探索木质素磺酸盐用作水煤浆添加剂的性能及其分散稳定机理研究

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1、华南理工大学博士学位论文木质素磺酸盐用作水煤浆添加剂的性能及其分散稳定机理研究姓名：张延霖申请学位级别：博士专业：化学工程指导教师：邱学青20050401摘要摘要木质素是地球上资源丰富的天然聚合物，又是一种重要的可再生资源，随着世界资源危机日益严重和对生态环境要求的同益提高，木质素及其衍生物由于具有原料来源丰富、价格便宜、无毒、分子结构多样化且易于进行化学改性等特点，其研究与应用受到国内外广泛重视。木质素磺酸盐作为一种阴离子表面活性剂在工业上应用较多，但其在水煤浆工业中应用尚不能满足要求。因此，以木质

2、素磺酸盐为原料研制高性能的水煤浆添加剂，不仅可以充分利用制浆废液中的工业木质素，而且对于解决我国能源紧张、减少环境污染、走可持续发展之路具有现实意义。本论文系统地研究了木质素磺酸盐作为水煤浆添加剂的制浆性能、流变性能，从吸附热力学、动力学等方面研究了木质素磺酸钠在煤水界面的吸附过程，分析了木质素磺酸钠在煤粒表面的吸附量与制浆性能的关系。通过以上研究从中找出木质素磺酸钠作为水煤浆添加剂存在的不足，提出改性的思路与方法，并研制了性能较为优异的木素磺酸盐水煤浆添加剂。在此基础上探索并揭示了木质素磺酸盐对煤粒

3、的分散稳定作用机理。制浆性能的研究发现：金属阳离子对木质素磺酸盐制浆性能的影响方面，钠盐好于钙、镁盐，但稳定性不如钙、镁盐；木质素磺酸钠对盘江煤的最大成浆浓度可达71．17％，制浆的最大搅拌强度为1200rad，min，这两方面的性能均比萘系添加剂差。加入金属离子调整剂焦磷酸钠、碳酸钠和EDTA能够抑制煤表面溶解出的高价金属离子，改善木质素磺酸钠的制浆性能。木质素磺酸钠对水煤浆流变性能的研究表明：水煤浆的屈服假塑性在制浆浓度高于68．5％时，会随着制浆浓度的提高而减弱；各种相对分子量的木质素磺酸钠制得

4、的水煤浆都具有剪切变稀的特性，分子量范围在10000～20000的木质素磺酸钠对水煤浆具有最好的流变性能。慢速剪切的水煤浆浆体经过一段时间后黏度有上升的趋势，而快速剪切的水煤浆黏度基本保持不变。木质素磺酸钠中增加磺酸基、羧酸基、羟基的含量，对水煤浆的流变性影响较小，但增加磺酸基和羧酸基含量可以提高水煤浆的初始屈服应力。在本实验系统条件下建立了水煤浆的流变模型，结果表明：本模型能够较好地模拟不同质量浓度下水煤浆的流变特性，并可为在不同温度条件下水煤浆的剪切应用提供指导。木质素磺酸盐在煤水界面的吸附研究表

5、明：木质素磺酸盐的钠盐在煤表面的吸附等温线呈L型，而钙盐和铁盐的吸附等温线均呈s型，煤粒对钠盐的吸附能力要强于钙盐、铁盐。对不同相对分子量的木质素磺酸钠的吸附类型的研究表明，华南理工大学博士学位论文其吸附第一平台属于Lan空muir吸附，吸附并没有发生多点吸附，这是导致其在煤表面易脱附的主要原因。煤粒对木质素磺酸盐的吸附在30一60℃是吸热过程，吸附是自发进行的；熵变为正值，这是由于木质素磺酸钠在固体表面的吸附，导致更多水分子自固相向液相作更杂乱的运动而使得固液分子界面上的分子运动变得更为混乱。随着木

6、质素磺酸钠添加剂在煤颗粒表面吸附量的增加，固液界面自由能逐渐降低。木质素磺酸钠在煤表面的吸附遵循一级反应动力学，固液界面只存在物理吸附作用。通过比较煤水界面的吸附性能与水煤浆的成浆性能，结果表明吸附饱和的最低平衡浓度与降粘效应对应的最低添加量有较好的相关性。实验以木质素磺酸钠为原料，通过在碱性条件下的Mannich反应、缩合反应，使长链烷烃十二胺接枝到木质素磺酸钠大分子上。缩合后产物的重均分子量从9992提高到14875，改性产物与焦磷酸钠、0P一30复配能够改善产品的综合制浆性能。随着OP一30添加

7、量的增大，水煤浆24h、72h浆体结构稳定性提高；随着焦磷酸钠添加量的增大，水煤浆的黏度降低。在OP一30、焦磷酸钠添加量分别为O．075％、0．06％时，制浆性能可达到最佳。对改性前后木质素磺酸钠在水溶液中的聚集状态进行ESEM分析研究，结果表明：木质素磺酸钠在不同pH的溶液中呈现不同的分子聚集状态。pH为7．5的溶液中木质素磺酸钠分子相对较分散，簇状胶体相对较少。改性木质素磺酸钠溶液大分子在溶液中基本呈单个球形状态分布，这有利于增加其在煤表面的吸附速率和吸附量。对煤表面的‘电位的测定表明：煤表面电

8、位的变化不是决定煤颗粒分散性能的唯一因素，吸附层厚度对其影响也较大。改性木质素磺酸钠虽在增强静电排斥方面不占优势，但在煤表面形成的吸附层厚度、增加浆体游离水含量方面均优于未改性木质素磺酸钠，使得其具有良好的制浆性能。关键词：木质素磺酸盐；水煤浆；流变性能；吸附；分散稳定机理IIABSTRACTLigninistheabundantnaturalpolymerontheearth，anditisalsoakindofimportantreproducibl