分散剂在水煤浆中的作用

分散剂在水煤浆中的作用

水煤浆是粗颗粒悬浮体，煤炭属于疏水性物质，要使浆体具有良好的流变性和稳定性，即使是易成浆的煤种，同时配以高堆积率的粒度分布，若不加入化学添加剂(表面活性剂)，要制成所希望的水煤浆是不可能的。在水煤浆制备中化学添加剂的主要作用在于改变煤粒的表面性质，使煤颗粒能够在水中分散，使煤浆体有良好的流动性和稳定性。根据作用不同，化学添加剂可分为分散剂、稳定剂和助剂三类。本文对水煤浆分散剂的种类、作用机理及其影响分散剂作用的因素进行讨论。

1 水煤浆用分散剂

分散剂的主要作用是使水煤浆具有良好的流变特性，也就是说适当降低水煤浆的粘度，使之具有良好的流动性；其次是使水煤浆具有理想的流型，最好是水煤浆能成为触变性液体。常用的分散剂主要有阴离子型和非离子型表面活性剂。

1.1 阴离子表面活性剂

除聚氧乙烯醚类改性阴离子表面活性剂外，聚合阴离子分散剂一般都不起泡，制浆时不需要另加消泡剂。

1.1.1 萘磺酸盐类

其中最典型的是萘磺酸钠甲醛缩合物，其适用范围广，能与各类分散剂混合使用。此分散剂制浆添加量视煤种的不同而不同，大约为干煤质量的0.5％～1.5％，特点是减粘作用及流型好，但通常稳定性差，常需和其他分散剂复配。

1.1.2 木质素磺酸盐

木质素磺酸盐作为分散剂的优点是原料丰富，易于加工，价格便宜，而且浆的稳定性好，一般用量为干煤质量的1％～2％；缺点是杂质含量大，因此，除易制浆煤种外，通常不单独应用。

木质素磺酸盐还可以经甲醛缩合制成木质素磺酸盐甲醛缩合物，用作水煤浆

+、Mg2+、Ca2+等。

分散剂，其平衡离子可以是Na+、NH

4

1.1.3 磺化腐植酸盐

将泥炭、褐煤或风化煤等在150℃下用碱抽提，再经磺化，必要时还可以用甲醛缩合，即可得棕黑色的固体产物磺化腐植酸盐类分散剂。此类分散剂的许多特点和木质素相似，但其分散性能更佳，可单独使用，添加量为干煤质量的1％～1.5％，缺点是浆的稳定性较差。

1.1.4 聚烯烃磺酸盐

聚烯烃磺酸盐是以苯乙烯磺酸、α—甲基苯乙烯磺酸或苯乙烯、丁二烯、乙烯等为原料共聚而成，或是以各种烯烃(如苯乙烯、乙烯基甲苯、丙烯、丁二烯)为单体聚合，再经磺化而成。聚合时以水或有机溶剂为介质，在100℃左右的条件下，以偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰等为引发剂进行反应。产物相对分子质量1万～2万，用量为干煤质量的0.5％左右。聚苯乙烯磺酸盐(PSS)比萘磺酸盐甲醛缩合物性质更优越，对低灰水煤浆同时具有良好的减粘及稳定作用，前者随分子量增加而减弱，后者则相反。因此，通过控制分子量可以同时兼顾水煤浆的流变性和稳定性，甚至可以不用稳定剂。

1.1.5 聚羧酸盐类

聚羧酸盐类主要包括聚丙烯酸钠、马来酸均聚物、丙烯酸／苯乙烯共聚物钠盐、丙烯酸／丙烯酰胺共聚物钠盐、马来酸／丙烯酸共聚物、多环多元酸类、羟基苯甲酸聚合物钠盐及各种烯烃与丙烯酸或马来酸共聚物等。

