聚羧酸盐侧链长度对水煤浆分散性能的影响及其作用机理

朱军峰，李元博，张光华，王睿

（陕西科技大学化学与化工学院，教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室，陕西 西安 710021）

聚羧酸盐侧链长度对水煤浆分散性能的影响及其作用机理

朱军峰，李元博，张光华，王睿

（陕西科技大学化学与化工学院，教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室，陕西 西安 710021）

合成了一系列具有不同侧链长度的梳型聚羧酸盐（PC），研究了PC侧链长度对水煤浆的分散和流变性能的影响，使用X射线光电子能谱（XPS）分析了PC在煤水界面的吸附，并结合水煤浆Zeta电位及PC对煤颗粒的润湿性探讨了PC的分散作用机理，为设计制得高效的聚羧酸盐水煤浆分散剂提供依据。结果表明：长主链、短侧链和高阴离子基团含量的PC500（侧链聚合度11n=）具有优良的分散性，所制水煤浆属假塑性流体。PC在煤表面呈单分子层吸附，其中PC500的吸附密度和吸附厚度均最大，分别为0.638 mg·m−2和4.20 nm，其对煤粒润湿性也较好，所制水煤浆Zeta电位绝对值最高。侧链长度适中的PC500通过平衡吸附层厚度与Zeta电位发挥空间位阻和静电斥力作用分散水煤浆，其可有效地降低水煤浆Gibbs能，使煤粒间“团聚”减弱，浆体分散性提高。

梳型聚羧酸盐；侧链长度；流变；吸附；分散；水煤浆

引 言

水煤浆作为一种重要的煤炭加工利用技术受到广泛的关注，制备优良的水煤浆，分散剂是关键。传统的分散剂包括萘系、木质素系、腐殖酸系以及它们的复配产品等。相较于传统的分散剂，聚羧酸系水煤浆分散剂具有环保、高效、结构灵活、适用范围广等优点，并逐渐取代了传统分散剂[1]。研究表明[2-3]，具有聚氧乙烯长侧链聚羧酸盐具有良好的分散性能，侧链中醚键上的氧与水分子形成氢键，从而形成亲水性立体膜，在固液界面产生润湿吸附作用，同时提供位阻作用从而对体系产生了分散作用。梳型共聚物分散剂优异的分散性能和稳定性已被农药、涂料、建材行业广泛认可，但将其作为水煤浆分散剂，研究梳型聚羧酸盐的侧链结构对水煤浆的分散稳定性和流变性影响很少报道，尤其是侧链长度对水煤浆流变性与其煤/水界面吸附行为的关系未见报道。

基于以上原因，本文设计了一种以不同聚合度的甲氧基聚乙二醇（MPEG）为侧链的梳型聚羧酸盐分散剂，分析了其分子的阴离子基团含量和结构特征。将不同长侧链的聚羧酸盐分散剂用于陕西彬长煤，探讨梳型聚羧酸盐的侧链长度对水煤浆的分散性、流变性、Zeta电位和接触角的影响，同时，测试了梳型聚羧酸盐在煤表面的吸附密度和吸附层厚度，深入分析了梳型聚羧酸盐的侧链长度对高浓水煤浆流变性与煤/水界面吸附量的关系，得到这些信息可以帮助研究分子结构与性能之间的关系，并且解释梳型聚羧酸盐分散的作用机理。通过对比不同长侧链的梳型聚羧酸盐对水煤浆的分散性和流变性以及煤/水界面的吸附量，筛选出分散性能较佳梳型聚合物的侧链长度。

1 实验部分

1.1 主要试剂

试剂：丙烯酸（AA）、对苯乙烯磺酸钠（SSS）和聚乙二醇单甲醚（MPEG，相对分子质量350，500，750，1000），工业品；过硫酸钾、对苯二酚、氢氧化钠、异丙醇、无水乙醇和盐酸（36%），均为分析纯。萘磺酸盐（NSF）纯度≥97.6%，北京市新世纪东方建筑材料有限公司。煤样：陕西彬长煤。

