疏水改性煤粉及其制备方法

1.本技术属于低阶煤提质利用技术领域，具体涉及一种疏水改性煤粉及其制备方法。


背景技术：

2.我国资源禀赋决定了在未来相当长的时间内，煤炭依然是我国的主要能源。以褐煤为主的低阶煤是我国的主要煤炭资源，占总储量的一半以上，是我国火电厂的主要燃料。低阶煤变质程度低，氧含量高，吸水能力强。在我国东部、南部以及沿海区域，常年空气湿度较高，低阶煤中的含水率超过20％，甚至达到40％，燃煤中的高水分含量严重影响了燃烧热值和利用效率。
3.在工业实践中，常采用煤炭蒸发干燥技术，包括蒸汽或烟气转筒干燥、流化床干燥、微波干燥和太阳能干燥等蒸发低阶煤中水分，但干燥后煤样在空气中会发生水分复吸现象。而非蒸发技术，如水热处理htd、溶剂脱水和机械热压脱水mte能很好地解决干燥煤样水分复吸问题，但其要求温度压力较高，设备成本增加，其生产过程中产生的工业废水难以回收利用。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种疏水改性煤粉及其制备方法，以解决现有技术中采用蒸发干燥技术处理后的煤样在空气中会发生水分复吸现象，采用非蒸发技术处理煤样要求的温度压力较高，设备成本较大，生产过程中产生的工业废水难以回收利用的技术问题。
5.为了实现上述目的，本技术采用的一个技术方案是：
6.提供一种疏水改性煤粉的制备方法，包括
7.将表面活性剂和纳米二氧化硅在水中混合，得到第一混合液；
8.将煤粉加入所述第一混合液中混合，得到第二混合液；
9.将所述第二混合液过滤，清洗，干燥，得到疏水改性煤粉。
10.在一个或多个实施方式中，所述表面活性剂为双子表面活性剂。
11.在一个或多个实施方式中，所述表面活性剂为阳离子双子表面活性剂，且表面活性剂分子结构为
[0012][0013]
其中，m表示直链烷基中碳原子个数，m为8、10、12、14、16或18，j表示桥键支链烷基中碳原子个数，j为2、4或6，x为溴离子或氯离子。
[0014]
在一个或多个实施方式中，所述将表面活性剂和纳米二氧化硅在水中混合的步骤中，所述表面活性剂、纳米二氧化硅和水的质量比为(0.075-0.60)：(0.5-1.0)：(1000-1500)。
[0015]
在一个或多个实施方式中，所述纳米二氧化硅的粒径小于100nm。在一个或多个实施方式中，所述将表面活性剂和纳米二氧化硅在水中混合的步骤中混合具体为超声5～40mins。
[0016]
在一个或多个实施方式中，所述煤粉为干燥煤粉，且煤粉的粒径小于0.5mm。
[0017]
在一个或多个实施方式中，所述将煤粉加入所述第一混合液中混合的步骤中混合具体为超声20～60mins。
[0018]
在一个或多个实施方式中，所述将煤粉加入所述第一混合液中混合的步骤中，所述煤粉和所述第一混合液的质量比为(0.50-2.0)：(500-1000)。
[0019]
为了实现上述目的，本技术采用的另一个技术方案是：
[0020]
提供一种采用上述任一实施方式所述的制备方法制备得到的疏水改性煤粉。
[0021]
区别于现有技术，本技术的有益效果是：
[0022]
本技术疏水改性煤粉的亲水位点、部分缝隙和孔结构被表面活性剂和纳米二氧化硅遮蔽和封闭，从而有效抑制其吸水性能，避免水分复吸现象，相对于未经过处理的煤粉，复吸水分率下降了49％，保证长时间的干燥，有效提高煤粉的燃烧热值和利用效率；
[0023]
本技术疏水改性煤粉的制备方法条件简单、操作方便快捷，成本低廉，并且不需要对现有设备进行改动，同时能够有效抑制煤粉的水分复吸，有效保证煤粉的长时间干燥，从而提高煤粉的燃烧热值和利用效率。
附图说明
[0024]
图1是本技术疏水改性煤粉的制备方法一实施方式的流程示意图。
具体实施方式
[0025]
以下将结合附图所示的各实施方式对本技术进行详细描述。但该等实施方式并不限制本技术，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本技术的保护范围内。
[0026]
以褐煤为主的低阶煤是我国的主要煤炭资源，占总储量的一半以上，是我国火电厂的主要燃料。褐煤由于吸水能力强，导致较高的含水率，严重影响了其的燃烧热值和利用效率。
[0027]
现有技术中，为了解决褐煤的吸水问题，主要采用蒸发技术和非蒸发技术对褐煤进行处理。其中蒸发技术主要是利用转筒干燥、流化床干燥等高温加热干燥手段，经过加热干燥处理后的煤样在空气中还会发生水分复吸现象，难以长时间保证煤样的干燥。而非蒸发技术虽然能够解决干燥煤样的水分复吸问题，但是处理的成本较高，并且在处理过程中会产生大量难以回收利用的工业废水，不利于可持续发展。