1.2 非离子型表面活性剂

非离子型表面活性剂作为分散剂的主要优点是可以通过改变环氧乙烷量，来实现亲水亲油性和分子量的调节、控制，不受水质及煤中可溶性物质影响，但价格昂贵，用量一般为干煤质量的0.5％以上。在多数情况下一般不需要再加稳定剂，但需要配用消泡剂。

1.2.1 聚氧乙烯醚类

这类分散剂是由含活泼氢的憎水原料与环氧乙烷经加成反应而得到。活泼氢

指羟基(—OH)、羧基(—COOH)、氨基(—NH

2)和酰胺基(—CONH

2

)等基团中的氢原

子。当含上述基团的憎水结构和煤大分子结构相似时分散性能最好。其特点可通过控制环氧乙烷加和数n调节分散剂分子量及HLB值，通常情况下n值应大于40才有良好的效果。

1.2.2 聚氧乙烯／聚氧丙烯嵌段聚醚

这类分散剂常称为聚醚类。以多元醇、多元胺或多元醇脂肪酸酯等为起始剂，适宜作为高浓度水煤浆分散剂，其成浆性、稳定性均很好，一般以每单位活性氢相对分子质量为3000～6 000为宜。

1.3 复配分散剂

几种分散剂复配使用，可以提高水煤浆浓度，降低煤浆粘度，同时还可降低总添加剂用量，达到价廉、高效的目的。

研究表明，阴离子一非离子表面活性剂复配作为高效水煤浆分散剂比较理想，单独以萘磺酸甲醛缩合阴离子分散剂对精煤制浆，煤浆浓度最高能达到68.1％，分散剂用量0.8％；改用阴离子一非离子二元表面活性剂作分散剂，则煤浆最高浓度可达70％，总分散剂用量只需0.4％。对其他煤制浆的结果与之相似，单用阴离子分散剂，用量达0.9％时，水煤浆浓度最高达68.7％；若采用复配分散剂，总添加剂量为0.5％时，即可制得69.0％以上的水煤浆。

十二醇聚氧乙烯醚(10)硫酸酯盐与壬基酚聚氧丙烯／聚氧乙烯醚(相对分子质量为3 300)按3∶1复配，总用量为原煤的0.5％时，可制得67.5％、稳定性大于十天的水煤浆。烷基酚聚氧乙烯醚硫酸酯盐与萘磺酸盐阴离子分散剂复配使用，配比以3∶8～7∶3效果最佳，当总用量为0.01％～5％时，煤浆浓度为50％～80％。十二胺聚氧乙烯醚(相对分子质量800)与其他分散剂复配时，制浆浓度可超过70％，粘度为2 800 mPa·s，稳定时间达两个月以上。

以二乙烯三胺为起始剂的EO／PO(环氧丙烷)共聚物，相对分子质量为3 400时，与萘磺酸盐甲醛缩合物以1∶1复配，总用量为0.02％～4％，制浆浓度达70％时，煤浆粘度为1600mPa·s，稳定时间超过两个月；若只用萘磺酸盐甲醛缩合物，煤浆粘度超过2 200mPa·s；如果多胺类聚醚经硫酸化或磷酸化改性后，再与萘磺酸甲醛缩合物复配，用量为原煤的1％时，煤浆浓度可达70％，粘度990 mPa·s，稳定时间大于四周。

2 分散剂的作用机理

根据煤的表面性质、分散剂的结构特点及其物性和水煤浆性能指标关系的研究，认为其作用机理主要有以下三个方面：

2.1 提高煤表面的亲水性

煤的表面是疏水的，分散剂分子通过其疏水基和煤表面结合后，此时亲水基朝向水，这种定向排列方式把水分子吸附在煤粒的表面，变疏水性为亲水性并形成一层水化膜，借水化膜将煤粒隔开，从而减少煤粒间阻力，达到降低粘度的作用。分散剂应有很好的水溶性，但并不是对煤的润湿性越好，降粘作用就越佳。

