CN108456282A - 一种皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂及其制备方法，用适量去离子水将全部皂苷溶解在三口烧瓶中，形成5％‑20％的水溶液，然后加入引发剂中的氧化剂，升温并恒温搅拌一定时间；将反应体系降温，调节pH，在该体系加入一定量的X2和还原剂，然后再滴加剩余氧化剂和一定量的X1，滴加完毕后恒温，聚合反应一定时间后将混合产物冷却至室温；常温下，将冷却后的混合产物用NaOH水溶液调节pH，得到合成的接枝共聚物水煤浆分散剂，为棕色澄清乳液，本发明可以明显降低制浆粘度，提高浆体稳定性。

Description

一种皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及水煤浆添加剂技术领域，特别涉及一种皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂及其制备方法。
背景技术
我国煤炭资源丰富，大约70％-80％的能源主要由煤炭提供。因此，减少煤炭燃烧过程中硫化物和灰尘的排放以及提高煤炭的燃烧率，具有极大的节能减排意义。水煤浆是近年来发展的一种清洁的利用煤炭的技术，是将约70％的煤和30％的水以及少量添加剂经过物理加工制成的一种新型煤基代油燃料。由于煤的表面为疏水性，要形成稳定的煤水混合胶体溶液，必须借助分散剂改变煤表面的性质，使煤颗粒能在水中均匀分散。因此，分散剂应该具备以下特点：①稳定性高；②粘度低；③原料易得廉价且不引入新的污染物。同传统燃煤方式相比较，水煤浆表现出许多优点，如高的燃尽率和热效率，低的硫化物和灰尘的排放量，以及综合能耗的显著降低。因而，水煤浆得到越来越广泛的应用。
现有的水煤浆分散剂包括离子型和非离子型。离子型包括阴离子型、阳离子型、两性型，普遍应用的是磺酸盐，如萘磺酸盐、聚羧酸系、木质素磺酸盐以及腐殖酸系等。非离子型分散剂分为以下两类聚氧乙烯系列，如：山梨糖醇聚氧乙烯醚，月桂醇聚氧乙烯醚。这些分散剂存在分散效果不稳定、贮存稳定性差、原料价格昂贵、制作成本高以及使用过程生产对环境造成污染等缺点，不利于节能减排。因此寻求原料来源广泛，价格低廉且环境友好型的分散剂是发展水煤浆技术的重要内容。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂及其制备方法，该水煤浆添加剂的分散效果稳定，可以明显降低制浆粘度，提高浆体稳定性，同时本实验合成原料廉价易得，燃烧后对环境无污染，具有很好的发展前景和很高的性价比。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂，其结构为：
其中m，n＝1～50；
X1结构单元对应的单体为以下其中一种：
X2结构单元对应的单体为以下其中一种：
所述分散剂的反应物料按照质量分数计皂苷40％-60％，混合单体35％-50％，引发剂1％-10％进行配比；混合单体为X1和X2，引发剂(包含氧化剂和还原剂)为过氧化氢-硫酸亚铁、辣根过氧化物酶HRP-H2O2、高锰酸钾-柠檬酸、过硫酸铵-亚硫酸氢钠中的一种。
一种皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：
氧化皂苷：用适量去离子水将全部皂苷溶解在三口烧瓶中，形成5％-20％的水溶液，然后加入引发剂中的氧化剂，升温并恒温搅拌一定时间；
步骤二：
聚合反应：将步骤一中反应体系降温，调节pH，在该体系加入一定量的X2和还原剂，然后再滴加剩余氧化剂和一定量的X1，滴加完毕后恒温，聚合反应一定时间后将混合产物冷却至室温；
步骤三
中和过程：常温下，将步骤二中冷却后的混合产物用NaOH水溶液调节pH，得到合成的接枝共聚物水煤浆分散剂，为棕色澄清乳液。
所述的分散剂反应物料按照质量分数计皂苷40％-60％，混合单体35％-50％，引发剂1％-10％进行配比。
所述的引发剂中氧化剂与还原剂摩尔之比为1:1-4:1。
所述的步骤一中所用氧化剂为氧化剂总质量的30％-50％。
所述的步骤一中的氧化剂的滴加时间为15-40min。
所述的步骤一中反应温度在80-100℃之间，恒温反应时间为20-40min。
所述的步骤一中皂苷和步骤二中混合单体的摩尔比为1:5-1:40。
所述的步骤一中去离子水(溶剂)的质量与步骤二中混合单体的质量比为1:1-2.5:1。
所述的步骤二中调节pH在8-9之间。
所述的步骤二中反应时间为4-6h。
所述的步骤二中聚合温度为70-90℃。
所述的步骤二中混合单体之间的摩尔比为1:1-1:1.5。
所述的步骤三中调节pH在7-9之间。
所述的步骤三中NaOH水溶液浓度为20％-40％。
所述的X2为烯丙基磺酸钠、甲基乙烯磺酸钠、乙烯基苯磺酸钠和2,2-二甲基-2-丙烯酰胺乙烷磺酸钠；所述的X1为丙烯酸、马来酸酐、甲基丙烯酸酯和甲基丙烯酸。
本发明的有益效果：
以天然皂苷、羧酸类单体X1和磺酸类单体X2为原料，采用氧化还原引发体系，通过接枝共聚合成一种新型水煤浆分散剂。在皂苷的分子链中引入阴离子基团——磺酸基和羧基作为侧链，在分子中提供静电斥力分散作用。本发明合成的皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂，与现有技术相比，具有很多独特的优点，是配制高浓度、低黏度、高稳定性水煤浆的良好方法。同时本实验合成原料廉价易得，能降低水煤浆气化、燃烧过程中污染物排放，具有很好的发展前景和很高的性价比。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一：
