木质素磺酸盐水煤浆分散剂的研究进展
王红林，吴国光，孟献梁**
作者简介：王红林，（1987-），男，硕士研究生，洁净煤技术。
通信联系人：吴国光，（1963-），男，教授，博士生导师，洁净煤技术. E-mail: ggwu@cumt.edu.cn
（中国矿业大学化工学院，江苏 徐州 221116）
5 摘要：木质素磺酸盐是造纸工业的副产物，若不加以利用，不仅对环境造成污染，而且对资
源也是一种浪费。为此，人们不断地对木质素磺酸盐进行研究，以开发其性能，并将其应用
于医药、生物、材料、能源等各个领域。本文主要介绍了木质素磺酸盐用作水煤浆分散剂及
其研究方向，并探讨了木质素磺酸盐作为分散剂的发展趋势。
关键词：木质素磺酸盐；水煤浆；分散剂；研究方向
 25 0 引言
水煤浆是一种新型煤基液体燃料，是由70%的煤、30%的水以及一定量的添加剂经过一
定的加工工艺制成的。由于它既保持了煤炭原有的物理特征，又具有石油一样的流动性与稳
定性，便于储存、泵送、雾化和稳定燃烧，是一种理想的代油煤炭清洁燃料。具有工业应用
价值的水煤浆应具有高浓度、低黏度、良好的流动性及稳定性[1]。为此，在制备水煤浆时，
30 选择合适的添加剂显得十分重要。将添加剂加入水煤浆中，改变煤粒的表面性质，使煤粒能
够在水中很好的分散开并具有良好的流动性和稳定性。按照添加剂的作用可将其分为：分散
剂、稳定剂和辅助药剂三类。其中，分散剂的选择是制浆成功的关键因素之一。目前市场上
使用广泛的是萘磺酸盐及其缩合物分散剂，这类分散剂能够很好的减少浆体的粘性，但其稳
定性较差[2]，而且随着工业萘的短缺，这类分散剂的价格也越来越贵。因此，开发一种低成
35 本，适用范围的广的分散剂尤为重要。
木质素在自然界中储量很大，然后，据统计我国仅6%的木质素得到利用[3]。作为木材
水解工业和造纸工业的副产物，如果可以得到有效的利用，不仅可以减少其对环境的污染，
而且可以充分利用资源，减少浪费。因此，近年来，人们对木质素类分散剂日益关注。然而
目前木质素一般都作为土质稳定剂、粘结剂、混凝土减水剂、油井水泥缓凝剂；在轻化工方
40 面作为原料的添加剂；在水处理方面作为絮凝剂、阻垢剂、分散剂、缓蚀剂等[4-7]，但将其
用于水煤浆分散剂的应用及性能的研究相对较少，而且制备的浆体黏度比较大，这些方面都
限制了其广泛的应用。
 1 木质素磺酸盐的结构特点
木质素磺酸盐是由木质素经过磺化反应制备得到的，其结构与木质素的结构基本相似。
45 木质素分子结构十分复杂，而且种类繁多，所以其分子结构也是多种多样。然而，目前人们
普遍认为其结构是由C6-C3 单元的苯丙烷单元通过醚键和碳-碳键连接的复杂的无定型高聚
物[8-10]。根据苯基所连官能团不同，木质素结构主要有以下三种[11]：
由于木质素苯环结构具有酚羟基，使得其邻位，间位及某些官能团的活性提高，经磺化
50 剂作用后很容易将磺酸基团引入其中，从而形成木质素磺酸盐[3]。
2 木质素磺酸盐表面性能研究
要使水煤浆分散剂能够起到很好的作用，需要使分散剂能够有效的与颗粒结合，使能够
形成稳定的水化膜，使得颗粒与颗粒之间有一定的静电斥力和空间位阻存在，从而保证制得
的浆体具有很好的稳定性和流变性[12]。影响木质素磺酸盐表面性能的主要因素有粒径、平
55 均分子质量、官能团、pH 和浓度。研究表明，大粒径、大分子量的木质素磺酸盐吸附性能
好；官能团的影响是最为重要的。烷基侧链体现亲油性，醇羟基、酚羟基、羧基等官能团表
现出亲水性，只有兼具亲水亲油性的物质才有很好的吸附性，该物质是分散剂的最好选择。
K.R.Ratinac[13]等就木质素磺酸盐在改性后的锆钛酸铅悬浮液中进行吸附实验，考察木质
素磺酸盐对zeta 电位及悬浮液流变性的影响。范娟[14]等研究了木质素磺酸盐树脂对六价铬
60 的吸附特性，考察了吸附时间，溶液浓度、酸度、温度等因素对吸附过程的影响。张延霖[15]
等采用椭圆偏振法测定了木质素磺酸钠及改性木质素磺酸钠在光滑的煤表面和载波片表面
的吸附膜厚度，定量对比了添加剂在固体表面吸附的空间位阻作用的大小。敖先权[16]等对
制备的木质素磺酸盐进行FTIR 光谱分析，对其在煤粒的吸附以及对煤粒界面自由能、水化
膜等的影响进行了讨论。结果表明，木质素磺酸盐能降低煤粒界面自由能和水化膜厚度，起
65 到分散作用。
3 木质素磺酸盐的研究方向
由木质素磺酸盐的结构可知，木质素磺酸盐具有较强的亲水性和负电性能够很好的与水
结合；而其疏水基团相对较少，不能很好的与煤粒表面结合。这也是这类分散剂效果差，不
能被很好利用的根源。为了解决这问题，人们纷纷对其进行改性，希望以此来提高木质素磺
70 酸盐的性能，拓宽其应用范围。
3.1 木质素磺酸盐的物理改性
