張光華, 李元博, 朱軍峰， 王　睿

(陜西科技大學(xué) 教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安　710021)

?

不同分子量磺化丙酮-甲醛縮聚物在煤上的吸附及水煤漿流變性能

張光華, 李元博, 朱軍峰， 王睿

(陜西科技大學(xué) 教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安710021)

摘要：以丙酮、 甲醛及亞硫酸鈉為原料，采用磺化縮聚法，通過(guò)控制縮合時(shí)間和溫度合成了一系列具有不同分子量的磺化丙酮-甲醛(SAF)水煤漿分散劑，并對(duì)其分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，證明了它是一個(gè)含有磺酸基和羥基親水基團(tuán)的脂肪族柔性鏈高分子.同時(shí)研究了它們對(duì)彬長(zhǎng)煤的吸附和水煤漿流變性能的影響，并與萘系進(jìn)行了對(duì)比.結(jié)果表明，相對(duì)分子量適中(Mw=38 541)的SAF-2對(duì)水煤漿的分散降黏性最好，其分散性和穩(wěn)定性均優(yōu)于萘系分散劑；通過(guò)吸附等溫線的測(cè)定，得出SAF在彬長(zhǎng)煤上呈Langmuir單分子層吸附，且SAF分子量越小，其吸附能力K越大，吸附量也越大；用Herschel-Bulkley模型對(duì)漿體流變曲線進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)不同分子量的SAF水煤漿體都呈現(xiàn)“剪切變稀”的流變特性，為假塑性流體，且分子量適中的SAF-2流動(dòng)指數(shù)最大，吸附量與水煤漿流動(dòng)性密切相關(guān).

關(guān)鍵詞：磺化丙酮-甲醛縮聚物; 相對(duì)分子質(zhì)量; 水煤漿; 流變; 吸附

0引言

水煤漿是在20世紀(jì)發(fā)生世界石油危機(jī)以后發(fā)展起來(lái)的一種清潔能源.它由60%～70%煤、40%～30%水和約1%化學(xué)添加劑等混合而成的固、液兩相粗分散體系.其中，水煤漿分散劑是制漿的關(guān)鍵組成部分.目前，工業(yè)應(yīng)用水煤漿分散劑主要有萘系縮合物、腐植酸系、木質(zhì)素磺酸鹽和聚羧酸系等.

研究發(fā)現(xiàn)分散劑的分子量對(duì)水煤漿的成漿性能影響很大.戴郁菁等[1]研究了不同相對(duì)分子質(zhì)量的NDF(亞甲基萘磺酸鈉-苯乙烯磺酸鈉-馬來(lái)酸鈉)對(duì)水煤漿的分散降黏作用，發(fā)現(xiàn)相對(duì)分子量太小的NDF的分散降黏作用很差.隨著分子量的增大，分散降黏作用逐漸變好，當(dāng)重均分子量為1～2萬(wàn)時(shí)，分散降黏作用最好.

周明松等[2,3]研究了木質(zhì)磺酸鹽作為水煤漿分散劑，當(dāng)其重均分子量在1～5萬(wàn)時(shí)分散穩(wěn)定性最好;潘相卿等[4]指出，用腐植酸的不同組分作為水煤漿添加劑制漿時(shí)，發(fā)現(xiàn)相對(duì)分子量較大的棕腐酸和黑腐酸分散性優(yōu)于分子量較小的黃腐酸.

磺化丙酮-甲醛縮聚物(SAF)具有原料廣泛、價(jià)格適中、毒性較低等特點(diǎn).目前，關(guān)于其在混凝土高效減水劑中的應(yīng)用報(bào)道較多[5-7].SAF作為水煤漿分散劑表現(xiàn)亦不錯(cuò)，但對(duì)其結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系尚不十分清楚，對(duì)不同分子量SAF在煤上的吸附與其水煤漿流變性能的關(guān)系亦未見(jiàn)報(bào)道.

