一种纤维素基分散剂及其制备方法和应用、水煤浆

技术领域

本发明属于助剂技术领域，特别涉及一种纤维素基分散剂及其制备方法和应用、水煤浆。

背景技术

水煤浆是一种煤基清洁流化燃料，通常由60～75wt.％的煤粉，24～39wt.％的水和1wt.％的分散剂组成。目前，水煤浆的分散剂种类包括合成聚合物、天然化合物及天然化合物衍生物。其中，合成聚合物分散剂(例如萘磺酸甲醛缩合物、多元羧酸或磺化丙酮-甲醛)的制备方法通常需要大量化石材料价格高昂，例如，萘磺酸甲醛缩合物的合成通常需要以萘、硫酸和甲醛为主要原料；天然化合物分散剂(例如木质素或羧甲基纤维素)以及天然化合物分散剂衍生物具有来源丰富、成本低廉的优点，但是，天然分散剂分散性能差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种纤维素基分散剂及其制备方法，由本发明提供的制备方法得到的纤维素基分散剂价格分散性能优良、静态稳定性好。

为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种纤维素基分散剂的制备方法，包括以下步骤：

将羧甲基纤维素和2-溴异丁酰溴在有机溶剂中混合进行酰化反应，得到引发剂；

在催化剂存在条件下，将所述引发剂和苯乙烯磺酸钠混合进行原子转移自由基共聚反应，得到所述纤维素基分散剂。

优选的，所述羧甲基纤维素和2-溴异丁酰溴的摩尔比为(0.8～1)：(1.2～1.5)。

优选的，所述羧甲基纤维素和2-溴异丁酰溴在有机溶剂中的混合为将2-溴异丁酰溴滴加入羧甲基纤维素的有机溶液中，所述羧甲基纤维素的有机溶液包括羧甲基纤维素和有机溶剂；所述滴加的温度为-5～5℃，所述滴加的速率为5～8mL/min。

优选的，所述酰化反应的温度为18～40℃，时间为5～10h。

优选的，所述引发剂和苯乙烯磺酸钠的摩尔比为(0.5～0.8)：(2～2.4)。

优选的，所述原子转移自由基共聚反应的条件包括：pH值为8～11；温度为50～70℃，时间为7～10h。

优选的，所述催化剂为铜催化剂、钴催化剂或镍催化剂。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备的纤维素基分散剂，所述纤维素基分散剂具有纤维素骨架和聚苯乙烯磺酸钠侧链。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备的纤维素基分散剂或上述技术方案所述纤维素基分散剂在水煤浆中的应用。

本发明还提供了一种水煤浆，包括煤粉、水和分散剂，所述分散剂为上述技术方案所述制备方法制备的纤维素基分散剂或上述技术方案所述的纤维素基分散剂。

本发明提供了一种纤维素基分散剂的制备方法，包括以下步骤：将羧甲基纤维素和2-溴异丁酰溴在有机溶剂中混合进行酰化反应，得到引发剂；在催化剂存在条件下，将所述引发剂和苯乙烯磺酸钠混合进行原子转移自由基共聚反应，得到所述纤维素基分散剂。本发明首先以羧甲基纤维素和2-溴异丁酰溴在有机溶剂中酰化合成引发剂，然后以苯乙烯磺酸钠为单体，利用引发剂引发原子转移自由基共聚反应，在羧甲基纤维素上接枝聚苯乙烯磺酸基团，得到具有纤维素骨架和聚苯乙烯磺酸钠侧链的纤维素基分散剂。在本发明中，制备得到的纤维素基分散剂是以纤维素结构为主链，在纤维素结构主链的侧链中引入能够增强煤颗粒静电斥力的阴离子基团磺酸基团，能够更好的吸附到煤颗粒表面，增加煤颗粒表面的电负性，增加静电斥力；酯基侧链分散在水煤浆体系中,与水分子形成氢键结合，有利于增强分散剂的亲水特性，更加有利于浆体的稳定；纤维素结构主链的侧链中单体的芳环结构也能增加空间位阻作用力，使得煤颗粒不容易聚集，分散在水体系中，形成稳定的水煤浆。

