CN113430022A - 用废旧聚苯乙烯磺化制备聚苯乙烯磺酸钠的方法及其在水煤浆中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用废旧聚苯乙烯磺化制备聚苯乙烯磺酸钠及其在水煤浆中应用，包括以下步骤：步骤1，将废旧聚苯乙烯泡沫清洗并干燥；步骤2，将步骤1干燥后的废旧聚苯乙烯泡沫和有机溶剂加入容器中，机械搅拌使其完全溶解；步骤3，在步骤2得到的溶液中加入磺化剂，待磺化剂降解后，升温，进行磺化反应；步骤4，磺化反应结束后，利用旋蒸仪回收有机溶剂，在反应产物中加入氢氧化钠水溶液，制得聚苯乙烯磺酸钠溶液。本发明提供了一种利用废旧聚苯乙烯制备聚苯乙烯磺酸钠可以作为水煤浆添加剂实现煤的资源清洁化利用，实现了变废为宝，社会效益和生态效益显著。本发明的制备方法具有操作简单，流程短，工业应用价值强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用废旧聚苯乙烯泡沫制备聚苯乙烯磺酸钠及其在水煤浆中应用的方法，属于废物加工利用领域。
背景技术
水煤浆是将具有一定粒径分布的煤粉分散于水中制成的高浓度煤/水分散体系，是一种经济洁净的液体燃料。高效的水煤浆添加剂能够使煤浆有良好的流动性和同等粘度下更高的成浆浓度。水煤浆添加剂种类众多，主要有萘系、木质素、磺化聚苯乙烯等。其中磺化聚苯乙烯能显著提高成浆浓度，浆体稳定性和减少添加剂用量。但磺化聚苯乙烯成本较高，严重制约了其产业化。
近年来，废旧(PS)使用量越来越大,废弃物日益增多,给环境造成严重污染。利用其作为原料制备聚苯乙烯磺酸钠不但治理了污染,保护了环境,而且降低了制备聚苯乙烯磺酸钠的成本，更可以作为水煤浆添加剂实现煤的资源化利用。
现有的废旧聚苯乙烯磺化技术采用大量浓硫酸，但浓硫酸会在磺化过程中浓度降低并产生大量水分，造成磺化度降低。但作为水煤浆添加剂的聚苯乙烯磺酸钠，其磺化度在百分之60左右时，具有显著的空间位阻和静电效应，使得其对水煤浆的成浆性稳定性最好。
利用废旧泡沫聚苯乙烯在浓硫酸存在下进行磺化反应制备絮凝剂和在高温下进行碳化制备活性炭的研究已有报道(C.Grossi,et.al,Fuel,2010,89:257-259；王喜超，姜日善，化学研究与应用，2010，22(6)：770-773)。但以少量的浓硫酸对废旧聚苯乙烯泡沫进行降解磺化，制备一种部分溶于水、两亲性的的水煤浆添加剂的研究还未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种用废旧聚苯乙烯磺化制备聚苯乙烯磺酸钠的方法及其在水煤浆中的应用，制备的聚苯乙烯磺酸钠可以作为水煤浆添加剂，以实现煤的资源清洁化利用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用废旧聚苯乙烯磺化制备聚苯乙烯磺酸钠的方法，包括以下步骤：
步骤1，将废旧聚苯乙烯泡沫清洗并干燥；
步骤2，将步骤1干燥后的废旧聚苯乙烯泡沫和有机溶剂加入容器中，机械搅拌使其完全溶解；
步骤3，在步骤2得到的溶液中加入磺化剂，待磺化剂降解后，升温，进行磺化反应；
步骤4，磺化反应结束后，利用旋蒸仪回收有机溶剂，在反应产物中加入氢氧化钠水溶液，制得聚苯乙烯磺酸钠溶液。
所述步骤1中，将废旧聚苯乙烯泡沫放在烘箱内以105℃干燥2h。
所述步骤2中，废旧聚苯乙烯泡沫和有机溶剂加入容器中后升温至70℃。
所述步骤2中，有机溶剂为1,2-二氯乙烷、1,1,,2-三氯乙烷、环己烷的一种。