本文以丙酮、甲醛和亞硫酸鈉為原料，制備了不同分子量的磺化丙酮-甲醛縮聚物水煤漿分散劑.測(cè)試了不同分子量SAF的成漿性，并與萘系作比較,測(cè)定了不同分子量的SAF在彬長(zhǎng)煤表面的等溫吸附及其水煤漿流變性，研究了SAF分子量對(duì)水煤漿流變性能的影響，討論了SAF在煤上的吸附與水煤漿流變行為的關(guān)系.

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要試劑和儀器

(1)試劑：分析純丙酮、亞硫酸鈉和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%的甲醛；煤樣為陜西彬長(zhǎng)煤；萘磺酸鹽(NSF)，純度≥97.6%，北京新世紀(jì)東方建筑材料有限公司.

(2)儀器：250 mL合成裝置1套；電子恒溫水浴鍋；XM-4型行星球磨機(jī)(配有研磨罐和研磨球)，廣東佛山科力陶瓷公司；NXS-4C型水煤漿黏度儀，成都儀器廠；BT-9300Z型激光粒度分布儀,丹東百特儀器有限公司； 752N型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì),上海精科公司；EQUI-NX55型紅外光譜儀、400 MHz DRX-400型核磁共振儀，德國(guó)Brucher公司；GPCmax+TDA305型Viscotek TDAmax科研級(jí)多檢測(cè)器凝膠色譜系統(tǒng)GPC，英國(guó)Malvern公司；R/S-SST Plus型流變儀，美國(guó)Brookfield公司.

1.2SAF的合成

將一定量的亞硫酸鹽和適量的水加入到裝有電動(dòng)攪拌器、溫度計(jì)、滴液漏斗和回流冷凝管等的三口瓶中；在40 ℃下滴加丙酮，隨著丙酮的加入，會(huì)有白色不溶物出現(xiàn)，直到滴加結(jié)束，在此溫度下反應(yīng)0.5～1.0 h；然后升溫至80 ℃，在此過(guò)程中從滴液漏斗加入一定量的甲醛溶液.隨著甲醛的滴加，白色不溶物逐漸溶解，溶液逐漸變?yōu)辄S色，最后變?yōu)樯罴t色.在甲醛的滴加過(guò)程中應(yīng)控制滴加速度，使體系溫度不超過(guò)60 ℃;加完甲醛后，在70 ℃～90 ℃繼續(xù)反應(yīng)1.5～4 h，即得固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30.0%左右的深紅色溶液，測(cè)定其固含量,直接用作水煤漿成漿性能評(píng)價(jià).

通過(guò)改變保溫溫度和時(shí)間，得到三種磺化度相似,但分子量不同的分散劑SAF-1、SAF-2和SAF-3等.

1.3煤樣的分析和制備

本實(shí)驗(yàn)選用煙煤——陜西彬長(zhǎng)煤，其煤質(zhì)分析見(jiàn)表1所示.

表1　彬長(zhǎng)煤煤質(zhì)分析

在表1中，wad/%為空氣干燥基煤樣中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wdaf/%為干燥無(wú)灰基煤樣中元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；M為空氣干燥基煤內(nèi)水的含量；A為空氣干燥基煤灰分的含量；V為空氣干燥基煤揮發(fā)分的含量.

將煤粉磨制成一定粒徑分布的粒子，使煤粉緊密堆積，可提高水煤漿的制漿濃度.本實(shí)驗(yàn)所用水煤漿采用多峰級(jí)配分布為20～40目、40～120目、120～200目、200～300目、300目以下，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8%、42%、7%、8%、35%.由以上數(shù)據(jù)可知，其符合制漿實(shí)驗(yàn)粒徑分布要求.其煤粒粒度的分布如圖1所示.

圖1　煤粒粒度的分布

1.4SAF的結(jié)構(gòu)表征及分子量的測(cè)定

(1)紅外光譜(IR)：樣品為固體粉末狀，采用溴化鉀壓片法測(cè)定.

