基于天然产物的高浓水煤浆分散剂的合成及其作用机理的研究

本项目旨在根据高分子设计与合成原理，结合课题组在聚羧酸盐合成中引入阳离子聚合单体和聚氧乙烯醚类和酯类大单体后得到了理想的高浓度水煤浆基础上，探索以天然产物（木质素、腐殖酸、淀粉、松香、皂苷素等）为原料基础，合成一系列梳型高分子、超支化高分子，并将这两类高分子应用于高浓度水煤浆的制备中；在结合分散剂在各种煤粒表面的动态润湿角、Zeta测定，分散剂分子的亲水亲油值计算与测定等方法，利用HLB、亲水链段的浊点、溶解度参数等量化数据与其分散稳定性能间建立构效关系，进一完善水煤浆分散剂的作用机理，归纳出不同变质程度煤种的水煤浆分散剂分子设计参考，丰富水煤浆分散剂的种类，并从这些新型结构的高分子分散剂精细结构与煤颗粒表面吸附量、水化膜、分子链取向等方面揭示其分散剂与煤颗粒的作用机理。该研究还可对混凝土外加剂、颜料分散剂等超强分散剂的合成及其应用具有重要的理论意义与工业参考价值。

本项目针对煤炭清洁转化与利用中，低阶煤制备水煤浆存在浓度低、用量大、稳定性差等问题，开展进行新型聚羧酸盐分散剂、天然产物改性分散剂的系统研究。主要根据高分子设计与合成原理，在聚羧酸盐型水煤浆分散剂合成中引入阳离子聚合单体和聚氧乙烯醚类和酯类大单体，合成了一系列梳型聚醚型阴离子聚羧酸盐分散剂及两性离子聚羧酸盐分散剂共计13种，并用其作为分散剂制备得到了理想的高浓度水煤浆；以天然产物（腐殖酸、木质素、淀粉、松香）为基础原料，合成了三大系列基于天然产物的聚合物分散剂，即基于变性淀粉的接枝共聚物分散剂、萜类化合物松香超支化高分子分散剂、腐殖酸缩聚物及腐殖酸接枝共聚物水煤浆分散剂共计水煤浆分散剂12种。并将这些高分子分散剂应用于彬长煤、神府煤、霍林河煤的高浓度水煤浆的制备中，其制备的德士古气化用水煤浆最高制浆浓度可分别达到64%、63%和56%，比现有气化水煤浆浓度提高5%以上。在结合分散剂在各种煤粒表面的动态润湿角、Zeta电位、饱和吸附量、吸附膜厚度等参数与分散剂在水溶液中的聚醚链段长短伸展程度等量化数据与其分散流变性能、水煤浆浆体稳定性能间建立构效关系，提出了不同分散剂与煤炭颗粒之间的作用与降黏机理；还可从这些新型结构的高分子分散剂精细结构与煤颗粒表面吸附量、水化膜厚度等方面揭示了分散剂与煤颗粒的作用机理。运用XPS分析技术测定分散剂吸附膜厚度，发现其与水煤浆的稳定性呈正相关，提出利用光学颗粒料跟踪技术可快速表征水煤浆的稳定性具有很好的实际意义。该研究结果对低阶煤制备高浓度水煤浆具有重要的应用价值，其提出的分子设计思路和作用机理对新型水煤浆分散剂的研究开发具有重要的理论指导意义。