2.2 增强颗粒间的静电斥力

根据DLVO理论，颗粒稳定分散的先决条件是粒子间的静电斥力超过粒子间的范氏引力。离子型分散剂不仅能改善煤表面的亲水性，还具有增强煤粒间静电斥力的作用，进一步促进煤粒分散于水介质中，静电斥力对煤粒分散悬浮起稳定

作用，然而分散剂的作用并不只是改变煤粒的表面电性。研究表明，提高ζ电位值有利于改善水煤浆的流动性，但起不了决定性作用。

2.3 空间位阻效应

离子型分散剂在产生较强的空间位阻效应的同时，还可提高煤粒表面的电性，使周围可聚集更多的离子，这些离子和水分子结合也形成水化膜，水化膜中的水与体系中的“自由水”不同，它因受到表面电场吸引而呈定向排列。当颗粒相互靠近时，水化膜受到挤压而产生变形，引力则力图恢复原来的定向，这样就使水化膜表现出有一定的弹性，所以水化膜也可称之为一种空间位阻。

分散剂在煤粒表面形成的吸附膜的厚度可以反映颗粒间空间障碍大小的程度。对两种阴离子(萘磺酸盐甲醛缩合物和聚羧酸盐)和非离子(聚醚类)分散剂的物化性能指标与自由制浆效果间的关系进行研究，发现非离子型的润湿效果及提高电位的效果虽然远不及离子型，但它的吸附效果大大地超过阴离子型，对于离子型分散剂，双电层效应和吸附空间位阻效应同时存在，共同作用实现浆体流变稳定性；而非离子分散剂，其主要作用是在煤表面所形成的分散剂吸附膜的空间位阻效应。

3 影响分散剂作用的因素

3.1 分散剂结构对煤成浆性影响

分散剂分子特征包括主结构特征、取代基的类型及性质、聚合度、磺化度、HLB值及羟值等，与煤质及煤表面物化性质间有着密切的相关性。

3.1.1 主体结构

同一类分散剂对不同煤种在不同的条件下制浆，其成浆性能有很大区别，一般说来，变质程度高的煤种成浆性好，煤燃料比越大，成浆性越好；变质程度低的煤，对分散剂聚合度有很高的选择性。为了提高其成浆性，要选用适宜的表面活性剂对煤表面进行改性，以使其表面亲水性减弱，或将其经低温改质处理。

3.1.2 取代基

在分散剂基本结构中，引入不同的取代基对煤的成浆性影响也不同，主体结构中多核芳烃单体上不同的取代基导致不同的成浆性。对不同变质程度的煤，使用单体结构中无任何取代基的分散剂时，其浆体煤浓度普遍相对较低，而分散剂单体结构中甲基取代基的存在则进一步降低了浆体的定粘浓度。构成分散剂的多核芳烃单体中苄基取代基的导入，使煤具有最高的定粘浓度，这说明分散剂中芳环的引入有利于提高煤的成浆性能。

3.1.3 聚合度和磺化度

同一种煤，分散剂的聚合度和磺化度不同对煤的成浆性能影响不同，聚合度对煤的成浆性能影响有一最佳范围。聚合度较低或较高时，其成浆性能都较低。而在一定范围内，煤的成浆性能则随磺化度的增加而增加。

3.2 分散剂种类对水煤浆性能的影响

煤化程度不同及产地不同的煤，其表面结构及性质差异很大，从而导致煤的成浆性不同。萘磺酸盐甲醛缩合物类表面活性剂(NSF)，在一定范围内都使变质程度高的水煤浆的定粘(1500 mPa·s／2800s－1)浓度达到70％以上，流变性也较理想；但对变质程度低的煤，则定粘浓度就要差很多。实验表明，用萘磺酸盐甲醛缩合物作分散剂对大同煤制浆，煤浓度最高只能达到65％；而每单位活泼氢相对分子质量为3 000～6 000或更高的多支链高分子量的聚醚类非离子表面活性剂，却能使大同煤的浓度和稳定性提高，可制出浓度为69％，甚至70％的水煤浆，稳定性达28天以上。