实施例测试结果显示，本发明提供的制备方法得到的纤维素基分散剂黏度优异、静态稳定性好，具有良好的水煤浆分散效果，且可以明显降低水煤浆中分散剂的用量，节省成本。

具体实施方式

本发明提供了一种纤维素基分散剂的制备方法，包括以下步骤：

将羧甲基纤维素和2-溴异丁酰溴在有机溶剂中混合进行酰化反应，得到引发剂；

在催化剂存在条件下，将所述引发剂和苯乙烯磺酸钠混合进行原子转移自由基共聚反应，得到所述纤维素基分散剂。

在本发明中，若无特殊说明，所述制备方法中各组分采用本领域技术人员熟知的市售商品。

本发明将羧甲基纤维素和2-溴异丁酰溴在有机溶剂中混合进行酰化反应，得到引发剂。

在本发明中，所述羧甲基纤维素和2-溴异丁酰溴的摩尔比优选为(0.8～1)：(1.2～1.5)，更优选为(0.85～0.95)：(1.25～1.45)。在本发明中，所述有机溶剂优选为氯代甲烷，更优选为CH

在本发明中，所述羧甲基纤维素和2-溴异丁酰溴在有机溶剂中的混合优选为将羧甲基纤维素溶解于有机溶剂中，得到羧甲基纤维素的有机溶液，然后将2-溴异丁酰溴滴加入羧甲基纤维素的有机溶液中。在本发明中，所述羧甲基纤维素的有机溶液中羧甲基纤维素的质量百分比浓度优选为1～10％。在本发明中，所述滴加的温度优选为-5～5℃，更优选为-4～4℃。在本发明中，所述滴加的速率优选为5～8mL/min，更优选为5.5～7.5mL/min。

在本发明中，所述酰化反应的温度优选为18～40℃，更优选为20～30℃；时间优选为5～10h，更优选为6～9h。

在本发明中，进行所述酰化反应的反应体系中优选还包括酰化反应催化剂。在本发明中，所述酰化反应催化剂优选为三乙胺。在本发明中，所述2-溴异丁酰溴和酰化反应催化剂的摩尔比优选为(1.2～1.5)：(0.05～0.1)，更优选为(1.25～1.45)：(0.06～0.09)。

所述酰化反应后，本发明优选将所得固液混合物进行固液分离，将所得固态物质进行干燥，得到引发剂。本发明对所述固液分离没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的固液分离即可，具体的，如过滤。在本发明中，所述干燥的温度优选为45～65℃，更优选为50～60℃；时间优选为30～60min，更优选为35min～40min。

得到引发剂后，在催化剂存在条件下，本发明将所述引发剂和苯乙烯磺酸钠混合进行原子转移自由基共聚反应，得到所述纤维素基分散剂。

在本发明中，所述催化剂优选为铜催化剂、钴催化剂或镍催化剂。在本发明中，所述铜催化剂优选为CuCl、Cu(NO

在本发明中，所述引发剂和苯乙烯磺酸钠的摩尔比优选为(0.5～0.8)：(2～2.4)，更优选为(0.55～0.75)：(2.1～2.3)。

本发明对所述引发剂和苯乙烯磺酸钠的混合没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的混合即可。

进行原子转移自由基共聚反应前，本发明优选将引发剂和苯乙烯磺酸钠形成的混合液进行氮气鼓泡处理。在本发明中，所述氮气鼓泡处理的时间优选为10～50min，更优选为15～45min。在本发明中，所述氮气鼓泡处理中氮气的流量优选为15～30mL/min，更优选为20～25mL/min。本发明通过氮气鼓泡，以鼓泡用作加强传质，起到搅拌作用；氮气为惰性气体，不与溶液发生反应。

在本发明中，所述原子转移自由基共聚反应中反应液的pH值优选为8～11，更优选为8.5～10.5。在本发明中，调节所述原子转移自由基共聚反应中的pH值的pH值调节剂优选包括NaOH或KOH。

在本发明中，所述原子转移自由基共聚反应中的温度优选为50～70℃，更优选为55～65℃；时间优选为7～10h，更优选为7.5～9.5h。

在本发明中，所述原子转移自由基共聚反应的反应体系中优选还包括氧化还原指示剂。在本发明中，所述氧化还原指示剂优选为2,2'-联吡啶。在本发明中，所述氧化还原指示剂用来检测原子转移自由基共聚反应的反应体系中的催化剂金属离子。本发明对所述氧化还原指示剂的用量没有特殊限定，以能够实现对催化剂金属离子的检测为准。

在本发明中，所述原子转移自由基共聚反应的反应体系中的溶剂优选为水，更优选为去离子水。本发明对所述水的用量没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的水的用量即可。在本发明中，所述水调节原子转移自由基共聚反应的反应体系粘稠度，以保证原子转移自由基共聚反应得以进行。

