ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2014, № 3, с. 12-20
УДК 544.778.3:662.758
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПИРТОУГОЛЬНЫХ СУСПЕНЗИЙ НА ОСНОВЕ УГЛЕЙ УКРАИНЫ РАЗНОЙ СТАДИИ МЕТАМОРФИЗМА
© 2014 г. Д. П. Савицкий, Д. Ю. Садовский
Институт коллоидной химии и химии воды им. А.В. Думанского НАН Украины, Киев
E-mail: den.83@ mail.ru Поступила в редакцию 08.07.2013 г.
Проведены исследования реологического поведения спиртоугольных суспензий на основе углей разной стадии метаморфизма, полученных с применением в качестве дисперсионной среды низших спиртов ряда метанол — пропанол. Установлено, что повышение длины алкильного радикала приводит к возрастанию напряжения сдвига и вязкости спиртоугольных суспензий. При этом суспензии, полученные с применением изоспиртов, характеризуются меньшей вязкостью, чем суспензии, полученные с применением нормальных спиртов. Из зависимости напряжения сдвига и вязкости спиртоугольных суспензий от физических свойств низших спиртов следует, что повышение динамической вязкости и дипольного момента, а также снижение диэлектрической проницаемости (при увеличении длины углеводородного радикала спиртов) приводит к повышению значений указанных реологических параметров.
Б01: 10.7868/80023117714030086
Топливные дисперсные системы на основе природных углей интересны для промышленности в связи с применением их в энергетике. Наиболее распространены высококонцентрированные водоугольные суспензии, преимущества которых, по сравнению с исходным углем, описаны в ряде работ [1—7]. Анализ этих работ указывает на возможности повышения теплотворной способности топлива, а также хранения при низкой температуре за счет использования в качестве дисперсионной среды органических жидкостей. Однако исследования в области получения топливных дисперсных систем на основе природных углей с жидкими органическими средами незначительны, поскольку вызваны сложностью равномерного распределения тонкодисперсных частиц угля в органической дисперсионной среде. Неравномерное распределение частиц угля по объему дисперсионной среды приводит к возрастанию прочности и вязкости дисперсной системы, что нежелательно в производстве топливных дисперсных систем на основе природных углей.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что реологические свойства являются определяющими в процессах получения, транспортировки, подготовки и сжигания топливных дисперсных систем на основе природных углей. Они зависят от многих факторов, таких как форма частиц, гранулометрический состав, природа дисперсной фазы и дисперсионной среды, а также от контактных взаимодействий на границе раздела фаз.
С целью определения влияния органической дисперсионной среды на реологические свойства топливных дисперсных систем на основе природных углей Украины разной стадии метаморфизма были выбраны нормальные и разветвленные низшие спирты ряда С1—С5. Выбор спиртов обусловлен наличием значительного количества жидких органических отходов ликеро-водочных, спиртовых, нефтеперерабатывающих, фармацевтических, полимерных, биоэтанольных и биодизельных производств, где они образуются и не находят направлений по переработке.
Экспериментальная часть
В качестве объектов исследования были выбраны следующие образцы углей Украины: марка Б (Днепровский бассейн, ГХК "Александрия-уголь", Протопоповский разрез), марка ДГ и Т (Донецкий бассейн, ГХК "Луганскуголь", шахта Пролетарская и шахта им. Артема), марка А (Донецкий бассейн, ГХК "Свердловантрацит", шахта им. Свердлова). Технический и элементный анализ углей приведен в (табл. 1). Исходный уголь, диаметр частиц d = 1 мм, измельчали керамическими шарами в фарфоровом барабане вместимостью 2 дм3 на валковой мельнице. После просеивания на ситах СЛМ-200 получали порошок одинакового гранулометрического состава для всех углей: 250—160 мкм — 40%, 160—100 мкм — 20%, 100-63 мкм - 5%, 63-40 мкм - 32%, <40 мкм - 3%.