首先将去离子水和3.5g皂苷溶解在三口烧瓶中制成质量分数为7％的皂苷去离子水溶液，然后加入0.075g过硫酸铵，在90℃下加热搅拌，使之反应30min；降温至80℃，调节pH为8，在三口烧瓶中先加入1.9g烯丙基磺酸钠和0.093g亚硫酸氢钠的混合溶液，后加入0.11g过硫酸铵和1.3g丙烯酸混合溶液，反应4h后，将混合产物冷却至室温；常温下，将产物用质量分数20％的NaOH水溶液调节pH至7.0，得到皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂。
实施例二:
首先将去离子水和4g皂苷溶解在三口烧瓶中制成质量分数为9％的皂苷去离子水溶液，然后加入0.084g高锰酸钾，在88℃下加热搅拌，使之反应25min；降温至78℃，调节pH为8.4，在三口烧瓶中先加入1.76g取代甲基乙烯磺酸钠和0.098g柠檬酸的混合溶液，后加入0.14g高锰酸钾和1.42g马来酸酐混合溶液，反应4.5h后，将混合产物冷却至室温；常温下，将产物用质量分数30％的NaOH水溶液调节pH至7.5，得到皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂。
实施例三:
首先将去离子水和3.9g皂苷溶解三口烧瓶中制成质量分数为8％的皂苷去离子水溶液，然后加入0.076g辣根过氧化物酶HPR，在85℃下加热搅拌，使之反应25min；降温至83℃，调节pH为8.9，在三口烧瓶中先加入1.88g对乙烯基苯磺酸钠和0.095g过氧化氢的混合溶液，后加入0.11g辣根过氧化物酶HPR和1.54g甲基丙烯酸酯混合溶液，反应4.3h后，将混合产物冷却至室温；常温下，将产物用质量分数25％的NaOH水溶液调节pH至8.0，得到皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂。
实施例四:
首先将去离子水和4.5g皂苷溶解三口烧瓶中制成质量分数为15％的皂苷去离子水溶液，然后加入0.087g过氧化氢，在90℃下加热搅拌，使之反应33min；降温至85℃，调节pH为8.3，在三口烧瓶中先加入2.24g 2,2-二甲基-2-丙烯酰胺乙烷磺酸钠和0.099g硫酸亚铁的混合溶液，后加入0.14g过氧化氢和2.01g甲基丙烯酸混合溶液，反应4.8h后，将混合产物冷却至室温；常温下，将产物用质量分数22％的NaOH水溶液调节pH至8.5，得到皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂。
实施例五:
首先将去离子水和4.1g皂苷溶解在三口烧瓶中制成质量分数为10％的皂苷去离子水溶液，然后加入0.081g过硫酸铵，在95℃下加热搅拌，使之反应35min；降温至82℃，调节pH为8.1，在三烧瓶中先加入1.98g烯丙基磺酸钠和0.096g亚硫酸氢钠的混合溶液，后加入0.13g过硫酸铵和1.75g丙烯酸混合溶液，反应4.6h后，将混合产物冷却至室温；常温下，将产物用质量分数24％的NaOH水溶液调节pH至8.3，得到皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂。
实施例六:
首先将去离子水和3.8g皂苷溶解在三口烧瓶中制成质量分数为7％的皂苷去离子水溶液，然后加入0.076g过氧化氢，在90℃下加热搅拌，使之反应33min；降温至87℃，调节pH为8.7，在三口烧瓶中先加入2.03g 2,2-二甲基-2-丙烯酰胺乙烷磺酸钠和0.090g硫酸亚铁的混合溶液，后加入0.12g过氧化氢和1.56g丙烯酸酯混合溶液，反应5.5h后，将混合产物冷却至室温；常温下，将产物用质量分数32％的NaOH水溶液调节pH至7.7，得到皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂。
以上所述不是本发明全部或唯一实施方案，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效变换均为本发明的权利要求所涵盖。
表1实例应用性能
选用黄陵煤为研究对象，按照国标GB/T18856.4-2008水煤浆试验方法，通过破碎、磨矿、筛选和级配，搅拌均匀后制得相同浓度的水煤浆(质量分数63.5％)800g，煤的粒径级配：D(0.5)＝22μm；D(0.9)＝110μm；<75μm＝80％；<5μm＝20％；平均粒径＝45μm。皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂(固含量折合为质量百分30％来计算)添加量为占干煤质量的0.30％，皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂对黄陵煤的制浆性能测试结果如下表1所示，析水率为体积百分数，由表1可以看出，本发明所述的皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂在7天、14天的分散效果稳定，且效果优于萘系分散剂。