1.2 水煤浆分散剂的合成

聚合物的合成：用AA、SSS和自制单体聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯MPEGAA按一定比例按文献[3]方法制得橙黄色透明液体聚醚羧酸盐水煤浆分散剂，按侧链长度聚合度不同，记为PC350、PC500、PC750和PC1000。分散剂的分子模拟和结构如图1所示，n表示MPEG中PEO的聚合度。

1.3 煤质分析与水煤浆的制备

实验选用陕西的彬长煤。该煤属于低硫、低灰、低变质程度的烟煤，煤中O/C比和内水含量都相对较高，因而很难制备高浓度水煤浆。煤质分析见表1。

图1 聚羧酸盐分散剂的分子模型和结构Fig.1 Molecular model and structure of comb-like copolymer dispersants (n=8, 11, 17, 23)

采用干法制浆。实验用球磨机在600 r·min−1的转速下磨煤，将煤粉磨制成一定粒径分布的粒子，使煤粉紧密堆积，可提高水煤浆的制浆浓度。本试验所用水煤浆采用多峰级配分布为0.850～0.425 mm，0.425～0.125 mm，0.125～0.075 mm，0.075～0.045 mm，0.045 mm以下，其质量分数分别为8%，42%，7%，8%，35%，将煤样按照以上比例级配混合，分散剂用量为干煤粉质量的0.2%～1%，在转速为600 r·min−1的条件下，机械搅拌 10 min，即得水煤浆。

表1 煤质分析Table 1 Proximate analysis of coal samples

1.4 分散剂的结构表征

将分散剂用无水乙醇进行粗提，再用0.1 mol·L−1的NaNO3溶液溶解，配样浓度为5 mg·ml−1的分散剂溶液，采用GPCmax+TDA305型Viscotek TDAmax科研级多检测器凝胶色谱系统GPC（英国Malvern仪器公司）在柱温35℃，流动相：浓度0.1 mol·L−1的NaNO3，流速：1 ml·min−1，内标物：聚氧化乙烯，测定其分子量分布，共聚物主链聚合度 DPw则根据重均分子量Mw和共聚物组成计算而得。采用德国 Brucher 公司 EQUI NX55 型红外光谱仪，用溴化钾压片法测定分散剂的红外光谱，结果如图2所示，PC分散剂在1724 cm−1出现羰基的伸缩振动峰，1575 cm−1有苯环的骨架振动峰；1190和1045 cm−1处为磺酸的伸缩振动峰，并且1631 cm−1处双键特征吸收峰基本消失，说明反应比较充分，所得产物是目标产物。采用酸碱滴定法测定上述磺酸基和羧基的含量[4]。

1.5 流变性能的测定

水煤浆流变性通过Brookfield，R/S-SST Plus流变仪，V40-20转子来测试，按照以上煤粒配级称取100 g煤粉，采用干法制浆法，制备水煤浆，剪切速率：上行0～100 s−1，100 s−1下测得18个点，运行时间5 min,下行100～0 s−1，上行和下行运行时间均为3 min，测试点均为36个，测试温度保持在25℃，通过对测试数据拟合，以此来判断水煤浆的流变性。

图2 聚合物红外光谱图Fig.2 FT-IR spectrum of dispersant

1.6 吸附量的测定

用残余质量浓度法测量煤的表观吸附量[5]。准确称取2.00 g的煤样于锥形瓶中，加入一定质量浓度的分散剂溶液，用塞子封闭后于设定温度下在恒温摇床上振荡12 h，然后静置一定时间使其达到吸附平衡。取出少量悬浮液用高速离心机离心分离出上层清液，稀释分离出的上层清液使其符合紫外分光光度计的测量范围，再测定其质量浓度。同时作空白实验以校正由于煤样浸泡过程中的溶出物对紫外吸收的干扰。由分散剂原溶液与吸附平衡后溶液的质量浓度差根据式（1）计算出煤粉对分散剂的静态吸附量，得吸附等温线。

