表面活性劑在煤炭工業(yè)中的應(yīng)用
導(dǎo)讀：
隨著人們對低碳經(jīng)濟和全球氣候的關(guān)注，煤炭能源的合理利用和節(jié)能減排措施越來越顯得重要，介紹有關(guān)將是非常必要和適時的。表面活性劑已在煤加工技術(shù)中應(yīng)用了很長一段時期，但是對于一些基本現(xiàn)象的基礎(chǔ)研究才剛剛開始。目前，由于能源問題日益緊張，因而促進了表面活性劑在煤加工技術(shù)中應(yīng)用的廣泛研究，許多實驗室已取得了進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：低品位煤比高品位煤吸水性大，從而進入的極性質(zhì)點也多。礦物質(zhì)與極性液體如水的作用很強烈。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，硫化試劑浸入的機會大大增加。
煤在液體中的潤濕熱可認為是煤轉(zhuǎn)化過程中對該試劑親和性大小的量度。煤潤濕后建立平衡狀態(tài)的速率能用微型量熱計示蹤測定。例如，Wightman等人通過對C1—C12的正構(gòu)乙醇同系物的研究證明：平衡態(tài)建立的時間隨著乙醇鏈長的增加而增加。并建議通過增長乙醇鏈長而降低潤濕熱，以限制潤濕熱進入煤結(jié)構(gòu)的穿透率。
對于不同種類的煤，測定其細小煤粒與水的界面張力和接觸角，對煤的定向浮選工藝以及更有價值的油/煤型濃集燃料的制作技術(shù)是很有意義的。
在過去還沒有測定不規(guī)則細小煤粒接觸角的合適方法。而最近，Neumann等人開發(fā)了一種測定次煤煙微粒(與水)接觸角的新技術(shù)。這項方法考察了粒度在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，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)對煤粒的浸漬或抑制作用。
Neumann等人用浸潤技術(shù)證實：煤的潤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，通過添加表面活性劑使親水性的煤變成較強疏水性的煤。這是煤粒進行浮選的必要條件。
利用表面活性劑水溶液改善煤粒的浸潤性對于煤粉塵的控制具有重要的現(xiàn)實意義。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等人對影響煤塵潤濕速率的各種因素進行了探討，結(jié)果證明：用Walket潤濕速率實驗測定的潤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，潤濕速率隨煤塵平均粒度的增加也呈線性關(guān)系。
煤除塵
浮選
采礦過程中得到的煤，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或無機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、被除去的極細煤粒和水。從泥渣或礦石中把煤浮選出來靠的是其表面的可潤濕性和接觸角，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)浮選促集劑或促進劑，(b)改性劑，(c)發(fā)泡劑。浮選促集劑或促進劑的作用是促進煤粒與氣泡的接觸，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，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，以致泡沫無法破裂，還需要進行后處理。
水煤漿
運輸問題已成為煤應(yīng)用中的主要困難之一。固含量大于55﹪的微細煤的含量泥漿，在通常使用的排漿泵運輸時會很困難，因為當(dāng)體系固含量超過5﹪時，水和固體趨向于分離，因而在泵運送系統(tǒng)的各個區(qū)域產(chǎn)生煤的聚集。并且，泥漿的脫水性使泵運送系統(tǒng)堵塞和產(chǎn)生滯留。由于水是運輸和加工操作過程中成本費用的主要貢獻者，同時在煤氣化時，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數(shù)是設(shè)想中的理想方案。
人們首先考察煤粒尺寸對泥漿穩(wěn)定性的影響。Funk設(shè)計了一種煤---水煤漿：煤的最高含量為75﹪，粘度低于1000cps。這種泥漿具有可長距離管道輸運，并無需脫水便可直接燃燒的優(yōu)點。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粒徑分布。
煤/油分散體系對于管道和油罐車運輸是非常有用的，它能在沒有改性劑的情況下，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)濟實用的煤/油混合體具有滿意的可泵送、儲運和燃燒特性，穩(wěn)定性是通過周期性地行為測定流出物的比重來加以評定。
許多文獻都有關(guān)于COM穩(wěn)定劑的報道。它們都表明了作為一大類的陽離子型表面活性劑是最有效的COM分散劑；實驗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)定化需要陽離子表面活性劑。具有極性端基官能團的離子對對煤基質(zhì)和末端向外延伸的碳氫化合物取向于給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，在這些實驗成果指導(dǎo)下，水煤漿技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)的改進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)處理以除去無機成分，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中都論述到了。例如，Liotta開發(fā)出一種經(jīng)粉碎并同時除去礦物質(zhì)的方法。它首先用四價堿溶匯進行處理，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)進行物理分離。
用碳氫化合物的乳膠液進行煤的浮選，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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