@麦草碱木素高效水煤浆分散剂的应用性能

作者简介:邱学青先生,

教授;主要从事可再生资源利用、造纸废液木素表面活性剂的改性和应用基础研究。

收稿日期:2006-08-16(修改稿)

本课题为国家自然科学基金(20276024),广东省自然科学重点基金(05103536)资助项目。

#麦草碱木素#

麦草碱木素高效水煤浆分散剂的应用性能

邱学青 周明松 杨东杰 楼宏铭

(华南理工大学化工与能源学院,广东省绿色化学产品技术重点实验室,广东广州,510640)

摘 要:以麦草碱木素为原料,通过磺化共聚的方法合成一种水煤浆分散剂(MSL)。研究发现,该分散剂的分子质量和磺酸基含量是影响其对水煤浆分散降黏能力的主要因素。在MSL 不同分子质量分布的级分中,较高分子质量的级分对水煤浆具有较好的分散降黏能力,然而分子质量过高不利于对水煤浆的降黏作用。MSL 对水煤浆的分散降黏能力远优于木素磺酸钠,与萘系水煤浆分散剂相当,对水煤浆的稳定性优于萘系分散剂。

关键词:麦草碱木素;磺化共聚;分散剂;水煤浆

中图分类号:TQ423;TQ536 文献标识码:A 文章编号:0254-508X(2007)02-0031-04

麦草碱木素是一种具有复杂分子结构的芳香族高分子化合物,它含有酚羟基、醇羟基、羧基和甲氧基等多

种官能团[1],具有较高的反

应活性。本研究以麦草碱木素为原料,引入活性中间体对碱木素进行高效磺化,然后进行共聚反应,制备良好水溶性和较高分子质量的高效水煤浆分散剂。另外探讨了改性碱木素的分子质量和磺酸基含量对其分散降黏能力的影响。1 实 验111 原料

碱木素为麦草浆碱法制浆黑液经酸析提纯得到的产品,山东某造纸厂提供;木素磺酸钠(SL),为酸法制浆废液经提纯后得到的产品,吉林石岘造纸厂提供;萘磺酸盐甲醛缩合物(简称FDN),广东湛江外加剂厂生产;NaOH 、无水亚硫酸钠为分析纯;甲醛为工业甲醛(>37%)。煤样采用兖州煤、大同煤、神华煤和盘江煤4种不同变质程度的煤种。煤质分析(广东发电用煤质量监督检验中心检测)见表1。

表1 煤质分析

煤样元素组成/%

工业分析/%X (C)X (H)X (O)X (N)X (S)X (M)X (A)X (V)大同711353178

9132

0192016231791012227177盘江8210041691196116001161101815830198兖州71125411581711139015821651112732171神华

72130

3186

11189

0194

0122

5152

5127

30168

注 M )分析水分,A )灰分,V )挥发分。

实验选用的分散剂有3种:按照112方法合成的麦草碱木素高效水煤浆分散剂(MSL),另外作为对比的分散剂为SL 和FDN 。112 实验步骤

将一定质量浓度的碱木素溶液的pH 值调至10~11,边搅拌边升温到90e ,加入一定量的甲醛溶液进行羟甲基化反应后加入一定量的含羰基官能团的活性单体对碱木素进行活化反应,然后加入一定量的磺化剂进行磺化反应;最后加入缩合剂进行缩聚反应一定时间。冷却至常温出料,再经干燥可得粉状产品。113 分析方法11311 红外光谱分析

采用德国Bruker 公司Vector 33傅里叶变换红外谱仪,样品处理采用溴化钾压片法。11312 特性黏度

采用乌式黏度计在(25?011)e 下,测定不同质量浓度MSL 水溶液的流出时间,利用哈根-泊肃叶公式以外推法计算特性黏度[2]。11313 凝胶色谱测试[3]

采用美国Waters 1515Isocratic HPLP pump/Waters 2487Dual K Absorbance Detector 凝胶色谱仪,以pH 值为8、浓度为0110mol/L 的NaNO 3溶液作为流动相,以聚苯乙烯标样为基准分子质量,分别测定样品的平均分子质量及多分散性。

11314 磺酸基含量测定

将测试样先通过阴离子交换树脂除去低分子有机

图2 MSL 的磺酸基含量对水煤浆表观黏度的影响

图1 MSL 的特性黏度对水煤浆

表观黏度的影响

酸、无机盐等阴离子,再通过阳离子交换树脂,将测试样磺酸基转变为酸型。然后采用瑞士Metrohm 公司809Titrando 自动电位滴定仪测定样品的磺酸基含量。11315 MSL 的超滤分级