所述步骤3中，磺化剂为浓硫酸、发烟酸、氯磺酸的一种。
所述步骤3中，磺化剂与废旧聚苯乙烯泡沫的摩尔比为1/2-1/2.5，磺化剂分两次加入，第一次加入一半的磺化剂，5min后加入剩下的磺化剂。
所述步骤3中，溶液温度控制在70℃持续30-50min使磺化剂降解，然后升温至75-85℃进行磺化反应1-4，优选为2-3h。
所述步骤3中，所述步骤4中，以质量浓度为10％的氢氧化钠水溶液中和调节pH 至8-10。
所述聚苯乙烯磺酸钠能够作为水煤浆添加剂，以实现煤的资源化利用。
有益效果：本发明所得到的聚苯乙烯磺酸钠磺化度在百分之60-70，可用作水煤浆添加剂，可以使得水煤浆同等粘度下浓度提高百分之2左右，从而大幅提高后续化工原料产物一氧化碳和氢气的产量。大幅降低了聚苯乙烯磺酸钠的制备成本，同时为废旧聚苯乙烯的开发和利用提供了一种新的途径。与现有的废旧聚苯乙烯泡沫磺化降解方法相比，本发明提供了一种利用废旧聚苯乙烯制备聚苯乙烯磺酸钠可以作为水煤浆添加剂实现煤的资源清洁化利用，实现了变废为宝，社会效益和生态效益显著。本发明的制备方法具有操作简单，流程短，工业应用价值强等优点。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做更进一步的解释。根据下述实施例，可以更好的理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1：
将废旧聚苯乙烯泡沫清洗，然后放在烘箱内以105℃干燥2h。将5g干燥后的废旧聚苯乙烯泡沫和30g 1,2-二氯乙烷加入三颈烧瓶中，升温至70℃，机械搅拌使其完全溶解。分两次加入8g质量浓度为98％的浓硫酸，第一次加入一半的浓硫酸，5min后加入剩下的浓硫酸，在温度70℃下降解30min。随后升温至85℃并进行磺化反应3h。反应结束后用旋蒸仪减压蒸馏除去溶剂，加入质量浓度为10％的氢氧化钠水溶液，直到pH 调至8-10，制得聚苯乙烯磺酸钠溶液，并将其作为高性能水煤浆添加剂，记作PSS添加剂。
随后进行成浆实验，按照国家干法制浆标准，在250mL烧杯中加入设定好的水和上述步骤制备得到的PSS添加剂，边搅拌边加入已经称好的山东煤干粉，加完后再搅拌5min，制得相应的水煤浆。目测浆体流动性和稳定性，再用粘度计测量粘度，发现煤浆有良好的流动性、稳定性和同等粘度下更高的成浆浓度，显著提高浆体稳定性和减少添加剂用量。
实施例2：
将废旧聚苯乙烯泡沫清洗，然后放在烘箱内以105℃干燥2h。将5g干燥后的废旧聚苯乙烯泡沫和30g 1,1,,2-三氯乙烷加入三颈烧瓶中，升温至70℃，机械搅拌使其完全溶解。分两次加入7g质量浓度为98％的发烟酸，第一次加入一半的发烟酸，5min后加入剩下的发烟酸，在温度70℃下降解30min。随后升温至75℃并进行磺化反应2.5h。反应结束后用旋蒸仪减压蒸馏除去溶剂，加入质量浓度为10％的氢氧化钠水溶液，直到 pH调至8-10，制得聚苯乙烯磺酸钠溶液，并将其作为高性能水煤浆添加剂，记作PSS 添加剂。
随后进行成浆实验，按照国家干法制浆标准，在250mL烧杯中加入设定好的水和上述步骤制备的PSS添加剂，边搅拌边加入已经称好的山东煤干粉，加完后再搅拌5min，制得相应的水煤浆。目测浆体流动性和稳定性，再用粘度计测量粘度，发现煤浆有良好的流动性、稳定性和同等粘度下更高的成浆浓度，显著提高浆体稳定性和减少添加剂用量。
实施例3：