一种皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂及其制备方法，其所述方法采用的原料组成及其含量以质量分数计为：皂苷40％-60％，混合单体35％-50％，引发剂1％-10％所述方法是：首先将质量分数为5％-20％的皂苷去离子水溶液加入三口烧瓶升温至80-100℃，然后加入水溶性引发剂中的氧化剂，恒温搅拌，反应20-40min；降温至70-90℃，调节pH至8-9，在三口烧瓶中先加入一定量的X2、再加入水溶性引发剂中的还原剂，后加入剩余氧化剂和一定量的X1，滴加完毕后恒温反应4-6h，将混合产物冷却到室温；常温下，将产物用20-40％的NaOH水溶液调节pH至7-9，出料得棕色澄清乳液，即为皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂。
皂苷又称为碱皂体，是糖苷类的一种，以多环式化合物为配基的配糖体的总称，广泛存在于植物体内，具有储量大，来源广，廉价易得等优点。且皂苷是一种很强的表面活性剂，其上具有活泼的基团，与煤的结构有很多相似之处，通过接枝共聚对其进行改性，得到一种天然产物基分散剂，用于低阶煤制水煤浆，可获得较高的制浆浓度。在皂苷的分子链中引入阴离子基团磺酸基和羧基，形成吸附锚固点，同时提供静电斥力。所制得的皂苷接枝聚合物水煤浆分散剂具有很多独特的优点，适用于配制高浓度、低黏度、高稳定性的水煤浆分散剂。此方法操作简单，原料廉价易得，且制得的成品性能优于市售的分散剂。

Claims (9)

1.一种皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂，其特征在于，所述皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂的结构为：
其中m，n＝1～50；
X1结构单元对应的单体为以下其中一种：
X2结构单元对应的单体为以下其中一种：
2.根据权利要求一种皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂，其特征在于，所述分散剂的反应物料按照质量分数计皂苷40％-60％，混合单体35％-50％，引发剂1％-10％进行配比；混合单体为X1和X2，引发剂包含氧化剂和还原剂，引发剂为过氧化氢-硫酸亚铁、辣根过氧化物酶HRP-H2O2、高锰酸钾-柠檬酸、过硫酸铵-亚硫酸氢钠中的一种。
3.权利要求1所述皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：
氧化皂苷：用适量去离子水将全部皂苷溶解在三口烧瓶中，形成5％-20％的水溶液，然后加入引发剂中的氧化剂，升温并恒温搅拌一定时间；
步骤二：
聚合反应：将步骤一中反应体系降温，调节pH，在该体系加入一定量的X2和还原剂，然后再滴加剩余氧化剂和一定量的X1，滴加完毕后恒温，聚合反应一定时间后将混合产物冷却至室温；
步骤三
中和过程：常温下，将步骤二中冷却后的混合产物用NaOH水溶液调节pH，得到合成的接枝共聚物水煤浆分散剂为棕色澄清乳液。
4.根据权利要求3所述的一种皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂的制备方法，其特征在于，所述的分散剂反应物料按照质量分数计皂苷40％-60％，混合单体35％-50％，引发剂1％-10％进行配比。
5.根据权利要求3所述的一种皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂的制备方法，其特征在于，所述的引发剂中氧化剂与还原剂摩尔之比为1:1-4:1。
6.根据权利要求3所述的一种皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂的制备方法，其特征在于，所述的步骤一中所用氧化剂为氧化剂总质量的30％-50％；
所述的步骤一中的氧化剂的滴加时间为15-40min；
所述的步骤一中反应温度在80-100℃之间，恒温反应时间为20-40min；
所述的步骤一中皂苷和步骤二中混合单体的摩尔比为1:5-1:40；
所述的步骤一中去离子水的质量与步骤二中混合单体的质量比为1:1-2.5:1。
7.根据权利要求3所述的一种皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂的制备方法，其特征在于，所述的步骤二中调节pH在8-9之间；
所述的步骤二中反应时间为4-6h；
所述的步骤二中聚合温度为70-90℃；
所述的步骤二中混合单体之间的摩尔比为1:1-1:1.5。
8.根据权利要求3所述的一种皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂的制备方法，其特征在于，所述的步骤三中调节pH在7-9之间；
所述的步骤三中NaOH水溶液浓度为20％-40％。
9.根据权利要求3所述的一种皂苷接枝共聚物水煤浆分散剂的制备方法，其特征在于，所述的X2为烯丙基磺酸钠、甲基乙烯磺酸钠、乙烯基苯磺酸钠或2,2-二甲基-2-丙烯酰胺乙烷磺酸钠；所述的X1为丙烯酸、马来酸酐、甲基丙烯酸酯或甲基丙烯酸。
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