Таблица 1. Технический и элементный анализ углей
Марка
Технический анализ, мас. %
Элементный состав, % на daf
угля Wa Ad ydaf C H N O S
Б 51 20 48.5 70.1 5.0 1.2 19.7 4.0
ДГ 9.3 22.3 43.8 76.2 4.9 1.1 13.7 4.1
Т 5.1 25.0 14.9 88.5 3.8 0.67 5.33 1.7
А 3.2 10.5 3.8 95.7 2.3 0.4 1.1 0.5
Таблица 2. Структурно-сорбционные характеристики углей
Марка угля p, г/см3 5уд, м2/г Vpore, см3/г dpore, нм Содержание функциональных групп, мг-экв/г СОЕ, мг-экв/г
-COOH -OH >C=O
Б 1.12 6.308 0.049 153.8 0.52 2.12 1.42 1.8
ДГ 1.3 1.386 0.053 7.670 0.09 0.32 0.21 0.15
Т 1.5 4.716 0.019 7.878 0.05 0.07 0.03 0.08
А 1.78 9.339 0.022 4.669 0.01 0.03 - 0.05
Таблица 3. Физические свойства спиртов
Спирт p, г/см3 П, Па ■ с ■ 10-3 S, мДж/м2 ц, дебай Б
CH3OH 0.793 0.55 22.55 1.66 33.1
C2H5OH 0.789 1.20 22.75 1.67 25.0
C3H7OH 0.804 2.26 23.78 1.68 20.7
мзо-С3Н7ОН 0.785 2.43 21.7 1.66 19.2
C4H9OH 0.810 2.95 24.6 1.68 17.7
изо-С4Н9ОН 0.803 3.76 22.98 1.79 18.1
C5HnOH 0.814 4.25 25.1 1.8 14.5
изо-С5НпОН 0.812 4.1 24.2 1.82 15.1
Структурно-сорбционные характеристики угольного порошка: удельная поверхность (5уд, м2/г), удельный объем пор (Vpore, см3/г) и эффективный диаметр пор (dpore, нм) получали методом БЭТ (Брунауэра—Эммета—Теллера) по данным низкотемпературной адсорбции азота (77 К) на анализаторе удельной поверхности Quantachrome Au-tsorb Automated Gas Sorption System (табл. 2).
Распределение поверхностных функциональных групп по кислотности определяли, зная общую обменную емкость (СОЕ), а также величину сорбции 0.1 н. водных растворов NaOH, Na2CO3, NaHCO3. Известно, что гидроксид натрия нейтрализует карбоксильные, фенольные и лактон-ные группы, карбонат натрия — карбоксильные и фенольные группы, гидрокарбонат натрия — только карбоксильные группы [8, 9]. В качестве дисперсионной среды применялись нормальные спирты: метанол (CH3OH), этанол (C2H5OH), 1-про-панол (C3H7OH), 1-бутанол (C4H9OH), 1-пента-
нол (С5Н11ОН), а также изоспирты: 2-пропанол (изо-С3Н7ОН), 2-метил-1-пропанол (изо-С4Н9ОН), 3-метил-1-бутанол (изо-С5НпОН) фирмы ООО "Химлаборреактив", Германия, марка х.ч. Физические характеристики низших спиртов при температуре 20°С: плотность (р, г/см3), динамическая вязкость (п, Па • с), поверхностное натяжение (8, мДж/м2), дипольный момент (ц, дебай), диэлектрическая проницаемость (е) приведены в (табл. 3).