将废旧聚苯乙烯泡沫清洗，然后放在烘箱内以105℃干燥2h。将5g干燥后的废旧聚苯乙烯泡沫和30g环己烷加入三颈烧瓶中，升温至70℃，机械搅拌使其完全溶解。分两次加入6g质量浓度为98％的氯磺酸，第一次加入一半的氯磺酸，5min后加入剩下的氯磺酸，在温度70℃下降解30min。随后升温至80℃并进行磺化反应反应2h。反应结束后用旋蒸仪减压蒸馏除去溶剂，加入质量浓度为10％的氢氧化钠水溶液，直到pH 调至8-10，制得聚苯乙烯磺酸钠溶液，并将其作为高性能水煤浆添加剂，记作PSS添加剂。
随后进行成浆实验，按照国家干法制浆标准，在250mL烧杯中加入设定好的水和上述步骤制备的PSS添加剂，边搅拌边加入已经称好的山东煤干粉，加完后再搅拌5min，制得相应的水煤浆。目测浆体流动性和稳定性，再用粘度计测量粘度，发现煤浆有良好的流动性、稳定性和同等粘度下更高的成浆浓度，显著提高浆体稳定性和减少添加剂用量。
实施例4：
将废旧聚苯乙烯泡沫清洗，然后放在烘箱内以105℃干燥2h。将5g干燥后的废旧聚苯乙烯泡沫和30g 1,2-二氯乙烷加入三颈烧瓶中，升温至70℃，机械搅拌使其完全溶解。分两次加入8g质量浓度为98％的浓硫酸，第一次加入一半的浓硫酸，5min后加入剩下的浓硫酸，在温度70℃下降解30min。随后升温至85℃并进行磺化反应3h。反应结束后用旋蒸仪减压蒸馏除去溶剂，加入质量浓度为10％的氢氧化钠水溶液，直到pH 调至8-10，制得聚苯乙烯磺酸钠溶液，并将其作为高性能水煤浆添加剂，记作PSS添加剂。
随后进行成浆实验，按照国家干法制浆标准，在250mL烧杯中加入设定好的水和上述步骤制备的PSS添加剂，边搅拌边加入已经称好的榆林煤干粉，加完后再搅拌5min，制得相应的水煤浆。目测浆体流动性和稳定性，再用粘度计测量粘度，发现煤浆有良好的流动性、稳定性和同等粘度下更高的成浆浓度，显著提高浆体稳定性和减少添加剂用量。
实施例5：
将废旧聚苯乙烯泡沫清洗，然后放在烘箱内以105℃干燥2h。将5g干燥后的废旧聚苯乙烯泡沫和30g 1,1,,2-三氯乙烷加入三颈烧瓶中，升温至70℃，机械搅拌使其完全溶解。分两次加入7g质量浓度为98％的发烟酸，第一次加入一半的发烟酸，5min后加入剩下的发烟酸，在温度70℃下降解30min。随后升温至75℃并进行磺化反应2.5h。反应结束后用旋蒸仪减压蒸馏除去溶剂，加入质量浓度为10％的氢氧化钠水溶液，直到 pH调至8-10，制得聚苯乙烯磺酸钠溶液，并将其作为高性能水煤浆添加剂，记作PSS 添加剂。
随后进行成浆实验，按照国家干法制浆标准，在250ml烧杯中加入设定好的水和上述步骤制备的PSS添加剂，边搅拌边加入已经称好的榆林煤干粉，加完后再搅拌5min，制得相应的水煤浆。目测浆体流动性和稳定性，再用粘度计测量粘度，发现煤浆有良好的流动性、稳定性和同等粘度下更高的成浆浓度，显著提高浆体稳定性和减少添加剂用量。
实施例6：
将废旧聚苯乙烯泡沫清洗，然后放在烘箱内以105℃干燥2h。将5g干燥后的废旧聚苯乙烯泡沫和30g环己烷加入三颈烧瓶中，升温至70℃，机械搅拌使其完全溶解。分两次加入6g质量浓度为98％的氯磺酸，第一次加入一半的氯磺酸，5min后加入剩下的氯磺酸，在温度70℃下降解30min。随后升温至80℃并进行磺化反应2h。反应结束后用旋蒸仪减压蒸馏除去溶剂，加入质量浓度为10％的氢氧化钠水溶液，直到pH调至 8-10，制得聚苯乙烯磺酸钠溶液，并将其作为高性能水煤浆添加剂，记作PSS添加剂。
随后进行成浆实验，按照国家干法制浆标准，在250mL烧杯中加入设定好的水和上述步骤制备的PSS添加剂，边搅拌边加入已经称好的榆林煤干粉，加完后再搅拌5min，制得相应的水煤浆。目测浆体流动性和稳定性，再用粘度计测量粘度，发现煤浆有良好的流动性、稳定性和同等粘度下更高的成浆浓度，显著提高浆体稳定性和减少添加剂用量。