煤质和分散剂的匹配十分重要，每一种分散剂都有各自适宜的煤种。对于易成浆煤或即烧用的煤浆，一般选用较便宜的木质素磺酸盐、萘磺酸盐甲醛缩合物等分散剂即可制得工业实用水煤浆；对于难成浆或要求高、贮存时间长、需要长途运输的水煤浆，只选用一种分散剂往往是不够的，需用阴离子分散剂／聚醚类非离子分散剂或在一般聚磺酸盐基本结构中引入另一单体或取代基的分散剂。实验表明，复配分散是提高煤浓度及稳定性、降低粘度和制浆成本的有效途径。但所选单体分散剂的种类搭配、配比及用量要合适，而且要与煤匹配。

3.3 分散剂对水煤浆流变性及稳定性的影响

分散剂对水煤浆流变特性的影响不仅与分散剂本身有关，而且还取决于煤质特性。①分散剂单体结构为多核芳烃的聚合物，当其多核芳烃单体上取代基为甲基或苄基时，对大多数的流变性影响不大，但对一些变质程度较高的煤，分散剂单体中甲基取代基似乎更有利于浆体呈屈服假塑性流体；另外，在多核芳烃基本结构中引入非多核芳烃能大幅度改善煤浆流动性，使各种变质程度的煤的浆体呈现良好的流变特性，多为屈服假塑性流体。②对大多数变质程度低的煤，非离子型分散剂比阴离子型分散剂更有利于浆体呈屈服假塑性流体。③分散剂的强分散性往往是导致浆体呈现不同程度屈服假塑性行为的重要因素。④在一定的范围内，分散剂聚合度和磺化度的增加有利于改变浆体的流变性，但当添加剂的聚合度太大时就会增加浆体的表观粘度，对改善浆体流动性不利。

3.4 分散剂的研究方向及展望

经过几十年的研究，已有相当多的水煤浆分散剂用于实际生产。但由于煤结构和组成的复杂性，不同变质程度的煤及同一种煤不同的产地，其结构和组成千差万别，从而导致分散剂的普适性较差。此外，由于水煤浆分散剂的用量较大，且价格与煤相比要高出许多。长期以来，水煤浆分散剂的研究主要内容是提高分散剂的性能、降低分散剂的用量与降低制浆成本。从分散剂的性能来看，非离子型分散剂比阴离子型分散剂具有更好的分散性能，同时具有一定的稳定作用，在制浆时一般不需要另加稳定剂，且用量较阴离子分散剂小。

目前，水煤浆分散剂研究的主要内容之一就是要尽可能降低分散剂的成本和用量，而开发新型非离子型水煤浆分散剂是分散剂研究的主流方向之一。特别是非离子分散剂与阴离子分散剂的复配，不仅具有更为良好的制浆效果，同时分散剂总用量要比单独使用相应分散剂时少得多。因此，研究开发新的水煤浆分散剂，特别是非离子型水煤浆分散剂，并对其与其他分散剂复配性能和规律的研究对水煤浆的进一步开发和应用都具有十分重要的意义。

4 结束语

综上所述，就浆体的稳定性而言，非离子型分散剂形成浆体的稳定性明显好于阴离子型分散剂。相同条件下非离子型分散剂形成浆体的稳定性明显好于萘磺酸盐甲醛缩合物，前者即使形成沉淀，也是可再生的软沉淀；后者往往成浆的流动性很好，但若形成沉淀，则为不可再生的硬沉淀。据报道在这类基本结构为多核芳烃的分散剂单体结构中导入非多核芳烃类第二单体将有利于提高浆体稳定化作用。此外，对同一分散剂，煤中灰分含量高有利于浆体的稳定，有时甚至不需另加稳定剂。