表面活性剂在煤炭工业中的应用

随着人们对低碳经济和全球气候的关注，煤炭能源的合理利用和节能减排措施越来越显得重要，介绍有关将是非常必要和适时的。表面活性剂已在煤加工技术中应用了很长一段时期，但是对于一些基本现象的基础研究才刚刚开始。目前，由于能源问题日益紧张，因而促进了表面活性剂在煤加工技术中应用的广泛研究，许多实验室已取得了进展并研制出了一系列产品。下面将分别讨论这些应用。
煤表面的润湿
Fuller等人在煤的结构化学研究中阐述了煤表面的多相性。
由浸渍热研究证实：低品位煤比高品位煤吸水性大，从而进入的极性质点也多。矿物质与极性液体如水的作用很强烈。因而释放出较高的浸渍热。煤用碱腐蚀后，结构显著松散，硫化试剂浸入的机会大大增加。
煤在液体中的润湿热可认为是煤转化过程中对该试剂亲和性大小的量度。煤润湿后建立平衡状态的速率能用微型量热计示踪测定。例如，Wightman等人通过对C1—C12的正构乙醇同系物的研究证明：平衡态建立的时间随着乙醇链长的增加而增加。并建议通过增长乙醇链长而降低润湿热，以限制润湿热进入煤结构的穿透率。
对于不同种类的煤，测定其细小煤粒与水的界面张力和接触角，对煤的定向浮选工艺以及更有价值的油/煤型浓集燃料的制作技术是很有意义的。     
在过去还没有测定不规则细小煤粒接触角的合适方法。而最近，Neumann等人开发了一种测定次煤烟微粒(与水)接触角的新技术。这项方法考察了粒度在25—300微米范围内的煤微粒在凝固作用前一定量的易凝固物、或者换句话说，基体物质如萘、联苯和邻苯基苯酚等等的溶解特性，并定量地解释了凝固作用前期易凝固基体物质对煤粒的浸渍或抑制作用。
Neumann等人用浸润技术证实：煤的润浸特性取决于它的碳含量、灰分含量和矿物杂质含量。此外，通过添加表面活性剂使亲水性的煤变成较强疏水性的煤。这是煤粒进行浮选的必要条件。
煤除尘
利用表面活性剂水溶液改善煤粒的浸润性对于煤粉尘的控制具有重要的现实意义。非离子表面活性剂，如邻二甲苯烷基磺酸钠等在这方面已得到使用。Glanville等人对影响煤尘润湿速率的各种因素进行了探讨，结果证明：用Walket润湿速率实验测定的润湿速率主要受温度煤尘的尺寸组成、以及所用特殊表面活性剂的浓度和分子结构的影响。在10℃--40℃的温度范围内。润湿速率随温度的升高而增加大致呈线性关系。同样，在特定温度下，润湿速率随煤尘平均粒度的增加也呈线性关系。
浮选
采矿过程中得到的煤，混有各种不同颗粒度的粘土。这些粘土很容易从颗粒度大的煤粒表面洗掉，但煤泥中存在一定量的小颗粒煤。泥渣中的这部分煤通常是由泡沫浮选工艺加以回收。这种工艺在很大程度上依赖于煤中有机或无机化合物的不同表面特性。
在煤的泡沫浮选工艺中，泡沫是把空气通入到煤泥浆中形成的，这样煤泥浆中含有不纯净的、被除去的极细煤粒和水。从泥渣或矿石中把煤浮选出来靠的是其表面的可润湿性和接触角，该接触角是固体与气泡内表面接触产生的夹角。
在浮选工艺中通常使用三种试剂，它们是：(a)浮选促集剂或促进剂，(b)改性剂，(c)发泡剂。浮选促集剂或促进剂的作用是促进煤粒与气泡的接触，即在被浮选的煤粒表面形成一层薄膜，使得煤粒呈疏水性。与此同时，它必须具有选择性，在不被浮选的煤粒表面不形成薄膜。浮选促集剂或促进剂通常是煤油和燃料油。
而改性剂可能是ph调节剂、活化剂、浮选抑制剂、分散剂或絮凝剂。例如，一种有选择性的阳离子型聚合物絮凝剂是二甲胺与环氧氯丙烷的反应物。
发泡剂是被用来提供稳定的浮选泡沫的，持久稳定的泡沫可现煤的分离。但也不能太持久，以致泡沫无法破裂，还需要进行后处理。
水煤浆
运输问题已成为煤应用中的主要困难之一。固含量大于55﹪的微细煤的含量泥浆，在通常使用的排浆泵运输时会很困难，因为当体系固含量超过5﹪时，水和固体趋向于分离，因而在泵运送系统的各个区域产生煤的聚集。并且，泥浆的脱水性使泵运送系统堵塞和产生滞留。由于水是运输和加工操作过程中成本费用的主要贡献者，同时在煤气化时，蒸发装置需要大量的热量。因此，减少水泥浆中水的重量百分数是设想中的理想方案。
人们首先考察煤粒尺寸对泥浆稳定性的影响。Funk设计了一种煤---水煤浆：煤的最高含量为75﹪，粘度低于1000cps。这种泥浆具有可长距离管道输运，并无需脱水便可直接燃烧的优点。它由一种方法制备，该方法中按照一定的粒径分布公式控制粒径及其分布。粒径分布公式对于提供新型煤坯是非常有用的。这种煤坯按照Alred给出的公式具有一个粒径分布。
煤/油分散体系对于管道和油罐车运输是非常有用的，它能在没有改性剂的情况下，于燃油炉中直接燃烧，并且是煤液化工艺过程中的基本步骤。为保证在锅炉和加热炉中，作为燃料油的部分替代物的更为经济实用的煤/油混合体具有满意的可泵送、储运和燃烧特性，稳定性是通过周期性地行为测定流出物的比重来加以评定。
许多文献都有关于COM稳定剂的报道。它们都表明了作为一大类的阳离子型表面活性剂是最有效的COM分散剂；实验表明煤粒间是靠物理吸附结合的。而煤表面必须首先是亲核特性。为此，COM稳定化需要阳离子表面活性剂。具有极性端基官能团的离子对对煤基质和末端向外延伸的碳氢化合物取向于给电子位的这种配位构型，也符合前述COM中网状体稳定化的概念。近些年，在这些实验成果指导下，水煤浆技术已经在国内的改进的燃油锅炉上得到了大面积的应用。
煤的脱矿质
表面活性剂也被用于煤的预处理以除去无机成分，并改性煤使得它更适合于再处理，如在低温下液化等等。在煤/水泥浆中，消除灰份可以减少能量损耗和损失。从煤中除去矿物质的各种工艺在参考文献中都论述到了。例如，Liotta开发出一种经粉碎并同时除去矿物质的方法。它首先用四价碱溶汇进行处理，接着依据两种物质的比重不同采用任一常规分离技术进行物理分离。  
用碳氢化合物的乳胶液进行煤的浮选，可以减少煤的灰份含量。这种方法采用一种由烃油与疏水的W/0乳化剂和亲水的表面活性剂制备的乳胶液。该工艺没有使用大量的聚合物而产生出高产量的低灰份煤。