КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 76, № 2, с. 208-212
УДК 541.183:622.333
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПИРТОУГОЛЬНЫХ СУСПЕНЗИЙ
© 2014 г. Д. П. Савицкий
Институт коллоидной химии и химии воды им. А.В. Думанского Национальной академии наук Украины
03680 Киев-142, бульвар Академика Вернадского, 42 Поступила в редакцию 14.05.2013 г.
Исследованы реологические свойства угольных суспензий, полученных с применением в качестве дисперсионной среды низших спиртов ряда этанол—пентанол. Показано, что увеличение длины углеводородного радикала приводит к возрастанию вязкости и сдвигового напряжения спиртоуголь-ных суспензий.
Б01: 10.7868/80023291214020086
ВВЕДЕНИЕ
Распределение частиц дисперсной фазы в объеме дисперсной системы сказывается на ее реологическом поведении. Значительный интерес представляет изучение влияния дисперсионной среды на реологические свойства углесодержащих дисперсных систем, которые находят широкое применение в энергетике. Однако большинство экспериментальных работ посвящено реологическому поведению водных суспензий угля [1—6]. Целью представленной работы было изучение реологических свойств суспензий угля с применением низших спиртов в качестве дисперсионной среды. По сравнению с водоугольными суспензиями преимуществами спиртоугольных являются более высокая калорийность топлива и возможность их хранения при низких температурах [7, 8].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве дисперсной фазы спиртоугольных суспензий применялся малозольный антрацит (Донбасс, Луганск), который в ряду углей характеризуется наиболее однородной структурой, содержит 93.7% С, 1.9% Н, 0.5% N 3.9% О и 1.5% 8, а также имеет влажность 1% , зольность 1.2%, летучих веществ 2.4%, плотность 1.75 г/см3. Исходный уголь (диаметр частиц d = 1 мм) измельчали в фарфоровом барабане вместимостью 2 дм3 на валковой мельнице. В качестве мелющих тел использовали керамические шары РМ-95. После измельчения в течение 1 ч получали порошок следующего гранулометрического состава: 250—160 мкм — 40%, 160-100 мкм - 20%, 100-60 мкм - 27%, 6020 мкм - 10%, < 20 мкм - 3%. Расчет его удельной поверхности (^уд), удельного объема пор (Кроге) и эффективного диаметра пор ^роге) проводили методом БЭТ (Брунауэра-Эммета-Теллера) по дан-
ным о низкотемпературной адсорбции азота (77 К), измеренной на анализаторе удельной поверхности Quantachrome Nova. В результате было установлено: ^д = 2.1 м2/г, Vpore = 0.072 см3/г, dpore = = 0.95 нм, Vorb(C6H6) = 0.039 см3/г, ^„(C^OH) = = 0.065 см3/г. Неорганическая составляющая антрацита по данным рентгенофазового анализа (дифрактометр ДРОН-2 с Си^а-излучением, X = = 1.54178 нм) представлена преимущественно кварцем и каолинитом.