式中，Г为单位质量煤粉吸附分散剂的质量，mg·g−1；c0为原分散剂溶液的质量浓度，mg·L−1；ct为吸附平衡后溶液的质量浓度，mg·L−1；cblank为空白样紫外测出的质量浓度，mg·L−1；V为溶液总体积，ml；m为煤样质量，g。

1.7 水煤浆稳定性测试

（1）Zeta电位的测试：采用英国Malvern公司生产的Zeta 电位分析仪测定，分别称取约0.2 g制浆用煤于多个150 ml具塞锥形瓶中，加入50 ml蒸馏水溶液，分别用HNO3和NaOH溶液调节pH为7，在摇床上恒温振荡2 h，静置后取上清液注入电泳池中测定煤表面的Zeta电位，测定3次取平均值。

（2）析水率测定：根据文献[6]测试。

1.8 煤粒接触角的测定

采用德国东方德菲公司 DCAT21 表面/界面张力仪测定煤粉接触角，测试温度25℃。根据文献[7]的方法，采用Washburn毛细管上升法进行动态接触角的测量。

1.9 吸附膜厚度的测定

采用英国Kratos公司生产的AXIS SupraTM型X射线光电子能谱仪（以Al的特征Kα射线为X射线源，光电子能量为1486.6 eV）测定分散剂在煤表面吸附层厚度，通过测量吸附分散剂前后Si2p光电子经过煤表面分散剂吸附层后强度的衰减程度，近似计算出分散剂吸附层的厚度[8]，煤样制备使用文献[9]的方法。

表2 梳形分散剂PC的分子结构特性Table 2 Molecular characteristics of comb-like PC dispersants

图3 水煤浆的流变特性Fig.3 Rheological behavior of CWS

2 结果与讨论

2.1 分散剂的分子结构特性

在合成反应中保持其他条件不变，仅改变不同聚合度的大单体，得到不同侧链长度的PC分散剂，具体见表2。

由表2知，相同单体配比下，不同侧链长度的PC分散剂，侧链聚合度不同，导致其羧基和磺酸基的含量不同，羧基含量：PC350＞PC500＞PC 750＞PC1000，磺酸基含量与羧基一致，这是因为相同配比下，大单体聚合度越大，MPEG在整个分散剂中占的质量比增大，导致单位质量PC中羧基和磺酸基含量降低。分子量测试结果表明，PC分散剂的重均分子量分布在2×104～4.5×104之间，多分散性系数也相近，在2.50～2.91之间，这与文献中报道的水煤浆分散剂的相对分子质量在1×104～5× 104[10-11]相一致。由PC分散剂的主链聚合度DPw可以看出侧链越短，其主链聚合度越大，反之则反。它们的分子结构特征为：PC350长主链、短侧链和高阴离子基团；PC500长主链、中等侧链和高阴离子基团；PC750中长侧链、短主链和中等阴离子基团；PC1000长侧链、短主链和低阴离子基团。

2.2 分散剂的侧链长度对流变特性的影响

水煤浆的流变特性主要研究浆体的流动和变形。它是水煤浆的一个重要质量指标，对水煤浆的储存、运输和燃烧都有较大影响。本文保持制浆浓度65%，考察PC分散剂对水煤浆体流变性的影响，并与萘系做对比。如图3（a）所示不同链长的PC分散剂使水煤浆体表现出“剪切变稀”的流变特性，其表观黏度随着剪切速率γ的增加而逐渐降低。图3（a）中，分散剂添加量0.4%，剪切速率100 s−1，其表观黏度为PC500＜PC350＜PC750＜PC1000＜NSF，PC500的表观黏度最低，达到526.4 mPa·s，PC分散剂性能均优于传统萘系。