实施例7：
进行不同煤种不同添加剂的成浆实验，按照国家干法制浆标准，在两个250mL烧杯中加入设定好的水和萘系添加剂，边搅拌边分别加入已经称好的山东煤和榆林煤干粉，加完后再搅拌5min，制得相应的水煤浆。目测浆体流动性和稳定性，再用粘度计测量粘度，发现煤浆流动性、稳定性一般和同等粘度下较低的成浆浓度。
实施例8：
进行不同煤种不同添加剂的成浆实验，按照国家干法制浆标准，在两个250mL烧杯中加入设定好的水和木质素添加剂，边搅拌边分别加入已经称好的山东煤和榆林煤干粉，加完后再搅拌5min，制得相应的水煤浆。目测浆体流动性和稳定性，再用粘度计测量粘度，发现煤浆流动性、稳定性一般和同等粘度下较低的成浆浓度。
不同煤种不同添加剂的成浆实验结果如表1所示。
表1
| 煤种 | 添加剂 | 流动性 | 稳定性 | 成浆浓度 |
| 山东煤 | PSS | A | A | 高 |
| 山东煤 | 木质素 | B | B | 低 |
| 山东煤 | 萘系 | B | B | 低 |
| 榆林煤 | PSS | A | A | 高 |
| 榆林煤 | 木质素 | B | B | 低 |
| 榆林煤 | 萘系 | B | B | 低 |
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用废旧聚苯乙烯磺化制备聚苯乙烯磺酸钠的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，将废旧聚苯乙烯泡沫清洗并干燥；
步骤2，将步骤1干燥后的废旧聚苯乙烯泡沫和有机溶剂加入容器中，机械搅拌使其完全溶解；
步骤3，在步骤2得到的溶液中加入磺化剂，待磺化剂降解后，升温，进行磺化反应；
步骤4，磺化反应结束后，利用旋蒸仪回收有机溶剂，在反应产物中加入氢氧化钠水溶液，制得聚苯乙烯磺酸钠溶液。
2.根据权利要求1所述的用废旧聚苯乙烯磺化制备聚苯乙烯磺酸钠的方法，其特征在于：所述步骤1中，将废旧聚苯乙烯泡沫放在烘箱内以105℃干燥2h。
3.根据权利要求1所述的用废旧聚苯乙烯磺化制备聚苯乙烯磺酸钠的方法，其特征在于：所述步骤2中，废旧聚苯乙烯泡沫和有机溶剂加入容器中后升温至70℃。
4.根据权利要求1或3所述的用废旧聚苯乙烯磺化制备聚苯乙烯磺酸钠的方法，其特征在于：所述步骤2中，有机溶剂为1,2-二氯乙烷、1,1,,2-三氯乙烷、环己烷的一种。
5.根据权利要求1所述的用废旧聚苯乙烯磺化制备聚苯乙烯磺酸钠的方法，其特征在于：所述步骤3中，磺化剂为浓硫酸、发烟酸、氯磺酸的一种。
6.根据权利要求1所述的用废旧聚苯乙烯磺化制备聚苯乙烯磺酸钠的方法，其特征在于：所述步骤3中，磺化剂与废旧聚苯乙烯泡沫的摩尔比为1/2-1/2.5，磺化剂分两次加入，第一次加入一半的磺化剂，5min后加入剩下的磺化剂。
7.根据权利要求1所述的用废旧聚苯乙烯磺化制备聚苯乙烯磺酸钠的方法，其特征在于：所述步骤3中，溶液温度控制在70℃持续30-50min使磺化剂降解，然后升温至75-85℃进行磺化反应1-4h。
8.根据权利要求1所述的用废旧聚苯乙烯磺化制备聚苯乙烯磺酸钠的方法，其特征在于：所述步骤3中，所述步骤4中，以质量浓度为10％的氢氧化钠水溶液中和调节pH至8-10。
9.权利要求1所述的方法制备的聚苯乙烯磺酸钠作为水煤浆添加剂的应用。
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