Спиртоугольные суспензии получали смешением порошка с низшими спиртами (марка "х. ч.") и гомогенизировали на лопастной мешалке RW-11 (IKA) в течение 20 мин при скорости вращения ротора 1500 об/мин. Физические характеристики использованных спиртов: плотность, динамическая вязкость, поверхностное натяжение, ди-польный момент и диэлектрическая проницаемость приведены в табл. 1 [9—11]. Реологические параметры суспензий: сдвиговое напряжение (а)
Таблица 1. Физические характеристики низших спиртов (T = 20°С)
Спирт Р, 3 г/см3 П х 103, Па с 5, мДж/м2 ц, Д Б
Этанол 0.789 1.20 22.75 1.67 25.0
1-Пропанол 0.804 2.26 23.78 1.68 20.7
2-Пропанол 0.785 2.43 21.7 1.66 19.2
1-Бутанол 0.809 2.95 24.6 1.68 17.7
2-Метил-1-пропанол 0.803 3.76 22.98 1.79 18.1
1-Пентанол 0.814 4.25 25.1 1.8 14.5
3-Метил-1-бутанол 0.812 4.1 24.2 1.82 15.1
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПИРТОУГОЛЬНЫХ СУСПЕНЗИЙ
209
и вязкость (п) определяли методом ротационной вискозиметрии на приборе ЯИео1е81 ЯУ2 с помощью измерительной системы состоящей из гладких коаксиальных цилиндров при различной скорости сдвига (у). Значения максимальной (птах), эффективной (п^) и минимальной вязкости (пть) определяли при у = 3, 9 и 1312 с-1 соответственно. Для проверки отсутствия проскальзывания суспензии относительно поверхности коаксиальных цилиндров, измеряли сдвиговые напряжения при уменьшении скорости сдвига. Среднеквадрати-ческое отклонение от кривых течения, полученных при увеличении скорости сдвига, составляло 1-3%. С целью уменьшения влияния фактора набухания угля, реологические параметры спирто-угольных суспензий определяли непосредственно после гомогенизации.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При изучении реологических свойств суспензий весьма важным является концентрационный фактор, поскольку содержание дисперсной фазы, наряду с формой частиц и гранулометрическим составом, существенно влияет на процессы структу-рообразования. Изменения вязкости суспензий в зависимости от концентрации дисперсной фазы (Ст) показали, что в диапазоне концентраций 35— 55 мас. % вязкость суспензий в ряду спиртов этанол—2-метил-1-пропанол возрастает почти линейно (рис. 1а). Следует отметить, что значения вязкости спиртоугольных суспензий, приготовленных с использованием в качестве дисперсионной среды этанола, 1- и 2-пропанола, различаются незначительно (табл. 2). При переходе от 1-бутано-ла к 1-пентанолу и при достижении концентрации дисперсной фазы 45% происходит резкое возрастание вязкости суспензий (рис. 1б).
Влияние низших спиртов на рост эффективной вязкости суспензий угля можно представить следующим рядом: 1-пентанол > 3-метил-1-бута-нол > 1-бутанол > 2-метил-1-пропанол > 1-пропа-нол > 2-пропанол > этанол. При этом суспензии
П, Па с 0.6
0.4
0.2
30
П, Па с 2.5
2.0 1.5 1.0 0.5
30
(а)
40
50
(б)
40
50
60
Ст, %
60
Ст, %
Рис. 1. Зависимости вязкости спиртоугольных суспензий от концентрации дисперсной фазы. Дисперсионная среда: (а) — этанол (7), 2-пропанол (2), 1-пропанол (3), 2-метил-1-пропанол (4); (б) — 1-бута-нол (7), 3-метил-1-бутанол (2), 1-пентанол (3).
