表面活性劑在煤炭工業(yè)中的應(yīng)用
隨著人們對(duì)低碳經(jīng)濟(jì)和全球氣候的關(guān)注，煤炭能源的合理利用和節(jié)能減排措施越來(lái)越顯得重要，介紹有關(guān)將是非常必要和適時(shí)的。表面活性劑已在煤加工技術(shù)中應(yīng)用了很長(zhǎng)一段時(shí)期，但是對(duì)于一些基本現(xiàn)象的基礎(chǔ)研究才剛剛開(kāi)始。目前，由于能源問(wèn)題日益緊張，因而促進(jìn)了表面活性劑在煤加工技術(shù)中應(yīng)用的廣泛研究，許多實(shí)驗(yàn)室已取得了進(jìn)展并研制出了一系列產(chǎn)品。下面將分別討論這些應(yīng)用。煤表面的潤(rùn)濕
Fuller等人在煤的結(jié)構(gòu)化學(xué)研究中闡述了煤表面的多相性。
由浸漬熱研究證實(shí)：低品位煤比高品位煤吸水性大，從而進(jìn)入的極性質(zhì)點(diǎn)也多。礦物質(zhì)與極性液體如水的作用很強(qiáng)烈。因而釋放出較高的浸漬熱。煤用堿腐蝕后，結(jié)構(gòu)顯著松散，硫化試劑浸入的機(jī)會(huì)大大增加。
煤在液體中的潤(rùn)濕熱可認(rèn)為是煤轉(zhuǎn)化過(guò)程中對(duì)該試劑親和性大小的量度。煤潤(rùn)濕后建立平衡狀態(tài)的速率能用微型量熱計(jì)示蹤測(cè)定。例如，Wightman等人通過(guò)對(duì)C1—C12的正構(gòu)乙醇同系物的研究證明：平衡態(tài)建立的時(shí)間隨著乙醇鏈長(zhǎng)的增加而增加。并建議通過(guò)增長(zhǎng)乙醇鏈長(zhǎng)而降低潤(rùn)濕熱，以限制潤(rùn)濕熱進(jìn)入煤結(jié)構(gòu)的穿透率。
對(duì)于不同種類的煤，測(cè)定其細(xì)小煤粒與水的界面張力和接觸角，對(duì)煤的定向浮選工藝以及更有價(jià)值的油/煤型濃集燃料的制作技術(shù)是很有意義的。
在過(guò)去還沒(méi)有測(cè)定不規(guī)則細(xì)小煤粒接觸角的合適方法。而最近，Neumann等人開(kāi)發(fā)了一種測(cè)定次煤煙微粒(與水)接觸角的新技術(shù)。這項(xiàng)方法考察了粒度在25—300微米范圍內(nèi)的煤微粒在凝固作用前一定量的易凝固物、或者換句話說(shuō)，基體物質(zhì)如萘、聯(lián)苯和鄰苯基苯酚等等的溶解特性，并定量地解釋了凝固作用前期易凝固基體物質(zhì)對(duì)煤粒的浸漬或抑制作用。
Neumann等人用浸潤(rùn)技術(shù)證實(shí)：煤的潤(rùn)浸特性取決于它的碳含量、灰分含量和礦物雜質(zhì)含量。此外，通過(guò)添加表面活性劑使親水性的煤變成較強(qiáng)疏水性的煤。這是煤粒進(jìn)行浮選的必要條件。
煤除塵
利用表面活性劑水溶液改善煤粒的浸潤(rùn)性對(duì)于煤粉塵的控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。非離子表面活性劑，如鄰二甲苯烷基磺酸鈉等在這方面已得到使用。Glanville等人對(duì)影響煤塵潤(rùn)濕速率的各種因素進(jìn)行了探討，結(jié)果證明：用Walket潤(rùn)濕速率實(shí)驗(yàn)測(cè)定的潤(rùn)濕速率主要受溫度煤塵的尺寸組成、以及所用特殊表面活性劑的濃度和分子結(jié)構(gòu)的影響。在10℃--40℃的溫度范圍內(nèi)。潤(rùn)濕速率隨溫度的升高而增加大致呈線性關(guān)系。同樣，在特定溫度下，潤(rùn)濕速率隨煤塵平均粒度的增加也呈線性關(guān)系。
浮選
采礦過(guò)程中得到的煤，混有各種不同顆粒度的粘土。這些粘土很容易從顆粒度大的煤粒表面洗掉，但煤泥中存在一定量的小顆粒煤。泥渣中的這部分煤通常是由泡沫浮選工藝加以回收。這種工藝在很大程度上依賴于煤中有機(jī)或無(wú)機(jī)化合物的不同表面特性。
在煤的泡沫浮選工藝中，泡沫是把空氣通入到煤泥漿中形成的，這樣煤泥漿中含有不純凈的、被除去的極細(xì)煤粒和水。從泥渣或礦石中把煤浮選出來(lái)靠的是其表面的可潤(rùn)濕性和接觸角，該接觸角是固體與氣泡內(nèi)表面接觸產(chǎn)生的夾角。