(2)核磁氫譜(1H NMR)：將樣品配制成 0.4 mL 質(zhì)量濃度為10%的溶液，加入到內(nèi)徑為4 mm的樣品管中進(jìn)行NMR測(cè)試.其中,溶劑為 DO2.

(3)相對(duì)分子質(zhì)量：采用Viscotek TDAmax科研級(jí)多檢測(cè)器凝膠色譜系統(tǒng)GPC測(cè)定.流動(dòng)相為0.1 mol·L-1的NaNO3溶液，流動(dòng)速度為1 mL·min-1，進(jìn)樣量為80μL，配樣濃度為5 mg·L-1，測(cè)試溫度為35 ℃.

1.5水煤漿的制備及成漿性與穩(wěn)定性的測(cè)試

采用干法制漿，將球磨機(jī)磨好的多峰級(jí)配的煤樣按照上述比例混合.分散劑用量為絕干煤粉質(zhì)量的0.2%～1%，在轉(zhuǎn)速為600 r/min 的條件下，機(jī)械攪拌10 min，即得水煤漿.

采用NXS-4C型水煤漿黏度儀測(cè)定室溫下剪切速率為100 S-1的水煤漿表觀黏度，據(jù)此評(píng)定漿體分散性；漿體流動(dòng)性采用目測(cè)法.分為A(連續(xù)流動(dòng))、B(間斷流動(dòng))、C(不流動(dòng))等三個(gè)級(jí)別，采用析水率法測(cè)定其穩(wěn)定性[8].

1.6吸附等溫線的測(cè)定

用殘余質(zhì)量濃度法測(cè)量煤的表觀吸附量[9].準(zhǔn)確稱取2.00 g的煤樣于錐形瓶中，加入一定質(zhì)量濃度的分散劑溶液，用塞子封閉后于設(shè)定溫度下在恒溫?fù)u床上振蕩12 h，然后靜置一定時(shí)間使其達(dá)到吸附平衡.

取出少量懸浮液,用高速離心機(jī)離心分離出上層清液，稀釋分離出的上層清液使其符合紫外分光光度計(jì)的測(cè)量范圍，再測(cè)定其質(zhì)量濃度.同時(shí),作空白實(shí)驗(yàn)以校正由于煤樣浸泡過(guò)程中的溶出物對(duì)紫外吸收的干擾.

由分散劑原溶液與吸附平衡后溶液的質(zhì)量濃度差,根據(jù)式(1)計(jì)算出煤粉對(duì)分散劑的靜態(tài)吸附量，從而得吸附等溫線.

Г=[(c0-ct+cblank)×V]/m

(1)

式(1)中:Г為單位質(zhì)量煤粉吸附分散劑的質(zhì)量(mg·g-1)；c0為原分散劑溶液的質(zhì)量濃度(mg·L-1)；ct為吸附平衡后溶液的質(zhì)量濃度(mg·L-1)；cblank為空白樣紫外測(cè)出的質(zhì)量濃度(mg·L-1)；V為溶液總體積(mL)；m為煤樣質(zhì)量(g).

1.7水煤漿流變性能的測(cè)試

水煤漿流變性通過(guò)美國(guó)Brookfield公司生產(chǎn)的R/S-SST Plus型流變儀，V40-20轉(zhuǎn)子來(lái)測(cè)試.按照上述煤粒配級(jí)稱取100 g煤粉，采用干法制漿法，制備水煤漿.剪切速率：上行0～100 s-1，下行100～0 s-1，上行和下行運(yùn)行時(shí)間均為3 min，測(cè)試點(diǎn)均為36個(gè)，測(cè)試溫度保持在25 ℃.通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)擬合，以此來(lái)判斷水煤漿的流變性.