表3 水煤浆流变特性参数（浆浓65%）Table 3 Rheological parameter (65% solid content)

水煤浆属于非牛顿流体[12]，采用3种比较接近于工业水煤浆流动特性的流变模型[12]来拟合图3（b）水煤浆剪切应力与剪切速率曲线；

式中，τ为剪切应力；oτ为屈服应力；K为稠度系数；μ为刚度系数；γ为剪切速率；n为流动特性指数，n＜1时为假塑性流体，n＞1时为胀塑性流体。拟合结果如表3所示。

不同长侧链PC的水煤浆流变曲线拟合结果如表3，由表3知，Herschel-Bulkley的相关系数最大，大于0.997，说明Herschel-Bulkley模型更适合彬长煤浆体系，只是拟合参数不同。oτ为屈服应力，它表示煤浆流动的最小作用力，其值越小浆体越容易在低剪切速率下流动；K为稠度系数，K值越大浆体越稠，黏度越大；n为流动特性指数，n值越大，浆体流动性越好。表3中，不同长侧链PC分散剂制浆流动性指数n都小于1，说明所制煤浆都属于假塑性流体，这与之前剪切率对表观黏度关系中，水煤浆体表现出“剪切变稀”的现象相一致。从拟合参数来看，随着PC侧链增长，其屈服应力oτ先减小后增大，稠度系数K略有所降低，流动性指数n增大，其在剪切速率100 s−1下表观黏度先减小后增大。综合考虑，侧链长度适中的PC500对水煤浆分散作用最好。

分散剂将疏水的煤粒表面改性为亲水的表面[13]，其对水煤浆的流变特性有重要的影响，当然，这与分散剂的分子结构和带电量有重要关系。

2.3 侧链长度对分散剂在煤表面等温吸附曲线的影响

实验在25℃下测定了PC分散剂在彬长煤表面的吸附量随着分散剂平衡质量浓度的关系，吸附等温线如图4。

图4 PC分散剂在煤表面等温吸附曲线Fig.4 Adsorption isotherms of PC dispersants on Binchang coal

由图4可以看出，分散剂在煤粒表面吸附量随着分散剂的平衡质量浓度增大而增大，开始增大较快，当浓度较高时，出现一个吸附平台。采用Langmuir吸附模型和Freundlich吸附模型对图4的吸附等温线进行拟合，拟合结果如表3。

式中，Г为吸附量，mg·g−1；Г∞为平衡时的饱和吸附量，mg·g−1；c为平衡质量浓度，mg·L−1；K为Langmuir平衡常数；k和n为吸附常数。拟合参数列于表4。

由表4可见，分散剂在彬长煤表面吸附等温线的Langmuir方程拟合相关系数R2＞0.96，拟合相关度较高。说明PC分散剂在煤表面属于单分子层吸附。对比4个不同长侧链的PC分散剂的饱和吸附量Г∞发现，PC500＞PC350＞PC750＞PC1000，即侧链长度适中的PC500在煤上的饱和吸附量最大，达到4.25 mg·g−1，吸附密度为0.638 mg·m−2；侧链长度最大的PC1000饱和吸附量最小，为1.41mg·g−1，吸附密度为0.211 mg·m−2。Langmuir平衡常数K表示分散剂在煤表面吸附能力的强弱，由表4可以看出，随着侧链长度的减小，PC分散剂在煤粒表面的吸附平衡常数K依次减小，这表明具有短侧链的PC分散剂在彬长煤上的吸附能力更强。