原子转移自由基共聚反应后，本发明优选将所得共聚产物依次进行渗析和干燥，得到所述纤维素基分散剂。

在本发明中，所述渗析的截留分子量优选为1000，渗析的时间优选为2～3h，更优选为2.2～2.8h。本发明通过渗析，除去催化剂和未反应的苯乙烯磺酸钠。

在本发明中，所述干燥优选为冷冻干燥。本发明对所述冷冻干燥没用特殊限定，采用本领域技术人员熟知的冷冻干燥即可。

在本发明的实施例中，所述纤维素基分散剂的制备机理为下式：

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备的纤维素基分散剂，所述纤维素基分散剂具有纤维素骨架和聚苯乙烯磺酸钠侧链。在本发明中，所述聚苯乙烯磺酸钠侧链接枝到纤维素骨架上。在本发明中，所述聚苯乙烯磺酸钠侧链在纤维素骨架上的接枝率优选为50％～60％。

在本发明中，所述纤维素基分散剂的临界胶束浓度为1.5～4.3g/L；表面张力为26.08～39.15mN/m。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备的纤维素基分散剂或上述技术方案所述纤维素基分散剂在水煤浆中的应用。

本发明对所述应用没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的分散剂在水煤浆中的应用即可。

本发明还提供了一种水煤浆，包括煤粉、水和分散剂，所述分散剂为上述技术方案所述制备方法制备的纤维素基分散剂或上述技术方案所述的纤维素基分散剂。

在本发明中，所述水煤浆中的纤维素基分散剂的含量优选为0.8～1.4wt.％，更优选为0.9～1.3wt.％。

在本发明中，所述水煤浆中的煤粉的含量优选为60～70wt.％，更优选为63～67wt.％。

在本发明中，所述水煤浆中含有余量的水。

本发明对所述水煤浆的制备方法没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的水煤浆制备方法即可。在本发明中，所述水煤浆的制备方法优选包括以下步骤：

将分散剂和水混合，得到分散剂水溶液；

在搅拌的条件下，将煤粉加入所述分散剂水溶液中，进行再搅拌，得到所述水煤浆。

在本发明中，所述水优选为蒸馏水。在本发明中，所述搅拌和再搅拌的速率独立地优选为800～1400rpm，更优选为900～1300rpm。在本发明中，所述再搅拌的时间优选为3～15min，更优选为5～10min。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的纤维素基分散剂及其制备方法和应用、水煤浆进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例所用试剂均为市售。

实施例1

以质量份计，将0.8份的羧甲基纤维素、0.07份三乙胺和0.5份CH

将上步骤所得全部引发剂、2.2份的乙烯磺酸钠、0.6份的2,2'-联吡啶和1.2份去离子水混合，采用NaOH调节体系pH值为9～10后对所得混合体系进行氮气鼓泡20min，其中氮气流量为20mL/min，然后向混合体系中加入0.5份催化剂CuCl，50℃保温8h进行原子转移自由基共聚反应，暴露于空气中反应终止，将所得的共聚产物进行蒸馏水渗析(截留分子量为1000)72h后冷冻干燥，得到固体粉末状的所述纤维素基分散剂。

采用表面张力仪，按照GB/T 22237-2008表面活性剂表面张力的测定对本实施例所得纤维素基分散剂进行测试，经测试，本实施例得到的纤维素基分散剂的临界胶束浓度为1.5g/L，表面张力为28.42mN/m。