采用无锡赛普膜科技有限公司生产的超滤设备对MSL 进行超滤分级得到不同分子质量分布的级分[4]。超滤压力为2~4MPa 。

11316 水煤浆制备与性能测定

将磨好的2种不同粒度级别的煤样按照1B 1的比例混合,用不同的分散剂制浆。分散剂添加量为其占干基煤样量的质量分数,搅拌速率为1200r/min,搅拌时间为10min 。为了考察分散剂自身的性能,所有水煤浆均不加稳定剂。

水煤浆的表观黏度由德国Haake RV -Ñ流变仪测定(Z41转子,剪切速率100s -1),测定温度25e 。煤浆浓度采用梅特勒-托利多HB43型水分测定仪测定(135e ,B 模式)。

用插棒法测定浆体稳定性[5]

:将被测水煤浆试样密闭静置24h 后,插棒观测。水煤浆稳定性的判定分为4个等级,A 级水煤浆的稳定性最好,浆体均匀分布,无析水,无沉淀;B 级水煤浆的稳定性较好,无沉淀或少量软沉淀,有少许析水和轻微的密度分布不均匀现象;C 级水煤浆的稳定性较差,有析水,浆体密度分布不均,沉淀严重,但可被玻璃棒搅拌再生成均匀的浆体;D 级水煤浆的稳定性最差,浆体密度明显分布不均,析水多,沉淀坚硬,不可再生。2 结果与讨论

211 分子质量大小对分散降黏能力的影响

水煤浆分散剂的分子质量大小对其分散降黏性能有较大影响。实验通过控制工艺参数得到不同特性黏度的MSL,用作分散剂制备水煤浆,其添加量为110%,水煤浆质量分数控制在6415%,采用大同煤

作为实验煤种,结果如图1所示。

从图1可看出,MSL 的重均相对分子质量随其特性黏度的增加而呈线性增加,说明用MSL 的特性黏度表征其分子质量的大小是可行的。随着MSL 分子质量的增加,水煤浆的表观黏度先降低后增加,当MSL 的特性黏度约为610mL/g,重均相对分子质量约为8754时,水煤浆黏度达到最低,约为1050mPa #s 。从上述结果看出,MSL 的分子质量对MSL 的分散降黏性能影响很大,太低或太高都会降低其对水煤浆的分散降黏能力,只有适宜分子质量(重均相对分子质量8000~9000)的MSL 才具有较好的分散降黏能力。212 磺酸基含量对MSL 分散降黏能力的影响

从图2可看出,随着MSL 的磺酸基含量的增加,水煤浆的表观黏度持续降低,在磺酸基含量为1181mmol/g 时,表观黏度达到最低约1075mPa #s 。因此,通过增加MSL 的磺酸基含量,能够提高其对水煤浆的分散降黏能力。

213 碱木素与MSL 的红外光谱表征

图3所示为碱木素和MSL 的红外光谱图。从图3可看出,MSL 在1608cm -1和1514cm -1(芳香环骨架振动)、1462c m -1

(甲基C )H 变形)、1267cm -1

(愈疮木酚加C O 拉伸)处的吸收[6]较碱木素少。此外,与碱木素不同的是,MSL 在1647cm -1(羰基)处有较强的吸收,在1188cm -1和1043cm -1(磺酸基)处也有较强的吸收。这说明MSL 分子中具有较多的羰基和磺酸基,分子结构与碱木素差别较大。

214 MSL 的分子质量分布对其分散降黏能力的影响通过凝胶色谱测定MSL 的分子质量分布(如图4),MSL 的相对分子质量分布在100~100000之间,其中相对分子质量高于1000的占绝大部分,约84%,相对分子质量低于1000的约占16%,大约7715%的分子的相对分子质量在1000~27000之间。把MSL 经过超滤分级得到不同分子质量分布的5种级分,分别

为

FRACTI ON1、FRAC TION2、FRAC TION3、FRAC TION4和FRAC TION5(见表2)。从表2看出随着超滤膜截留分子质量的增加,各个级分的M w 和M n 均增加,多分散性变小。

用MSL 及各级分作为分散剂制备水煤浆(大同煤),水煤

浆质量分数控制在6415%,发现级分FRAC TION1由于分子质量太小、杂质较多,基本没有