改性木质素类水煤浆分散剂的合成与应用

论文摘要

水煤浆是20世纪70年代石油危机中迅速发展起来的一种新型煤基洁净燃料。水煤浆技术在中国能源发展计划中具有十分重要的战略意义。水煤浆分散剂是制备高浓度、高稳定性水煤浆的关键。目前工业常用的水煤浆分散剂有萘磺酸盐甲醛缩合物、聚烯烃磺酸盐、聚羧酸盐、木质素磺酸盐等。木质素系水煤浆分散剂主要是造纸废液再加工产品,具有原料丰富、成浆稳定性较好,析水较少的优点,但木质素类分散剂制浆具有粘度大、流动性差等缺点,对木质素进行改性,提高其分散降粘性能,已成为目前水煤浆添加剂研究重点。本论文首先对10种内蒙古煤质进行了工业分析和元素分析,并研究了粒度分布对水煤浆成浆性能的影响,得到了最适宜内蒙古煤种的制浆粒度分布。其次,对木质素磺酸盐的改性方法进行了系统地研究,包括磺化改性、磺化缩合改性、磺甲基化缩合改性、接枝改性以及复配改性,本论文还对木质素磺酸盐与萘磺酸盐的共缩聚改性进行了初步探索。通过向木质素磺酸盐分子中进一步引入磺酸基,提高其分散性能。合成了分散性较好且制浆成浆性稳定的改性木质素磺酸盐分散剂。考察了磺化时间、磺化试剂的种类及其用量对改性木质素磺酸盐分散剂性能的影响。利用正交实验考察并优化了木质素磺酸盐磺化缩合改性的反应条件,并通过红外光谱对合成的改性木质素分散剂的结构进行了表征。结果显示,磺化试剂和缩合试剂的用量、反应体系pH值对产物性能的影响至关重要。优化的磺化缩合改性反应条件为:亚硫酸钠的加入量为木质素磺酸盐质量的50%,磺化反应的pH值为11.5,甲醛的加入量为木质素磺酸盐质量的50%,缩合反应pH值为10,缩合催化剂的适宜用量为3%。对木质素磺酸盐进行了磺甲基化缩合改性,提高其分散和稳定性能。实验得到了最佳合成反应条件:缩合反应温度为70℃,磺甲基化pH值为10.5左右,缩合反应pH值为10.5。通过加入脱水缩合催化剂,进一步提高了改性木质素磺酸盐的制浆分散性和稳定性。在对木质素磺酸盐进行氧化-接枝共聚-缩合改性研究中,优化了反应条件,并利用红外光谱对改性产物的结构进行了表征。得到了最佳合成反应条件,即:过氧化氢用量为木质素磺酸盐质量的10%,氧化反应1h,丙烯酸的用量为木质素磺酸盐质量的50%,接枝反应时间2h,甲醛的用量为木质素磺酸盐质量的40%。木质素磺酸盐和萘磺酸盐甲醛缩合物的复配,由于不同分散剂复配后的优势互补,制得性能良好的水煤浆。最后,将制备的改性木质素类水煤浆分散剂应用于内蒙古不同煤质的制浆实验,考察了改性木质素类水煤浆分散剂的适宜用量以及其对不同煤种的适应性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 前言
• §1-2 水煤浆添加剂的作用机理
• 1-2-1 分散剂的作用机理
• 1-2-2 稳定剂的作用机理
• §1-3 水煤浆添加剂的类型
• 1-3-1 水煤浆稳定剂
• 1-3-2 水煤浆分散剂
• §1-4 木质素
• 1-4-1 木质素的结构
• 1-4-2 木质素的性质
• §1-5 木质素磺酸盐的研究概述
• 1-5-1 木质素磺酸盐的结构
• 1-5-2 木质素磺酸盐的制取
• 1-5-3 木质素磺酸盐的表面物理化学性能
• 1-5-4 木质素磺酸盐的应用
• 1-5-5 改性木质素磺酸盐减水剂的研究进展
• 1-5-6 木质素磺酸盐改性研究概述
• §1-6 本论文研究内容
• 第二章 实验原料和仪器
• §2-1 化学原料与试剂
• §2-2 实验仪器及设备
• §2-3 实验方法
• 2-3-1 磺化改性分散剂的制备
• 2-3-2 磺化缩合改性分散剂的制备
• 2-3-3 磺甲基化缩合改性分散剂的制备
• 2-3-4 接枝改性分散剂的制备
• 2-3-5 木质素磺酸盐和萘磺酸盐共缩聚
• 2-3-6 水煤浆的制备与性能评价
• 第三章 煤质和粒度分布对水煤浆性能的影响
• §3-1 煤质对水煤浆性能的影响
• §3-2 粒度分布对水煤浆性能的影响
• 3-2-1 最大粒径的影响
• 3-2-2 模型参数n的影响
• §3-3 小结
• 第四章 改性木质素类水煤浆分散剂的合成
• §4-1 磺化改性
• 4-1-1 磺化时间的影响
• 4-1-2 磺化试剂的影响
• 4-1-3 磺化试剂用量的影响
• 4-1-4 小结
• §4-2 木质素磺酸盐磺化缩合改性
• 4-2-1 反应条件优化
• 4-2-2 产品结构表征
• 4-2-3 磺化剂用量的进一步优化
• 4-2-4 优化实验
• 4-2-5 催化剂对产物性能的影响
• 4-2-6 小结
• §4-3 木质素磺酸盐磺甲基化缩合改性
• 4-3-1 缩合温度对改性产物性能的影响
• 4-3-2 磺甲基化pH值对产物性能的影响
• 4-3-3 缩合pH值对产物性能的影响
• 4-3-4 催化剂对改性产物性能的影响
• 4-3-5 小结
• §4-4 木质素磺酸盐接枝改性
• 4-4-1 丙烯酸接枝共聚改性
• 4-4-2 改性反应条件优化
• 4-4-3 接枝反应时间的影响
• 4-4-4 甲醛的用量对产物性能的影响
• 4-4-5 小结
• §4-5 复配改性
• 4-5-1 木质素磺酸盐与萘磺酸盐甲醛缩合物复配改性
• 4-5-2 复配分散剂用量的影响
• 4-5-3 小结
• §4-6 木质素磺酸盐与萘磺酸盐共缩聚改性尝试
• 4-6-1 实验与结果讨论
• 4-6-2 小结
• 第五章 改性木质素类水煤浆分散剂的应用
• §5-1 磺化改性分散剂的应用
• §5-2 磺化缩合改性分散剂的应用
• §5-3 磺甲基化缩合改性分散剂的应用
• §5-4 接枝共聚改性分散剂的应用
• §5-5 复配改性分散剂的应用
• §5-6 小结
• 第六章 结 论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果