应用例1

将0.5g实施例1所得纤维素基分散剂和34.5mL蒸馏水，得到分散剂水溶液；

在1200rpm的搅拌条件下，将65g煤粉加入所得分散剂水溶液中，加入完毕后在1200rpm下搅拌5min，得到水煤浆。

经测试，水煤浆的黏度为700mPa·s；体积平均粒径为32.46μm；Zeta电势为-40.5mV；常温常压条件下静置15天的悬浮率为89.95％，无分层。

应用例2

将0.5g实施例1所得纤维素基分散剂和34.5mL蒸馏水，得到分散剂水溶液；

在800rpm的搅拌条件下，将65g煤粉加入所得分散剂水溶液中，加入完毕后在800rpm下搅拌15min，得到水煤浆。

经测试，水煤浆的黏度为685mPa·s；体积平均粒径为35.46μm；Zeta电势为-40.2mV；常温常压条件下静置15天的悬浮率为86.73％，无分层。

应用例3

将0.5g实施例1所得纤维素基分散剂和34.5mL蒸馏水，得到分散剂水溶液；

在1200rpm的搅拌条件下，将65g煤粉加入所得分散剂水溶液中，加入完毕后在1400rpm下搅拌3min，得到水煤浆。

经测试，水煤浆的黏度为715mPa·s；体积平均粒径为33.46μm；Zeta电势为-42.2mV；常温常压条件下静置15天的悬浮率为89.73％，无分层。

实施例2

引发剂的制备方法为：以质量份计，将0.8份的羧甲基纤维素、0.07份三乙胺和0.5份CH

其余技术手段与实施例1相同，得到固体粉末状的所述纤维素基分散剂。

与实施例1的测试方法相同，测得本实施例所得纤维素基分散剂的临界胶束浓度为1.8g/L，表面张力为30.08mN/m。

应用例4

将0.5g实施例2所得纤维素基分散剂和34.5mL蒸馏水，得到分散剂水溶液；

在1200rpm的搅拌条件下，将65g煤粉加入所得分散剂水溶液中，加入完毕后在1200rpm下搅拌5min，得到水煤浆。

经测试，水煤浆的黏度为732mPa·s；体积平均粒径为30.66μm；Zeta电势为-38.5mV；常温常压条件下静置15天的悬浮率为85.38％，无分层。

实施例3

引发剂的制备方法为：以质量份计，将1份的羧甲基纤维素、0.1份三乙胺和0.5份CH

其余技术手段与实施例1相同，得到固体粉末状的所述纤维素基分散剂。

与实施例1的测试方法相同，测得本实施例所得纤维素基分散剂的临界胶束浓度为4.3g/L，表面张力为39.15mN/m。

应用例5

将0.5g实施例3所得纤维素基分散剂和34.5mL蒸馏水，得到分散剂水溶液；

在800rpm的搅拌条件下，将65g煤粉加入所得分散剂水溶液中，加入完毕后在800rpm下搅拌15min，得到水煤浆。

经测试，水煤浆的黏度为550mPa·s；体积平均粒径为62.39μm；Zeta电势为-35.2mV；常温常压条件下静置15天的悬浮率为76.73％，有少量分层。

实施例4

引发剂的制备方法与实施例1相同，得到引发剂；

将所得全部引发剂、2份苯乙烯磺酸钠、0.6份的2,2'-联吡啶和0.72份去离子水混合，采用NaOH调节体系pH值为8～9后对所得混合体系进行氮气鼓泡40min，其中氮气流量为20mL/min，然后向混合体系中加入0.5份催化剂CuCl，70℃保温7h进行原子转移自由基共聚反应，暴露于空气中反应终止，将所得的共聚产物进行蒸馏水渗析(截留分子量为1000)48h后冷冻干燥，得到固体粉末状的所述纤维素基分散剂。

与实施例1的测试方法相同，测得本实施例所得纤维素基分散剂的临界胶束浓度为1.7g/L，表面张力为26.08mN/m。

应用例6

将0.5g实施例4所得纤维素基分散剂和34.5mL蒸馏水，得到分散剂水溶液；

在1200rpm的搅拌条件下，将65g煤粉加入所得分散剂水溶液中，加入完毕后在1400rpm下搅拌3min，得到水煤浆。

经测试，水煤浆的黏度为720mPa·s；体积平均粒径为32.16μm；Zeta电势为-43.5mV；常温常压条件下静置15天的悬浮率为85.53％，无分层。

实施例5

引发剂的制备方法与实施例1相同，得到引发剂；

将所得引发剂、2.4份苯乙烯磺酸钠、0.6份的2,2'-联吡啶和0.72份去离子水混合，采用NaOH调节体系pH值为10～11后对所得混合体系进行氮气鼓泡15min，其中氮气流量为40mL/min，然后向混合体系中加入0.5份催化剂CuCl，55℃保温10h进行原子转移自由基共聚反应，暴露于空气中反应终止，将所得的共聚产物进行蒸馏水渗析(截留分子量为1000)84h后冷冻干燥，得到固体粉末状的所述纤维素基分散剂。

与实施例1的测试方法相同，测得本实施例所得纤维素基分散剂的临界胶束浓度为1.9g/L，表面张力为27.42mN/m。

应用例7

将0.5g实施例5所得纤维素基分散剂和34.5mL蒸馏水，得到分散剂水溶液；

在1200rpm的搅拌条件下，将65g煤粉加入所得分散剂水溶液中，加入完毕后在1400rpm下搅拌3min，得到水煤浆。

经测试，水煤浆的黏度为675mPa·s；体积平均粒径为44.79μm；Zeta电势为-32.8mV；常温常压条件下静置15天的悬浮率为82.58％，无分层。

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。