通过分析认为，以上现象与分散剂的分子结构和带电量有密切关联。分散剂在煤表面吸附主要通过阴离子电荷与煤中阳离子矿物质电荷吸附和芳香族化合物与煤中稠环结构发生π电子极化吸附，从表2可知，相同质量的分散剂，侧链越长，其阴离子基团和苯环结构含量越少，导致可吸附的带有负电荷的和苯环活性点减少，且长侧链的盘绕卷曲可能会使聚合物的阴离子更少地暴露在聚合物的外面，导致分散剂在煤表面吸附难度增大，因此侧链越长的PC分散剂在煤表面的吸附平衡常数K和饱和吸附量都比较小，而侧链适中的PC500，同时具有高负电荷和长主链的优势，其在煤表面可能会以“圈吸附”[14]的方式吸附在煤表面，吸附量大。这与熊卫锋等[15]的研究结果相一致。

表4 等温吸附曲线拟合参数Table 4 Isothermal adsorption curve fitting parameters

2.4 侧链长度对分散剂在煤表面Zeta电位的影响

据DLVO理论，颗粒稳定分散的先决条件是颗粒间的静电斥力超过颗粒间的范德华引力[16]，颗粒表面Zeta电位绝对值越大，静电斥力越强，越有利于料浆分散。因此煤表面的Zeta电位是影响煤粒在水中分散性和稳定性的一个重要指标。研究了PC系列分散剂对煤表面Zeta电位的影响，结果见图5。

由图5可知，在不加分散剂时，煤粒与纯水形成分散体系，煤粒的Zeta电位为−11.2 mV，表现为负值，这说明虽然煤粒表面为正、负电荷区共存[17]，但其主体是带负电荷。随着分散剂的添加量增加，煤粒表面的Zeta电位绝对值先增大后趋于平衡，而PC500使煤粒表面的带电量由−11.2 mV变化到−41.5 mV，绝对值最大，对煤浆的分散性和稳定性更有利。

图5 PC分散剂对煤表面Zeta电位影响Fig.5 Effect of PC dispersant dosage on Zeta potential

图6 分散剂在煤表面的接触角Fig.6 Surface contact angle on Binchang coal

2.5 分散剂在煤表面的接触角

煤/水界面的接触角反映了煤粒表面的平均润湿情况，接触角越小，其表面亲水性越好[18]。研究彬长煤粒在吸附了PC分散剂前后煤/水界面接触角的变化情况，如图6所示。

由图6知，彬长原煤在水中的接触角为78.2°，吸附了PC分散剂的煤粒在水中的接触角有不同程度的减小，接触角大小顺序为PC500＜PC350＜PC750＜PC1000＜彬长原煤，其中PC500的煤粒在水中的接触角最小，表明其润湿性能最好。这是因为PC500在煤粒表面的吸附量最大，并且PC分散剂含有羧基和磺酸基等亲水基团，较大的吸附量能对疏水的煤表面进行更好亲水改性，使煤粒表面有更好的润湿性能，这样可以解决煤/水不相容的矛盾，有利于水煤浆稳定性的提高。

图7 PC吸附前后煤粒表面的XPS谱图Fig.7 XPS elemental scanning spectra of Binchang coal and with adsorbing PC dispersant

2.6 侧链长度对分散剂在煤表面吸附膜厚度及稳定性的影响

实验采用X光电子能谱法测定吸附PC前后彬长煤表面的XPS元素扫描图，由图7（a）可知，相对于空白煤样，吸附了PC500后煤表面的O和Si峰电子强度减弱， C和Na峰电子强度增强。这是由于PC500分子中C和Na含量高于煤，O含量低于煤，所以吸附了PC500之后煤表面的C和Na元素含量升高，O元素含量降低。PC500分子中不含有Si元素，但吸附了PC500后煤表面的Si仍然存在，这是由于分散剂层薄，吸附层下的煤中矿物质中Si原子被激发的缘故。其他链长的PC分散剂在煤表面吸附前后的XPS元素扫描谱图也具有类似的结果。