Для получения спиртоугольных суспензий на основе углей разной стадии метаморфизма порошок приведенного гранулометрического состава смешивали в определенных соотношениях с низшими спиртами С1—С5 и гомогенизировали на лопастной мешалке RW-11 (1КА) на протяжении 20 мин при скорости вращения ротора 1500 об/мин. Реологические параметры суспензий: сдвиговое напряжение (а, Па) и вязкость (п, Па • с) — определяли методом ротационной вискозиметрии на приборе "Rheotest RУ2" с помощью измеритель-
Таблица 4. Вязкость спиртоугольных суспензий, полученных с применением нормальных спиртов
Марка угля Ст, %
Спирт 30 35 40 45 55
П, Па ■ с
СН3ОН Б 0.15 0.4 0.54 1.2 -
ДГ - 0.35 0.41 1.13 -
Т - 0.12 0.2 0.53 1.2
А - 0.1 0.13 0.16 0.26
С2Н5ОН Б 0.19 0.48 1.27 - -
ДГ - 0.40 0.60 1.53 -
Т - 0.20 0.30 0.86 2.5
А - 0.17 0.19 0.26 0.39
С3Н7ОН Б 0.31 0.57 1.92 - -
ДГ - 0.43 0.66 1.73 -
Т - 0.30 0.43 1.0 -
А - 0.21 0.26 0.30 0.45
С4Н9ОН Б 0.51 0.65 2.13 - -
ДГ - 0.56 0.79 2.12 -
Т - 0.46 0.63 1.39 -
А - 0.27 0.35 0.45 1.67
С5Н11ОН Б 0.61 0.82 2.35 - -
ДГ - 0.73 1.86 2.39 -
Т - 0.66 1.33 1.59 -
А - 0.71 0.84 0.97 2.25
ной системы Б/Б2 коаксиальных гладких цилиндров (соотношение радиусов цилиндров равно 1.06), при различных скоростях сдвига (у = 0.5— 437.4 с-1). Значения эффективной вязкости спир-тоугольных суспензий определяли при скорости сдвига у = 9 с-1.
Обсуждение результатов
Существенные различия в структуре и природе поверхности углей разной стадии метаморфизма приводят к различного рода взаимодействиям между дисперсной фазой и дисперсионной средой в топливных дисперсных системах. Естественно, что взаимодействие дисперсионной среды с такой гетерогенной поверхностью будет по-разному отображаться на процессах структурооб-разования. Изучение влияния низших спиртов ряда С1—С5 на эффективную вязкость суспензий угля при различных концентрациях дисперсной фазы (Ст, мас. %) показало, что в ряду метаморфизма, при переходе от бурых углей к антрациту, происходит снижение вязкости во всем исследо-
ванном диапазоне скоростей сдвига. Причем такая зависимость характерна для всех спирто-угольных суспензий, полученных как на основе нормальных, так и изоспиртов (табл. 4, 5), т.е. на основе углей марки А (по сравнению с остальными углями) можно получать более концентрированные суспензии при сохранении допустимых значений эффективной вязкости 1.0-2.0 Па • с
[1-5].
По влиянию низших спиртов на рост эффективной вязкости спиртоугольных суспензий на основе углей разной стадии метаморфизма можно построить следующий ряд: 1-пентанол > изо-пропанол > 1-бутанол > изо-бутанол > 1-пропанол > изо-пропанол, этанол > метанол. Необходимо указать, что суспензии, приготовленные в среде первых трех представителей низших спиртов: метанола, этанола и изо-пропанола - мало различаются по вязкости во всем диапазоне исследованных концентраций. Более того, встречаются данные, где изо-пропанол занимает промежуточное место между метанолом и этанолом по влиянию на вязкость спиртоугольных суспензий [10, 11].
Таблица 5. Вязкость спиртоугольных суспензий, полученных с применением изоспиртов
Марка угля Ст, %
Спирт 30 35 40 45 55
П, Па • с
изо-С3Н7ОН Б 0.22 0.50 1.74 — —
ДГ — 0.37 0.56 1.55 —
Т — 0.23 0.34 0.93 —
А — 0.19 0.23 0.28 0.40
изо-С4Н9ОН Б 0.43 0.63 1.99 — —
ДГ — 0.52 0.69 2.0 —
Т — 0.39 0.53 1.27 —
А — 0.23 0.29 0.39 0.51
изо-С5Н11ОН Б 0.56 0.72 2.26 — —
ДГ — 0.66 1.66 2.26 —
Т — 0.56 0.99 1.49 —
А — 0.58 0.64 0.76 1.93
Еще одной важной особенностью, характерной для всех углей ряда метаморфизма, является то, что суспензии, полученные с применением изоспиртов, характеризуются меньшей вязкостью, чем суспензии, полученные с применением нормальных спиртов. В некоторых работах такую зависимость связывают со степенью
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.