2結(jié)果與討論

2.1SAF的結(jié)構(gòu)表征

2.1.1SAF的紅外光譜分析

對(duì)SAF分散劑做傅立葉紅外光譜(FT-IR)測(cè)定，得到其紅外譜圖如圖2所示.磺化縮聚物的紅外光譜圖(圖2)表明，3 436 cm-1附近為羥基的伸縮振動(dòng)吸收峰；2 923 cm-1處為脂肪族分子鏈上C-H鍵的伸縮振動(dòng)峰；1 614 cm-1處為羰基的特征吸收峰；1 457 cm-1處為甲基的不對(duì)稱變形振動(dòng)吸收峰； 1 195 cm-1和1 041 cm-1附近有-SO3的特征吸收峰，說(shuō)明SAF為含有羥基、羰基和磺酸基等親水基團(tuán)的脂肪族高分子化合物.

圖2　SAF的傅立葉紅外光譜

2.1.2SAF的核磁共振光譜

SAF分散劑的核磁共振分析如圖3所示.由1H NMR譜圖(圖3)可知，化學(xué)位移δ=0.9～1.3之間為-CH3的H質(zhì)子的化學(xué)位移(標(biāo)記為f)；δ=1.6～1.8之間為與-C-OH相連-CH的質(zhì)子化學(xué)位移(標(biāo)記為e)；δ=3.4～3.6之間為CH2-O上質(zhì)子的化學(xué)位移(標(biāo)記為c)；δ=3.8處為醇羥基氫的化學(xué)位移(標(biāo)記為b)，由此可以說(shuō)明，分子中含有-CH2CH2C-OHCH2CH2-O-鏈段；δ=2.0～2.1處為與羰基相連CH2上質(zhì)子的化學(xué)位移(標(biāo)記為d)，這可說(shuō)明分子中含有-CH2CH2C=OCH2CH2-O-鏈段；圖中δ=4.8為重水溶劑峰.

綜合上述分析，1H NMR圖證明了SAF的結(jié)構(gòu)是一個(gè)柔性的脂肪族長(zhǎng)鏈，與上述所畫(huà)結(jié)構(gòu)相符.

圖3　SAF分散劑的核磁共振光譜

2.1.3SAF的分子量測(cè)試

采用GPC對(duì)不同反應(yīng)條件下的SAF進(jìn)行分子量的測(cè)定，其結(jié)果如表2所示.從表2數(shù)據(jù)可知，SAF縮聚物的多分散性系數(shù)相近，在1.89～2.34之間，但其重均分子量相差接近兩倍.

表2　不同分子量SAF的參數(shù)

注：Mn為數(shù)均分子量；Mw為重均分子量；Mw/Mn為分子量分布指數(shù).

2.2不同分子量SAF在煤/水界面的吸附等溫線

本實(shí)驗(yàn)在25 ℃下測(cè)定了不同分子量SAF和NSF分散劑，在彬長(zhǎng)煤表面的吸附量隨著分散劑平衡質(zhì)量濃度的關(guān)系，其吸附等溫線如圖4所示.從圖4可以看出，分散劑的吸附量隨平衡質(zhì)量濃度的增加而出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)，可以初步認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)質(zhì)量濃度范圍內(nèi),分散劑在煤表面是單層吸附.

采用Langmuir等溫吸附方程對(duì)圖4的吸附等溫線進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如表3所示.Langmuir吸附模型如下：

Г/Г∞=Kc/(1+Kc)

(2)

式(2)中:Г為吸附量(mg·g-1)；Г∞為平衡時(shí)的飽和吸附量(mg·g-1)；c為平衡質(zhì)量濃度(mg·L-1)；K為L(zhǎng)angmuir平衡常數(shù).