[0028]
为了解决低阶煤的水分复吸问题，申请人开发了一种疏水改性煤粉的制备方法，该方法制备条件简单、操作方便快捷，成本低廉，并且不需要对现有设备进行改动，同时能够有效抑制煤粉的水分复吸，有效保证煤粉的长时间干燥，从而提高煤粉的燃烧热值和利
用效率。
[0029]
具体地，请参阅图1，图1是本技术疏水改性煤粉的制备方法一实施方式的流程示意图。
[0030]
该制备方法包括：
[0031]
s100、将表面活性剂和纳米二氧化硅在水中混合，得到第一混合液。
[0032]
首先采用表面活性剂对纳米二氧化硅进行吸附，使得纳米二氧化硅表面点位发生转变，由表面荷负电变为荷正电，易于在表面带负电荷的低阶煤的缝隙和孔结构中吸附。
[0033]
在一个应用场景中，表面活性剂为双子表面活性剂，双子表面活性剂相对于单链表面活性剂多一个疏水基和亲水基，同时双子表面活性剂分子结构中桥键连接基具有弱化表面活性剂亲水头基之间的静电斥力的效果，能够提高表面活性剂在煤粉表面的吸附紧密度。
[0034]
具体地，表面活性剂可以为阳离子双子表面活性剂，分子结构为：
[0035][0036]
可以缩写为m-j-m(x)，其中，m表示直链烷基中碳原子个数，m为8、10、12、14、16或18，表示桥键支链烷基中碳原子个数，j为2、4或6，x为溴离子或氯离子。
[0037]
在一个应用场景中，纳米二氧化硅的粒径小于100nm，从而保证纳米二氧化硅在煤粉的缝隙和孔结构中的分散效果。
[0038]
在一个应用场景中，表面活性剂、纳米二氧化硅和水的质量比为(0.075-0.60)：(0.5-1.0)：(1000-1500)。
[0039]
在一个应用场景中，将表面活性剂和纳米二氧化硅在水中混合的方式可以为超声5～40mins，超声处理保证表面活性剂和纳米二氧化硅的分散均匀性。
[0040]
s200、将煤粉加入第一混合液中混合，得到第二混合液。
[0041]
表面活性剂与纳米二氧化硅带电颗粒共同与表面带负电的煤粉颗粒进行吸附，对低阶煤表面亲水点位的遮蔽和一定范围内的缝隙和孔结构堵塞填充，降低低阶煤的吸水能力和水分赋存空间，从而实现抑制水分复吸的目的。
[0042]
在一个应用场景中，当表面活性剂为双子表面活性剂时，由于双子表面活性剂的桥键可以有效抑制表面活性剂亲水头基之间的静电斥力，因此能够进一步提高表面活性剂分子在煤粉表面的吸附紧密度，进一步降低煤粉的吸水能力。
[0043]
在一个应用场景中，将煤粉加入第一混合液中混合的方法可以为超声20～60mins。超声处理的方法能够有效破坏表面活性剂与煤疏水表面的弱相互作用，如疏水键合作用，而保留表面活性剂与煤亲水表面的静电强相互作用，从而能够消除无效吸附，降低吸附量，提升疏水性效果。
[0044]
在一个应用场景中，为了保证经过处理后煤粉的干燥性，避免水分被封闭在煤粉的缝隙和孔结构中，煤粉为干燥煤粉，同时煤粉的粒径可以小于0.5mm。
[0045]
在一个应用场景中，煤粉和第一混合液的质量比可以为(0.50-2.0)：(500-1000)。
[0046]
s300、将第二混合液过滤，清洗，干燥，得到疏水改性煤粉。
[0047]
将第二混合液过滤后得到收集滤料，将滤料用水冲洗干净去除残留未吸附的表面活性剂和纳米二氧化硅，之后干燥去除煤粉表面的水分，即可得到疏水改性煤粉。
[0048]
在一个应用场景中，干燥可以在105℃烘箱中干燥5-24小时，在其他应用场景中，也可采用其他干燥方法，均能够实现本实施方式的效果。
[0049]
本技术还提供了一种采用上述制备方法制备的疏水改性煤粉，该疏水改性煤粉的缝隙和孔结构被表面活性剂和纳米二氧化硅封闭，从而有效抑制其吸水性能，能够保证长时间的干燥，有效提高煤粉的燃烧热值和利用效率。
[0050]
下面结合具体的实施例对本技术做进一步的阐述。以下实施例中所采用的实验材料均由常规试剂公司购买得到。
[0051]
实施例1：
[0052]
一种疏水改性煤粉，由以下步骤制备：
[0053]
1)将75mg双子表面活性剂溶于1000重量份的水中，得到表面活性剂溶液，双子表面活性剂的分子结构为8-6-8(br)，之后加入0.5g纳米二氧化硅，超声5分钟，得到表面活性剂-纳米二氧化硅混合液。
[0054]
2)将50mg重量份的煤粉加入500g步骤(1)得到的表面活性剂-纳米二氧化硅混合液中，继续超声，时间为20分钟。
[0055]
3)将完成超声吸附的混合液进行过滤，然后用水冲洗，得到的滤饼置于105℃烘箱中干燥5小时，得到改性煤粉。
[0056]
实施例2：
[0057]