通过测定Si2p光电子经过吸附层后强度的衰减程度，可计算出分散剂的吸附层厚度[9]。图7（b）为吸附分散剂前后Si2p的精细XPS谱图。由于分散剂的包裹作用，吸附分散剂后煤粒表面的Si2p光电子强度明显减弱，对其峰面积进行积分，计算出煤粒表面分散剂的吸附层厚度（表5）。由表5知，吸附膜厚度顺序为PC500＞PC1000＞PC750＞PC350，PC500在彬长煤上的吸附厚度最大为4.20 nm，PC350的最小为2.30 nm。

由表5可知，不同侧链长度的PC分散剂所制水煤浆的稳定性为PC500＞ PC750＞PC350＞PC1000。实验测定传统萘系在浆浓63%时，析水为5.12%，即稳定性：PC＞萘系。

表5 PC吸附前后煤粒表面Si2pXPS的强度变化及吸附层厚度计算Table 5 Si2pXPS of coal and complex coal particles with adsorbing PCs thickness of adsorbing layer

2.7 分散作用机理

PC分散剂通过对煤粒的亲水改性，大大提高了煤粒在水中的润湿性，减小了煤/水界面张力。从热力学稳定性考虑，体系的Gibbs能越低，体系越稳定。Gibbs函数为

其中，γ是界面张力，As是界面面积。

式（4）表明，系统可通过减小界面面积或降低界面张力两种方式来降低界面Gibbs能，这是一个自发的过程[19]。PC分散剂可以很好使煤/水界面张力降低，这样可以反过来阻碍煤粒通过“团聚”方式减小界面面积的概率，而煤粒间“团聚”是水煤浆黏度增大的主要原因，因此接触角越小，润湿性越好，煤/水界面张力越小，浆体热力学稳定，“团聚”现象越弱，浆体分散性越好。吸附PC500后的煤粒，接触角最小，因此其分散稳定性最好。

空间位阻和静电斥力也对水煤浆分散稳定性有着十分重要的贡献[20]，由表5可知，PC1000虽然具有较长侧链，容易在煤表面提供较大空间位阻，吸附膜厚3.75 nm，但Zeta电位绝对值小，只有25.2 mV，产生的静电斥力作用很有限，所以其制浆流变性差。而侧链聚合度适中（n=11）的PC500在单位煤表面吸附PC分子的个数最多，为14.64 nmol·m−2，通过XPS测其吸附膜厚度，为4.30 nm，同时PC500具有高负电性，它在煤表面的Zeta电位绝对值也是最大，为41.2 mV，所以它在拥有较厚的吸附膜的同时具有较大的静电斥力，这些都促使PC500制得水煤浆黏度最低，流变性和稳定性最好。

3 结 论

（1）将不同侧链长度的PC分散剂用于彬长煤制浆，研究得出，PC的分散与稳定性能明显优于传统萘系。其制备的水煤浆浆体均表现出“剪切变稀”的流变特性，其中PC500的降黏效果最佳，黏度为526.4 mPa·s，也使煤表面带电量从−11.2 mV变化到−41.5 mV，提高了浆体稳定性。吸附实验表明，PC分散剂在煤粒表面是单分子层吸附，其中PC500在煤表面的吸附量和吸附层厚度均最大，分别为4.25 mg·g−1和 4.20 nm，同时煤表面接触角减小，亲水性提高，这些都有利于水煤浆的分散与稳定。

（2）侧链长度适中的PC500使水煤浆Gibbs能更好地降低，煤粒间“团聚”减弱，浆体分散性提高；通过调节PC的侧链长度和阴离子基团含量，平衡吸附层厚度和Zeta电位之间的关系，发挥其空间位阻和静电斥力作用，可设计制得高效的聚羧酸盐水煤浆分散剂。

[1] Zhou Mingsong (周明松), Qiu Xueqing (邱学青),Wang Weixing (王卫星). Advance in the dispersants of coal water slurry [J].Chemical Industry and Engineering Progress(化工进展), 2004, 23 (8): 846-851.

[2] Zhu Junfeng, Zhang Guanghua, Miao Zhuo,et al. Synthesis and performance of a comblike amphoteric polycarboxylate dispersant for coal-water slurry [J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects，2012, 41 (2): 101-107.