угля, полученные с применением 2-пропанола, 2-метил-1 -пропанола, 3-метил-1 -бутанола, характеризуются меньшей вязкостью, чем суспен-
Таблица 2. Вязкостные характеристики спиртоугольных суспензий
Спирт Ст = 35% Ст = 45% Ст = 55%
"Птах, Па с "Лтш, Па с "Птах, Па с "Лтт, Па с "Птах, Па с "Лтш, Па с
Этанол 0.39 0.005 0.58 0.012 0.97 0.018
1-Пропанол 0.39 0.006 0.66 0.014 0.97 0.029
2-Пропанол 0.39 0.008 0.62 0.013 0.97 0.021
1-Бутанол 0.58 0.010 0.81 0.025 1.93 0.064
2-Метил-1-пропанол 0.50 0.012 0.77 0.022 1.16 0.033
1-Пентанол 1.54 0.04 1.93 0.077 2.89 0.102
3-Метил-1-бутанол 0.97 0.04 1.12 0.043 2.32 0.077
210
САВИЦКИЙ
Таблица 3. Коэффициенты уравнения, описывающего кривые течения спиртоугольных суспензий, и значения коэффициента корреляции
Спирт Ст = 35% Ст = 45% Ст = 55%
к п В2 к п В 2 к п В 2
Этанол 0.778 0.254 0.928 0.992 0.349 0.966 1.529 0.336 0.925
1-Пропанол 0.825 0.292 0.922 1.173 0.339 0.953 1.547 0.401 0.958
2-Пропанол 0.806 0.275 0.927 1.056 0.349 0.957 1.475 0.366 0.958
1-Бутанол 1.088 0.350 0.975 1.536 0.372 0.947 5.045 0.367 0.948
2-Метил-1-пропанол 0.849 0.363 0.948 1.386 0.372 0.947 1.675 0.445 0.966
1-Пентанол 2.436 0.472 0.984 3.248 0.468 0.995 7.338 0.409 0.975
3-Метил-1-бутанол 1.733 0.507 0.991 2.518 0.470 0.975 6.338 0.401 0.953
зии, полученные с применением линейных спиртов. Некоторые исследователи связывают такую зависимость со степенью набухания углей в спиртах. В работе [12] было установлено, что степень набухания угля в изоспиртах выше, чем в их линейных изомерах. Такую же зависимость от природы спиртов носит вязкость спиртоугольных суспензий. Однако известно, что угли высокой стадии метаморфизма в меньшей мере подвержены набуханию в органических растворителях [13]. Меньшие значения вязкости спиртоугольных суспензий, приготовленных на основе изоспиртов, по сравнению с линейными изомерами, могут быть связаны с процессами лучшего смачивания поверхности частиц угля и, соответственно, более равномерного их распределения по объему, поскольку значения поверхностного натяжения изоспиртов меньше (табл. 1). Обобщая результаты исследований [14, 15], необходимо указать на повышение вязкости и прочности суспензий угля в органических жидкостях по мере снижения полярности дисперсионной среды, что наблюдается и в нашей работе.
Для выяснения влияния физических свойств низших спиртов на сдвиговое напряжение спир-тоугольных суспензий были получены кривые течения (рис. 2), которые описывали уравнением Оствальда—Вейля для псевдопластичных жидкостей [16]:
о = ку
где а — напряжение сдвига, к — показатель конси-стентности, п — индекс течения. Численные значения показателя консистентности и индекса течения получали из графической зависимости ^ а = =Л1ёУ) для спиртоугольных суспензий с различным содержанием дисперсной фазы (табл. 3).
Как следует из рис. 2, напряжение сдвига спиртоугольных суспензий увеличивается по мере повышения концентрации дисперсной фазы. К росту напряжения сдвига спиртоугольных суспензий также приводит увеличение углеводородного ра-
дикала спиртов, что отображается на кривых течения, приобретающих вид плавных вогнутых линий. Прочность спиртоугольных суспензий имеет такую же зависимость от природы спиртов, как и вязкость, т.е. характеризуется более высокими значениями сдвиговых напряжений во всем исследуемом диапазоне скоростей сдвига, при использовании в качестве дисперсионной среды изо-спиртов, по сравнению с линейными изомерами. В ряду исследованных низших спиртов способность повышать напряжение сдвига спиртоуголь-ных суспензий наиболее сильно выражена у спиртов, содержащих более четырех атомов углерода.
Таким образом, рассматривая зависимость реологических свойств спиртоугольных суспензий от физических свойств низших спиртов (табл. 1), можно выделить корреляцию с диэлектрической проницаемостью и вязкостью дисперсионной среды. Снижение диэлектрической проницаемости и повышение вязкости дисперсионной среды приводит к повышению вязкости и напряжения сдвига спиртоугольных суспензий.
Известно, что формирование одноименных зарядов на поверхности частиц предотвращает их агрегирование в дисперсионной среде, что выражается в изменении значений электрокинетического потенциала (С) [17]. Естественно, что электрокинетические явления, наряду с процессами адсорбци
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.