圖4　不同分子量SAF在彬長(zhǎng)煤上的吸附等溫線

分散劑KГ∞/(mg·g-1)R2SAF-10.865×10-23.550.9923SAF-20.731×10-22.870.9896SAF-30.548×10-21.820.9866NSF2.305×10-22.230.9975

由表3可見(jiàn)，分散劑在彬長(zhǎng)煤表面吸附等溫線的Langmuir方程擬合相關(guān)系數(shù)都大于0.98，擬合相關(guān)度較高.對(duì)比三種不同分子量SAF的飽和吸附量Г∞發(fā)現(xiàn)，SAF-1>SAF-2>SAF-3.即分子量越小，它在煤上的飽和吸附量越大.Langmuir平衡常數(shù)K表示分散劑在煤表面吸附能力的強(qiáng)弱，由表3可以看出，隨著分子量的增大，其平衡常數(shù)K遞減，NSF在彬長(zhǎng)煤表面的平衡常數(shù)K為2.305×10-2，遠(yuǎn)大于SAF(0.548×10-2～0.865×10-2)，這說(shuō)明隨著分子量的增大，SAF在煤粒表面吸附能力越弱.萘系分散劑NSF在彬長(zhǎng)煤表面的吸附能力強(qiáng)于SAF，但SAF-2在彬長(zhǎng)煤上的飽和吸附量大于NSF.

煤是一種包含微孔和大孔系統(tǒng)的雙重孔隙介質(zhì)，具有很大的比表面積[10].表3中分子量較小的SAF-1具有較大的吸附平衡常數(shù)K，這是因?yàn)榉肿恿吭叫?，分散劑越?yōu)先進(jìn)入煤的孔隙中，吸附驅(qū)動(dòng)力越大.隨著分子量的增大，它進(jìn)入煤粒孔隙的難度加大，導(dǎo)致分散劑進(jìn)入煤孔隙的量減少；此外，煤?jiǎn)挝幻娣e吸附分散劑的活性點(diǎn)是一定量的，過(guò)大的分子量易產(chǎn)生較大的空間位阻，在煤粒表面吸附量少，也就出現(xiàn)了分子量增大導(dǎo)致吸附平衡常數(shù)和飽和吸附量減小的現(xiàn)象.

2.3不同分子量SAF成漿性能的研究

采用三種不同分子量SAF和傳統(tǒng)萘系作為分散劑制備水煤漿.研究了三種不同分子量SAF對(duì)水煤漿的表觀黏度及漿體穩(wěn)定性的影響，并與傳統(tǒng)萘系分散劑進(jìn)行比較，其結(jié)果如表4所示.

表4　不同分子量SAF對(duì)水煤漿成漿性能的影響

從表4看出，不同分子量SAF對(duì)水煤漿黏度影響很大.分子量適中的SAF-2在0.4%和0.8%添加量時(shí)，其水煤漿成漿性優(yōu)于分子量較小的SAF-1和分子量較大的SAF-3，且漿體黏度較低，流動(dòng)性好;與傳統(tǒng)萘系相比，SAF-2的分散降黏性略優(yōu)于它；分子量較大的SAF-3對(duì)水煤漿的成漿性較差，黏度較大，流動(dòng)性差;從穩(wěn)定性上看，用SAF做分散劑的穩(wěn)定性整體優(yōu)于傳統(tǒng)萘系;此外，還可以看出，漿濃的增大使?jié){體黏度急劇增大，分散劑用量減少也會(huì)導(dǎo)致漿體黏度增加，其流動(dòng)性變差.

分散劑對(duì)水煤漿的分散降黏機(jī)理主要是由于分散劑分子在煤粒表面吸附，吸附的分散劑分子使煤表面動(dòng)電電位升高，并在煤表面形成一定的空間位阻，靜電斥力和空間位阻的雙重作用導(dǎo)致了煤顆粒的分散[11].

從SAF分子結(jié)構(gòu)表征知道，它是一個(gè)含有磺酸基和醇羥基親水基團(tuán)的柔性脂肪族長(zhǎng)鏈.分子量的增大，導(dǎo)致它在煤粒表面形成較大的空間位阻，所以較大分子量SAF-2的分散降黏性好于分子量較小的SAF-1.但是當(dāng)分散劑分子量過(guò)大時(shí)，煤粒之間由于交聯(lián)作用而發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致漿體黏度增大，出現(xiàn)SAF-3的制漿黏度增大的現(xiàn)象.總之，適中重均分子量(38 541)的SAF-2對(duì)水煤漿的分散降黏最好.