在浮選工藝中通常使用三種試劑，它們是：(a)浮選促集劑或促進(jìn)劑，(b)改性劑，(c)發(fā)泡劑。浮選促集劑或促進(jìn)劑的作用是促進(jìn)煤粒與氣泡的接觸，即在被浮選的煤粒表面形成一層薄膜，使得煤粒呈疏水性。與此同時(shí)，它必須具有選擇性，在不被浮選的煤粒表面不形成薄膜。浮選促集劑或促進(jìn)劑通常是煤油和燃料油。
而改性劑可能是ph調(diào)節(jié)劑、活化劑、浮選抑制劑、分散劑或絮凝劑。例如，一種有選擇性的陽(yáng)離子型聚合物絮凝劑是二甲胺與環(huán)氧氯丙烷的反應(yīng)物。
發(fā)泡劑是被用來(lái)提供穩(wěn)定的浮選泡沫的，持久穩(wěn)定的泡沫可現(xiàn)煤的分離。但也不能太持久，以致泡沫無(wú)法破裂，還需要進(jìn)行后處理。
水煤漿
運(yùn)輸問(wèn)題已成為煤應(yīng)用中的主要困難之一。固含量大于55﹪的微細(xì)煤的含量泥漿，在通常使用的排漿泵運(yùn)輸時(shí)會(huì)很困難，因?yàn)楫?dāng)體系固含量超過(guò)5﹪時(shí)，水和固體趨向于分離，因而在泵運(yùn)送系統(tǒng)的各個(gè)區(qū)域產(chǎn)生煤的聚集。并且，泥漿的脫水性使泵運(yùn)送系統(tǒng)堵塞和產(chǎn)生滯留。由于水是運(yùn)輸和加工操作過(guò)程中成本費(fèi)用的主要貢獻(xiàn)者，同時(shí)在煤氣化時(shí)，蒸發(fā)裝置需要大量的熱量。因此，減少水泥漿中水的重量百分?jǐn)?shù)是設(shè)想中的理想方案。
人們首先考察煤粒尺寸對(duì)泥漿穩(wěn)定性的影響。Funk設(shè)計(jì)了一種煤---水煤漿：煤的最高含量為75﹪，粘度低于1000cps。這種泥漿具有可長(zhǎng)距離管道輸運(yùn)，并無(wú)需脫水便可直接燃燒的優(yōu)點(diǎn)。它由一種方法制備，該方法中按照一定的粒徑分布公式控制粒徑及其分布。粒徑分布公式對(duì)于提供新型煤坯是非常有用的。這種煤坯按照Alred給出的公式具有一個(gè)粒徑分布。
煤/油分散體系對(duì)于管道和油罐車運(yùn)輸是非常有用的，它能在沒(méi)有改性劑的情況下，于燃油爐中直接燃燒，并且是煤液化工藝過(guò)程中的基本步驟。為保證在鍋爐和加熱爐中，作為燃料油的部分替代物的更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的煤/油混合體具有滿意的可泵送、儲(chǔ)運(yùn)和燃燒特性，穩(wěn)定性是通過(guò)周期性地行為測(cè)定流出物的比重來(lái)加以評(píng)定。
許多文獻(xiàn)都有關(guān)于COM穩(wěn)定劑的報(bào)道。它們都表明了作為一大類的陽(yáng)離子型表面活性劑是最有效的COM分散劑；實(shí)驗(yàn)表明煤粒間是靠物理吸附結(jié)合的。而煤表面必須首先是親核特性。為此，COM穩(wěn)定化需要陽(yáng)離子表面活性劑。具有極性端基官能團(tuán)的離子對(duì)對(duì)煤基質(zhì)和末端向外延伸的碳?xì)浠衔锶∠蛴诮o電子位的這種配位構(gòu)型，也符合前述COM中網(wǎng)狀體穩(wěn)定化的概念。近些年，在這些實(shí)驗(yàn)成果指導(dǎo)下，水煤漿技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)的改進(jìn)的燃油鍋爐上得到了大面積的應(yīng)用。
煤的脫礦質(zhì)
表面活性劑也被用于煤的預(yù)處理以除去無(wú)機(jī)成分，并改性煤使得它更適合于再處理，如在低溫下液化等等。在煤/水泥漿中，消除灰份可以減少能量損耗和損失。從煤中除去礦物質(zhì)的各種工藝在參考文獻(xiàn)中都論述到了。例如，Liotta開(kāi)發(fā)出一種經(jīng)粉碎并同時(shí)除去礦物質(zhì)的方法。它首先用四價(jià)堿溶匯進(jìn)行處理，接著依據(jù)兩種物質(zhì)的比重不同采用任一常規(guī)分離技術(shù)進(jìn)行物理分離。
用碳?xì)浠衔锏娜槟z液進(jìn)行煤的浮選，可以減少煤的灰份含量。這種方法采用一種由烴油與疏水的W/0乳化劑和親水的表面活性劑制備的乳膠液。該工藝沒(méi)有使用大量的聚合物而產(chǎn)生出高產(chǎn)量的低灰份煤。
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