HRP引发淀粉接枝共聚物水煤浆分散剂的合成及其性能研究

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近年来,全球日益严重的能源问题和环境问题使水煤浆(CWS)这种清洁燃料备受关注,尤其在我国这样一个富煤少油的国家尤为重要。分散剂在制备高质量的水煤浆时必不可少。当前对水煤浆分散剂的要求,不仅要达到高性能,同时又要符合绿色环保的理念。淀粉是一种可再生的天然产物,廉价易得,易降解。辣根过氧化物酶(HRP)是一种具有特殊催化性能的生物酶,可引发淀粉与功能单体的接枝共聚。使用这两种天然产物来制备水煤浆分散剂正符合当下的发展需求。本文以淀粉(St)为主要原料,以对羟基苯磺酸钠(HBS)、丙烯酰胺(AM)及丙烯酸钠(NaAA)为单体,在辣根过氧化物酶(HRP)/双氧水(H2O2)/乙酰丙酮(ACAC)的催化作用下,合成了两种淀粉接枝共聚物水煤浆分散剂SHA和SHN。使用红外(FTIR)和核磁(1H NMR)对分散剂结构进行了表征,并测定了分散剂的固含量、单体转化率、接枝率和接枝效率以及分子量,使用热重分析仪(TG)和差示扫描量热仪(DSC)对分散剂的热性能进行了测定。首先,将两种分散剂应用于彬长煤,以水煤浆表观粘度作为衡量标准对分散剂的合成工艺进行了优化。最佳的合成条件为,淀粉的使用量为25%,两种功能单体HBS:AM(NaAA)为3:1。研究表明,SHA(St-HBS-AM)使用性能优于SHN(St-HBS-Na AA),所制浆体的粘度,稳定性以及最大成浆浓度均优于SHN。其次,使用CH3COONH4,CH3COOH,NaOH三种介质溶液对彬长煤中的可溶金属离子进行溶出,使用应用性能较好的SHA分散剂制浆。与原煤相比,使用不同溶液对彬长煤中可溶金属离子处理后,煤的成浆性得到明显的改善,作用效果依次为CH3COONH4>NaOH>CH3COOH。通过改变处理液的浓度,温度以及最终的pH值,考察了不同条件对彬长煤表观粘度,最大成浆浓度,稳定性,Zeta电位,吸附量以及吸附膜厚度等的影响。最终的结果表明,当处理液温度为40℃,溶液浓度为1 mol·L-1,pH为7时,各种溶液处理后所得煤样的成浆性达到最佳。可溶金属离子的含量降低后,Zeta电位降低,分散剂的吸附量增大,水化膜厚度增加,而这三个指数的改变均有利于成浆性的提高。最后,将SHA分散剂应用于新疆煤,并与萘磺酸盐系分散剂(NSF)进行了对比,发现了两种分散剂在单独使用时,SHA分散剂所制水煤浆的定浓粘度(67%)为667 mPa·s,析水率为3.6%,最大成浆浓度为68%;NSF的定浓粘度(67%)为365 mPa·s,析水率为6.93%,最大成浆浓度为70%;SHA分散剂的定浓粘度高于NSF,最大成浆浓度比NSF小,稳定性却优于NSF。因此,将这两种分散剂复配后应用于新疆煤,考察了分散剂的复配比例以及分散剂的添加量对表观粘度、稳定性以及最大成浆浓度的影响,得出分散剂的复配比例NSF:SHA为1:2,总的添加量为0.5%时,新疆煤的成浆性能达到最佳,稳定性基本达到单独使用SHA,最大成浆浓度与单独使用NSF时相同,为70%。同时,分别用CH3COONH4和NaOH对新疆煤中的可溶金属离子进行处理,结果表明,这两种方式也可以改善新疆煤的成浆性问题,但对于新疆煤而言,复配更有利于成浆性的提高。通过测试SHA、NSF、复配分散剂在煤粒表面的吸附膜厚度,以及两种溶液处理方式对煤粒表面吸附膜厚度、浆体流变性以及稳定性的影响,对其作用机理进行了初步的解释。
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