此外，SAF的柔性鏈特性和多點(diǎn)吸附形式[12]在煤表面形成了一個(gè)較厚的吸附層，意味著有一個(gè)強(qiáng)大的空間位阻，而NSF的剛性鏈結(jié)構(gòu)和臥式吸附形式使得吸附層比較薄[12]，空間位阻較弱.因此，SAF在分散性和穩(wěn)定性上均優(yōu)于傳統(tǒng)NSF.

2.4不同分子量SAF對(duì)水煤漿流變特性的影響

圖5　摻不同分散劑水煤漿剪切率對(duì)表觀黏度的影響

流變特性是水煤漿的一個(gè)重要質(zhì)量指標(biāo)，它對(duì)水煤漿的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和燃燒都有較大影響.采用彬長(zhǎng)煤，保持制漿濃度65%，添加量0.4%，分別考察不同分子量的SAF和萘系NSF對(duì)水煤漿流變性的影響.如圖5所示，不同分子量的SAF和NSF都使水煤漿體表現(xiàn)出“剪切變稀”的流變特性，其表觀黏度隨著剪切速率γ的增加而逐漸降低.這可能是因?yàn)槊悍弁ㄟ^(guò)添加一定量的分散劑和水，經(jīng)過(guò)攪拌成漿后，煤顆粒之間相互連接并形成包住水的特征.隨著剪切速率的增加，“煤包水”的狀態(tài)被打破，自由水流出，使?jié){體黏度降低[13,14].圖5中SAF-2在剪切率為100 s-1時(shí)的表觀黏度最小，為461.3 mpa·s.

水煤漿屬于非牛頓流體[15].本文采用接近于工業(yè)水煤漿流動(dòng)特性的流變模型Herschel-Bulkley模型(τ=τ0+ Kγn)來(lái)擬合圖6不同分子量SAF水煤漿剪切應(yīng)力與剪切速率曲線.其中：τ為剪切應(yīng)力；τ0為屈服應(yīng)力；K為稠度系數(shù)；γ為剪切速率；n為流動(dòng)特性指數(shù)，n<1時(shí)為假塑性流體;n>1時(shí)為脹塑性流體;n=1時(shí)為Bingham模型.得到的不同漿體的模型參數(shù)值τ0、K、n和R2，如表5所示.

圖6　摻不同分散劑水煤漿剪切率與剪切應(yīng)力的關(guān)系

分散劑τ0/PaK/(Pa·an)nR2SAF-111.321.3010.86640.9991SAF-28.421.1300.88410.9989SAF-314.881.4220.79800.9994NSF16.371.5890.73790.9986

從表5可看出，對(duì)摻不同分子量SAF和NSF的水煤漿流變曲線擬合相關(guān)系數(shù)大于0.99，說(shuō)明用Herschel-Bulkley模型擬合彬長(zhǎng)煤漿體是合適的.從表5還看出，不同分子量SAF和NSF制漿流動(dòng)性指數(shù)都小于1，說(shuō)明所制煤漿都屬于假塑性流體，這與之前剪切率對(duì)表觀黏度影響中，水煤漿體表現(xiàn)出“剪切變稀”的現(xiàn)象相一致.

從擬合參數(shù)來(lái)看，分子量適中的SAF-2制漿屈服應(yīng)力最小，為8.42 Pa，稠度系數(shù)K也相對(duì)最小為1.130 Pa·an，流動(dòng)性指數(shù)n最大為0.884 1，這說(shuō)明SAF-2所制煤漿在較低的應(yīng)力下就可以流動(dòng)，并且流動(dòng)性較高.這與表4中，相同漿濃和摻量下，SAF-2的表觀黏度最小相一致.從表5中還可以看出，SAF與NSF相比，NSF各項(xiàng)參數(shù)都不及SAF好.