[3] Zhang Guanghua (张光华), Qu Qianqian (屈倩倩), Zhu Junfeng (朱军峰), Wang Peng (王鹏), Fu Xiaolong (付小龙)，Wei Yingfei (卫颖菲). Synthesis and performance of SAS/MAA/MPEGMAA polycarboxylate dispersants [J].CIESC Journal(化工学报), 2014, 65 (8): 3290-3297.

[4] Li Rong (李荣).The dynamic adsorption behavior and regulation of lignosulfonate at the interfaces [D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2012.

[5] Zhu Junfeng, Zhang Guanghua, Li Junguo, Zhao Fang. 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.

[6] Zhu Junfeng (朱军峰), Li Yuanbo (李元博), Wang Zhuoni (王卓妮), Chang Xing (常兴) , Zhang Guanghua (张光华). Study on application performance of polycarboxylate in different coal-water slurries [J].Journal of Shaanxi University of Science & Technology(陕西科技大学学报), 2014, 32 (3): 84-88.

[7] Hu Wenli (胡文莉). Study on adsorption performance of lignosulfonates on surface of solid particle [D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2010.

[8] Wu Gang (吴刚). Material Characterization and Application (材料结构表征及应用) [M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2002: 356-357.

[9] Zhou Mingsong (周明松),Qiu Xueqing (邱学青), Yang Dongjie (杨东杰). Adsorption property of lignin and naphthalene dispersants on coal-water interface [J].Chemical Journal of Chinese Universities(高等学校化学学报), 2008, 29 (5): 987-992.

[10] Qiu Xueqing (邱学青), Zhou Mingsong (周明松), Wang Weixing (王卫星). Dispersion of coal particles by sodium lignosulphonate with different molecular weights [J].Journal of Fuel Chemistry and Technology(燃料化学学报), 2005, 33 (2): 179-183.

[11] Yang Dongjie (杨东杰), Guo Wenyuan (郭闻源), Li Xuzhao (李旭昭), Wang Yue (王玥), Qiu Xueqing (邱学青). Effects of molecular weight of grafted sulfonated ligninon its dispersion and adsorption properties as a dispersant for coal water slurries [J].Journal of Fuel Chemistry and Technology(燃料化学学报), 2013, 41 (1): 20-25.

[12] Yu Yujie (虞育杰), Liu Jianzhong (刘建忠),Zhang Chuanming (张传名), Zhao Weidong (赵卫东), Zhou Junhu (周俊虎), Cen Kefa (岑可法). Slurrying characteristics of low-volatile coal and the rheological characteristics of coal water slurry [J].Journal of Zhejiang University:Engineering Science(浙江大学学报: 工学版), 2011, 45 (2): 335-339.

[13] Zhang Guanghua (张光华), Wei Hui (魏辉), Fei Fei (费菲). Research progress in synthesis of acrylic acid CWS additive [J].Leather and Chemicals(皮革与化工), 2010, 27 (4): 35-38.

[14] Sato T, Ruch R J. Stabilization of Colloidal Dispersions by Polymer Adsorption [M]. Marcel Dekker, Inc, 1980:1-2.

[15] Xiong Weifeng (熊卫锋), Wang Dongmin (王栋民), Zuo Yanfeng (左彦峰), Wu Zengli (武增礼), Wang Zhenhua (王振华). Influence of side chain structure on dispersion adsorption properties of polycarboxylate superplasticizer [J].New Building Materials(新型建筑材料), 2008, (6): 35-38.

[16] Mi Xiaohui (米小慧), Li Xiaorui (李小瑞), Li Peizhi (李培枝), Wang Chen (王晨). IA/AA/AMPS coal-water slurry preparation and characterization of dispersant [J].Journal of Functional Materials(功能材料), 2012, 43 (23): 3261-3264.

