表面活性剂结构对褐煤润湿改性的影响

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褐煤因具有发达的孔隙结构和丰富的含氧官能团,表现出强亲水性,干燥后会回吸空气中的水分,不利于储存和后续的工业利用。因此有必要对褐煤进行润湿改性,降低其亲水性,来抑制干燥褐煤的水分回吸。具有双亲结构的表面活性剂是调控固体表面润湿性的重要工具。理论上表面活性剂可通过两种作用机制来调控褐煤的润湿性:表面活性剂的亲水基吸附在褐煤表面的亲水含氧部分,疏水链朝向空气,从而降低褐煤亲水性;表面活性剂的疏水碳链也能吸附于褐煤的疏水有机质部分,亲水链面向空气,反而增加褐煤表面亲水性。如此看来,表面活性剂分子在褐煤表面的吸附机制和吸附层结构决定了褐煤的亲、疏水性转变,而吸附机制和吸附层结构很大程度上受表面活性剂的分子结构影响。因此本文选择了具有不同结构的表面活性剂研究其分子结构(包括亲水基团类型、疏水链结构等)对其在褐煤表面的吸附机理与特性、吸附层结构和对褐煤表面润湿性的影响。  首先,以十二烷基碳链为基础,选择了一系列含不同亲水基团的表面活性剂:十二烷基三甲基溴化铵(DTAB),十二烷基磺酸钠(SDS)和十二烷基聚氧乙烯醚(C12EO9和C12EO15)研究表面活性剂亲水结构对褐煤润湿改性的作用,结果表明:含有阳离子亲水基团的 DTAB主要通过静电作用吸附在带负电的褐煤表面,疏水链朝外从而有效降低了褐煤亲水性;而含有阴离子亲水基团的SDS因为静电斥力作用,在褐煤表面吸附量很少,对褐煤亲水性降低效果最差;含有聚氧乙烯醚亲水基团的C12EOn通过氢键和疏水键合作用吸附在褐煤表面,对褐煤表面疏水改性呈现中等作用效果。  其次,在得知亲水基团为季铵盐的阳离子表面活性剂对褐煤疏水改性效果最好的基础上,选择不同疏水碳链长度的季铵盐表面活性剂:十烷基三甲基溴化铵(C10TAB),十二烷基三甲基溴化铵(C12TAB),十四烷基三甲基溴化铵(C14TAB)和十六烷基三甲基溴化铵(C16TAB)研究表面活性剂疏水碳链长度对褐煤润湿改性的影响,结果表明:随着疏水碳链增长,表面活性剂在褐煤上的吸附量逐渐增大,但改性褐煤亲水性随着碳链的增长先降低后增加,分析原因是随着碳链长度增加,表面活性剂的疏水碳链间缔合作用增强,在褐煤表面形成双层吸附导致亲水基团朝外,从而出现了润湿性反转。  最后以十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)为基础,选择十二烷基二甲基苄基溴化铵(DDBAB)和gemini表面活性剂(G12-2-12)研究了苯环结构和二聚结构对表面活性剂调控褐煤润湿性的影响,结果表明:苯环增加了表面活性剂和褐煤π键作用,G12-2-12的二聚结构增加了与褐煤的静电吸引作用,从而使表面活性剂在褐煤表面吸附量都较DTAB增加,在降低褐煤亲水性方面G12-2-12和DTAB效果最好,两者相差不大。
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