煤粒通過(guò)吸附分散劑使煤的表面由疏水表面改性為親水的表面[16]，以起到分散降黏的作用.因此,吸附量的大小對(duì)煤粒表面親水性的改性程度有很大的影響.從表3和表4知道， 雖然SAF-1的吸附量最大，但其降黏效果卻一般，這可能是因?yàn)榉肿恿枯^小的SAF-1有一部分吸附到煤粒的孔隙中[17]，不能發(fā)揮降黏的效果，再加之分子量小，在煤表面形成的空間位阻較小，所以SAF-1的降黏效果并不理想.

傳統(tǒng)的NSF與SAF相比，SAF柔性鏈特性和多點(diǎn)吸附形式在煤表面.易形成較厚的吸附層，使煤粒間空間位阻加大，同時(shí)適中分子量的SAF-2吸附量大于NSF，導(dǎo)致SAF-2對(duì)煤粒表面的親水改性好于NSF.因此，SAF-2的分散降黏效果優(yōu)于傳統(tǒng)的NSF.

3結(jié)論

(1)用不同分子量的SAF作為水煤漿分散劑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)分子量過(guò)高或過(guò)低對(duì)水煤漿的分散降黏都不利，適中的分子量Mw(SAF-2)=38 541的分散降黏效果最好.并且對(duì)比了萘系分散劑，發(fā)現(xiàn)SAF-2的分散性和穩(wěn)定性均優(yōu)于傳統(tǒng)萘系.

(2)通過(guò)對(duì)SAF的結(jié)構(gòu)表征，得知它是一個(gè)含有磺酸基和羥基親水基團(tuán)的脂肪族柔性鏈.測(cè)定不同分子量的SAF和NSF在彬長(zhǎng)煤表面吸附等溫線，發(fā)現(xiàn)吸附模型為L(zhǎng)angmuir模型，屬于單分子層吸附.其中，SAF分子量越小，吸附能力越大，吸附量越大，即SAF-1>SAF-2>NSF>SAF-3.

(3)采用Herschel-Bulkley模型，來(lái)擬合摻不同分子量SAF的水煤漿的流變曲線，發(fā)現(xiàn)漿體呈現(xiàn)“剪切變稀”的流變特性，為假塑性流體.分子量適中的SAF-2屈服應(yīng)力最小，流動(dòng)性更好，與之對(duì)應(yīng)的黏度也最小，基本呈現(xiàn)吸附量大、流動(dòng)性好的規(guī)律.

參考文獻(xiàn)

[1] 戴郁菁，何其慧，謝力，等.水煤漿分散劑作用機(jī)理和應(yīng)用研究[J].精細(xì)化工，1999，16(增刊)：195-198．

[2] 邱學(xué)青，周明松，王衛(wèi)星．不同分子質(zhì)量木質(zhì)素磺酸鈉對(duì)煤粉的分散作用研究[J]．燃料化學(xué)學(xué)報(bào)，2005，33(2)：179-183．

[3] 楊東杰，郭聞源，李旭昭，等．不同相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)接枝磺化木質(zhì)素水煤漿分散劑吸附分散性能的影響[J]．燃料化學(xué)學(xué)報(bào),2013，41(1)：20-25．

[4] 潘相卿，曾凡，魯育新．腐植酸類水煤漿添加劑的分散性能與級(jí)分的關(guān)系及機(jī)理[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，1998，26(11)：5-6．

[5] Pei M S，Yang Y G，Zhang X Z.Synthesis and properties of water-soluble sulfonated acetone-formaldehyde resin[J]．Journal of Applied Polymer Science，2004，9(3)：248-250．

[6] 龐金興，張超燦，熊焰,等．SAF的合成機(jī)理及分散性能研究[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002，24(6)：29-31．

[7] 任紹梅，張秀伸．磺化丙酮-甲醛縮聚物型水泥分散劑的合成[J]．北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，11(4)：24-26．