[17] Zhao Fang (赵方), Zhang Guanghua (张光华), Zhu Junfeng (朱军峰). Preparation and performance study of starch coal-water mixtures dispersant [J].Journal of China Coal Society(煤炭学报), 2012, 37 (2): 456-461.

[18] Zou Lizhuang (邹立壮), Zhu Shuquan (朱书全), Wang Xiaoling (王晓玲), Guo Xiangkun (郭相坤), Cui Guangwen (崔广文). Study on the interaction between different CWS dispersants and coals (Ⅺ): Interface properties of dispersant-modified coal particle and its effect on the properties of CWS [J].Journal of Fuel Chemistry andTechnology(燃料化学学报), 2006, 34 (2): 160-165.

[19] Li Songlin (李松林), Zhou Yaping (周亚平), Liu Junji (刘俊吉). Physical Chemistry (物理化学) [M]. 5th ed. Beijing: Higher Education Press, 2009: 466.

[20] Ran Qianping (冉千平), Miao Changwen (缪昌文), Liu Jiaping (刘加平), Shang Yan (尚燕), Mao Yonglin (毛永琳). Action mechanism and effect of side chain length of comb-like copolymer dispersant on dispersion of cement paste [J].Journal of The Chinese Ceramic Society(硅酸盐学报), 2009, 37 (7): 1153-1159.

Action mechanism and effect of side chain length of polycarboxylate dispersant on dispersion of coal-water slurries

ZHU Junfeng, LI Yuanbo, ZHANG Guanghua, WANG Rui
(Key Laboratory of Additives of Chemistry & Technology for Chemical Industry,Ministry of Education;College of Chemistry and Chemical Engineering,Shaanxi University of Science & Technology,Xi’an710021,Shaanxi,China)

Comb-like polycarboxylate dispersants (PC) with different side chain lengths ranging from 8—23 nm were synthesized using esterified macromer of methoxypolyethyleneglycol (MPEG)-acrylic acid (AA), AA and styrene sulfonic sodium (SSS). The molecular structure of PC was analyzed by testing its anionic group content and relative molecular. Experiments were performed to study the influence of the length of PC side chain on dispersion and rheological properties of coal water slurry (CWS). The adsorption behaviors of PC on coal/water interface were analyzed by X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS), which was combined with the Zeta potential and the wettability of PC on coal to investigate the action mechanism of PC dispersions in order to provide the basis for designing more efficient polycarboxylate dispersants. The results showed that the dispersibility of PC500 (n=11) was the best due to its structure of long main chain, short side chains and high anionic group content. The CWS using comb-like PC was represented as pseudoplastic fluid, which was best matched with Herschel-Bulkley model. The monolayer adsorption of PC500 on the coal surface possessed the highest adsorption density (0.638 mg·m−2) as well as the maximum thickness (4.20 nm) with better wettability and the highest Zetapotential on coal. PC500 wearing the proper length of the side chain played the steric hindrance and electrostatic repulsion to disperse CWS by balancing adsorption thickness and Zeta potential. PC500 with the right length of the side chain can reduce Gibbs of CWS to weaken “reunion” among the coal particles while improving dispersibility of CWS.

comb-like polycarboxylate; side chain length; rheology; adsorption; dispersion; coal-water slurry

ZHANG Guanghua, yuanbolee2012@163.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20141817

TQ 536.9

：A

：0438—1157（2015）10—4202—09

2014-12-09收到初稿，2015-05-06收到修改稿。

联系人：张光华。

：朱军峰（1978—），男，讲师。

国家自然科学基金项目（21176148，21303098）；陕西省科技厅自然科学基金项目（2014JM2040）；陕西省教育厅专项科研项目（14JK1095）。

Received date: 2015-12-09.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (21176148, 21303098), the Natural Science Foundation of Shaanxi Province (2014JM2040) and the Scientific Subject Foundation of the Education Department of Shaanxi Provincial Government (14JK1095).