一种疏水改性煤粉，由以下步骤制备：
[0058]
1)将600mg双子表面活性剂溶于1500g的水中，得到表面活性剂溶液，双子表面活性剂的分子结构为18-4-8(cl)，之后加入1.0g重量份纳米二氧化硅，超声40分钟，得到表面活性剂-纳米二氧化硅混合液。
[0059]
2)将2.0g煤粉加入1000g步骤(1)得到的表面活性剂-纳米二氧化硅混合液中，继续超声，时间为60分钟。
[0060]
3)将完成超声吸附的混合液进行过滤，然后用水冲洗，得到的滤饼置于105℃烘箱中干燥24小时，得到改性煤粉。
[0061]
实施例3：
[0062]
一种疏水改性煤粉，由以下步骤制备：
[0063]
1)将500g双子表面活性剂溶于1200g水中，得到表面活性剂溶液，双子表面活性剂的分子结构为12-2-12(br)，之后加入0.8g钠米二氧化硅，超声20分钟，得到表面活性剂-纳米二氧化硅混合液。
[0064]
2)将800mg的煤粉加入600g步骤(1)得到的表面活性剂-纳米二氧化硅混合液中，继续超声，时间为30分钟。
[0065]
3)将完成超声吸附的混合液进行过滤，然后用水冲洗，得到的滤饼置于105℃烘箱中干燥12小时，得到改性煤粉。
[0066]
对比例1：
[0067]
1)将800mg的煤粉加入600g水中，超声30分钟，得到混合液。
[0068]
2)将完成超声的混合液进行过滤，然后用水冲洗，得到的滤饼置于105℃烘箱中干燥12小时，得到改性煤粉。
[0069]
对比例2：
[0070]
1)将0.8g钠米二氧化硅分散于1200g水中，超声20分钟，得到纳米二氧化硅分散液。
[0071]
2)将800mg的煤粉加入600g步骤(1)得到的纳米二氧化硅分散液中，继续超声，时间为30分钟。
[0072]
3)将完成超声吸附的混合液进行过滤，然后用水冲洗，得到的滤饼置于105℃烘箱中干燥12小时，得到改性煤粉。
[0073]
对比例3：
[0074]
1)将500g双子表面活性剂溶于1200g水中，得到表面活性剂溶液，双子表面活性剂的分子结构为12-2-12(br)。
[0075]
2)将800mg的煤粉加入600g步骤(1)得到的表面活性剂溶液中，继续超声，时间为30分钟。
[0076]
3)将完成超声吸附的混合液进行过滤，然后用水冲洗，得到的滤饼置于105℃烘箱中干燥12小时，得到改性煤粉。
[0077]
效果例：
[0078]
将实施例1至3和对比例1至3制备的改性煤粉在湿度为98％的恒湿箱中，在室温条件下放置72小时，之后测量改性煤粉的复吸水分率，具体测量方式为测量实验前和实验后的煤粉重量，计算差值后除以实验前的煤粉重量得到复吸水分率，如下表数据。
[0079]
样品复吸水分率(％)实施例120实施例223实施例317对比例139对比例237对比例326
[0080]
由上表数据可知，实施例1至3的复吸水分率显著小于对比例1至3。对比实施例3和对比例1的数据可知，本技术的疏水改性煤粉相对于未经过双子表面活性剂和纳米二氧化硅处理的煤粉，复吸水分率下降了49％。
[0081]
对比实施例3、对比例1和对比例2的数据可知，仅经过纳米二氧化硅处理的改性煤粉的复吸水分率仍然较高，且对比例2的复吸水分率和对比例1相差不大，这主要是由于对比例2中纳米二氧化硅未经过双子表面活性剂的改性处理，导致纳米二氧化硅仍保持表面荷负电，难以在表面带负电荷的低阶煤的缝隙和孔结构中吸附。
[0082]
对比实施例3、对比例1和对比例3的数据可知，仅经过双子表面活性剂处理的改性煤粉的复吸水分率相对于对比例1有所降低，但仍较高，这主要是由于虽然表面活性剂能够部分吸附在低阶煤的缝隙和孔结构中，但由于未添加纳米二氧化硅，对低阶煤的缝隙和孔结构隔离效果较差，无法取得更好的抑水效果。
[0083]
通过比对实施例3、对比例2和对比例3的数据可知，仅经过纳米二氧化硅处理或仅经过双子表面活性剂处理，均无法赋予煤粉较好的抑水效果，必须使煤粉经过双子表面活性剂和纳米二氧化硅的混合液处理才能够获得较好的抑水效果，双子表面活性剂和纳米二氧化硅之间存在协同作用。
[0084]
本公开内容的上述描述被提供来使得本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本公开内容。对于本领域普通技术人员来说，对本公开内容进行的各种修改是显而易见的，并且，也可以在不脱离本公开内容的保护范围的情况下，将本文所对应的一般性原理应用于其它变型。因此，本公开内容并不限于本文所描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。