[8] 朱軍峰，李元博，王卓妮,等．聚羧酸鹽在不同煤種成漿中的應(yīng)用性能[J]．陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，32(3)：84-88．

[9] Zhu J F，Zhang G H，Li J G，et al．Synthesis adsorption and dispersion of a dispersant based on starch for coal-water slurry[J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2013,42(2):165-171．

[10] 程軍，陳訓(xùn)剛，劉建忠，等．煤粉孔隙分形結(jié)構(gòu)對(duì)水煤漿性質(zhì)的影響規(guī)律[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008，28(23)：60-66．

[11] 趙國(guó)華，段鈺鋒，徐峰,等．高濃度水煤漿流變特性和穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[J]．熱能動(dòng)力工程,2008，23(2)：201-205．

[12] Zhang G H，Li J G，Zhu J F．Syntheses and evaluations of three sulfonated polycondensate dispersants for coal-water slurries[J]．Powder Technology,2014，54(2)：572-578.

[13] 鄒立壯，朱書(shū)全，王曉玲，等．不同水煤漿分散劑與煤之間的相互作用規(guī)律研究：Ⅺ分散劑改性煤粒的界面性質(zhì)及其對(duì)CWS性質(zhì)的影響[J]．燃料化學(xué)學(xué)報(bào),2006，34(2)：160-165．

[14] Qiu X Q，Zhou M S，Yang D J．Evaluation of sulphonated acetone-formaldehyde (SAF) used in coal water slurries prepared from different coals[J]．Fuel,2007，86(14)：39-45．

[15] 虞育杰，劉建忠，張傳名,等．低揮發(fā)分煤的成漿特性和水煤漿流變特性[J]．浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2011，45(2)：335-339．

[16] 張光華，魏輝，費(fèi)菲．丙烯酸系水煤漿添加劑的合成研究進(jìn)展[J]．皮革與化工，2010，27(4)：35-38．

[17] 胡文莉，王玥，邱學(xué)青,等．改性木質(zhì)素磺酸鈉對(duì)水煤漿成漿性能的影響[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37(12)， 107-112．

Effects of molecular weight of sulphonated acetone-formaldehyde

polymer on its adsorption and rheological properties

of coal-water slurry

ZHANG Guang-hua, LI Yuan-bo, ZHU Jun-feng， WANG Rui

(Key laboratory of Auxiliary Chemistry & Technology for Chemical Industry, Ministry of Education, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:A water-soluble aliphatic polycondensate,sulfonated acetone-formaldehyde (SAF) was prepared by sulfonation and polycondensation reations using acetone,formaldehyde and sodium sulfite as raw material.Characterized its structure,it was a containing sulfonic acid groups and hydroxyl hydrophilic aliphatic flexible chain polymer.The effects of molecular weight of SAF on its adsorption behaviors and rheological property in CWS were investigated.The results show that,the relative molecular weight is moderate (Mw=38 541),SAF-2 is best for reducing viscosity on the coal-water slurvy,dispersibility and stability are better than naphthalene dispersants.Adsorption results show that all the adsorption isotherms of SAF and NSF on coal surface are belonging to Langmuir monolayer adsorption.With the increase of molecular weight，the adsorption amounts on coal surface decrease.The rheological properties of different SAF were fitted by using the Herschel-Bulkley model.The results showed all rheological properties of CWS that added different molecular weight SAF were the shear thinned and pseudoplastic fluids.The adsorption capacity was closely related to the liquidity of CWS.

Key words:sulfonated acetone-formaldehyde polymer; molecular weight; coal-water slurry; rheological; adsorption

中圖分類號(hào)：TQ536.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-5811(2015)01-0079-06

作者簡(jiǎn)介:張光華(1962-)，男，陜西咸陽(yáng)人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：水溶性高分子

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21176148,21303098); 陜西省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研計(jì)劃項(xiàng)目(2011JS020); 陜西省科技廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014JM2040)

收稿日期:*2014-10-27