀測定室溫25 ℃下剪切速率為100 s-1的水煤漿表觀黏度，測試3次取平均值，據(jù)此評(píng)定漿體分散性。將適量水煤漿裝入50 mL的量筒中，靜置7 d觀察試管上析水量，測量析水高度與原來水煤漿高度的百分比，直至析水率不變。以下列計(jì)算公式得出析水率[6]：

1.5zeta電位的測試

分別稱取約0.2 g制漿用煤于多個(gè)150 mL具塞錐形瓶中，加入50 mL蒸餾水溶液，在搖床上恒溫振蕩5 h，靜置后取上清液注入電泳池中測定煤表面的zeta電位，測定3次取平均值。

2結(jié)果與討論

2.1聚合物紅外光譜分析

采用德國Brucker公司vector-22型紅外光譜儀，將提純的分散劑用溴化鉀壓片法測定紅外光譜；圖2為PMAS系列聚羧酸鹽分散劑的紅外譜圖。

圖2　分散劑紅外光譜圖

從圖2可見，3 470 cm-1附近為羧基中O—H的伸縮振動(dòng)峰；1 707 cm-1附近為羧酸根離子不對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰；1 206 cm-1附近為磺酸鹽離子的特征吸收峰。5種分散劑的譜圖相似，特征吸收位置一致。

2.2聚合物相對(duì)分子質(zhì)量及其分布

采用Waters 2414-515型凝膠滲透色譜儀測定，流動(dòng)相為0.1 mol/L的NaNO3溶液，流動(dòng)速度為1 mL/min，進(jìn)樣量為80 μL，進(jìn)樣濃度為5 mg/mL，測試溫度為35 ℃。表2為5種分散劑的分子量分布情況，數(shù)據(jù)顯示，5種分散劑的重均分子量均集中在1.2～1.3萬之間，多分散系數(shù)均大于1，表明分子量集中，多分散性良好[7-8]，分子量接近，結(jié)構(gòu)相似。

表2　PMAS系列分散劑的分子量分布

表3　PMAS系列分散劑的基團(tuán)含量

圖4　添加不同聚羧酸鹽的水煤漿靜置7 d析水率

2.4zeta電位分析

顆粒間的靜電斥力超過顆粒間的范德華引力[14]是顆粒穩(wěn)定分散的先決條件，顆粒表面zeta電位絕對(duì)值越大，靜電斥力越強(qiáng)，越有利于料漿分散，zeta電位是水煤漿分散劑對(duì)漿體分散作用的一個(gè)關(guān)鍵部分[15]。

圖5　不同分散劑的zeta電位圖

Fig 5 Effect of dispersant dosage on the zeta potential

2.5pH值對(duì)水煤漿表觀粘度的影響

圖7　pH值對(duì)水煤漿的表觀粘度的影響

3結(jié)論

(2)pH值是聚羧酸鹽分散劑的分散性能的影響因素，由于羧基和磺酸基電離均受到pH值的影響，所以高pH值更有利于該分散劑的分散性能，pH值越大分散性能越好，并趨于平穩(wěn)。

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WANG Rui，ZHANG Guanghua，ZHU Junfeng，HE Zhiqin

(Key Laboratory of Auxiliary Chemistry & Technology for Chemical Industry, Ministry of Education,Shaanxi University of Science & technology, Xi’an 710021, China)

Abstract:Using methacrylic acid (MAA), allyl sulfonate (SAS) prepared five kinds of anionic CWS dispersants PMAS, with different ratio.Their structures, molecular weights and distributions were characterized and analyzed by FT-IR, gel permeation chromatography (GPC). The relation between ratio with apparent viscosity, zeta potential and stability of the slurry were investigated, when the dispersants were used for Binchang coal to prepare CWS with 65wt% solid content and 0.4wt% dosage solid content. And the effect of pH on coal water slurry applications.was discussed. It showed the synthesized PC dispersant under the ratio of 3.238, the CWS exhibited optimized apparent viscosity and stability,zeta potential can reach -38 mV. The coal water slurry apparent viscosity gradually reduced with the increase of pH, and went to stability when pH greater than 10.

Key words:polycarboxylate;dispersion;carboxyl;sulfonic;pH

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.03.021

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TQ536.9

作者簡介：王睿(1989-)，女，陜西咸陽人，在讀碩士，主要從事聚羧酸鹽分散劑研究。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21176148，21303098);陜西省科技攻關(guān)資助項(xiàng)目(2014K10-01);陜西省科技廳自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014JM2040)

文章編號(hào)：1001-9731(2016)03-03115-05

收到初稿日期：2015-04-02 收到修改稿日期：2015-10-26 通訊作者：張光華，E-mail: huahuasust@163.com