所谓物理改性即利用分离技术手段将木质素磺酸盐进行分离、分级和提纯。主要的物理
分离技术是膜分离，即通过超滤、石灰沉淀法、离子交换法等技术对木质素磺酸盐进行物理
 改性。
75 Dongjie Yang[17]等利用超滤将木质素磺酸钠进行分离，对不同分子量的木质素磺酸钠
分别用于分散剂来制备水煤浆，结果表明，分子量在10000-30000 的木质素磺酸钠制备水煤
浆具有很好的效果，该级别的分散剂能够有效的降低水煤浆的粘度，其吸附性能和改变煤粒
表面的点性性能也有很显著的提高。严明芳[18]等分别采用超滤法、树脂法、长链胺法和溶
剂萃取法对粗木质素磺酸钠进行分离提纯，测定了提纯产品的木质素磺酸钠和还原糖含量以
80 及 C，H 元素含量及分子量分布。溶剂萃取法不能达到提纯目的，树脂法、超滤法及长链
胺法可有效地除去无机盐、还原糖及相对分子量小于1000 的杂质，具有较好的提纯效果，
长链胺法提纯效果优于其它提纯法，提纯产品的木质素磺酸盐含量最高可达到90%。提纯
产品与粗木钠分子结构存在一定的差别，提纯产品的数均分子量和重均分子量增加，多分散
性减小，其中超滤法提纯产品重均分子量较大，达到 11000 以上。Kabita Chakrabarty[19]等
85 利用载体乳液液膜对木质素磺酸盐进行分离提纯。结果表明，以三辛胺为载体，二氯乙烷作
为溶剂能够有效的将木质素磺酸盐进行提纯分离。周明松[20]等分别对杨木、麦草、竹子和
甘蔗渣的木质素磺酸钠的分子结构特征进行了研究，对其结构上的差异性进行了分析，同时
将这几种木质素磺酸盐用做水煤浆分散剂，研究其对水煤浆分散降黏的差异。为不同来源木
质素磺酸钠作为水煤浆分散剂的研发应用提供理论基础和基础数据。
90 3.2 木质素磺酸盐的化学改性
所谓化学改性即针对木质素磺酸盐的结构通过引入或改变其官能团从而改变自身的性
质。常见的化学改性包括化学氧化、缩合、烷基化和接枝共聚等[3]。
化学氧化即通过与氧化剂发生化学反应，使木质素磺酸盐发生降解，形成许多小分子，
小分子间再进行缩合反应，从而形成相对分子质量较大的聚合物。有研究表明，氧化改性能
95 够增加结构中的羰基和羧基含量。缩合改性是由于木质素磺酸盐分子中的酚羟基结构，该结
构在酸或碱条件下与某些单体物质发生反应。烷基化改性根据某些木质素磺酸盐结构中含有
醇羟基、酚羟基和羰基等活性基团[3]，与卤代烷烃发生取代反应，以此改变性能。目前人们
关注的改性方法是接枝共聚反应，该反应是自由基反应，引发剂作用产生自由基，自由基再
与乙烯基类单体发生共聚完成整个反应。
100 Yuxia Pang[21]等在碱性环境下分别对木质素磺酸钙进行氧化作用，羟甲基化作用和磺化
作用，结果表明，三种处理方法使得木质素磺酸钙的吸附性能得到提高，吸附数量也有显著
的增加。进一步研究表明，磺化作用只对分散效果有所提高对其他性能影响较小；氧化作用
与羟甲基化作用相比较具有不利的影响；羟甲基化作用仅能够提高表面活性，对分散性能的
改善较弱。M.V.Alonso [22]等使用苯酚对木质素磺酸钠的结构进行改性，通过对不同反应温
105 度，反应时间和木质素含量的考察来确定反应条件对改性后产品的影响，对其进行建模，最
终确定适宜的反应条件。胡文莉[23]等将木质素磺酸钠进行先磺化再用甲醛进行羟甲基化进
行改性，结果表面，改性后的木质素磺酸钠对水煤浆的分散降粘作用显著提高，而且与常用
的萘系分散剂相比较优。卢卓敏[24]等以卤代烷烃为烷基化试剂，向木质素磺酸盐分子中引
入烷基链，改性后的产品具有较好的两亲性，在油和水中都有较高的溶解度，而且表面活性
110 大大增强。朱红[25]等在纳米级氧化硅的生产过程中与木质素磺酸盐类减水剂结合，得到一
种纳米改性木质素磺酸盐减水剂。改性后的减水剂反应条件温和，原材料容易得到，高效，
便宜，减水效果好等优点。
 3.3 木质素磺酸盐的复配改性
复配法是通过加入其他分散剂复合使用以此来提高其性能，但有几点不足。一是复配对
115 木质素磺酸盐的结构没有影响，即其亲水亲油性未改变，通过简单的配合难以达到互补的效
果；二是进行复配的分散剂的价格一般都比较高，即成本较高缺乏竞争。
4 展望
尽管木质素磺酸盐含量丰富，价格便宜，制得的浆液具有良好的稳定性，但其本身结构
上的缺陷成为其广泛应用的限制因素。为了更好的、更加有效的利用木质素磺酸盐，应该从
120 以下几点进行进一步研究：
1，从分子水平对木质素磺酸盐的改性进行研究，对其结构与性能之间的关系进行探讨；
2，寻找一种能够与煤粒较好的结合的物质，考虑将这种物质与木质素磺酸钠进行结合，
从而改善其在煤粒表面的分布状况，使更好的发挥作用；
3，优化木质素磺酸盐接枝共聚的工艺，使达到更好的接枝效果；
125 4，考虑不同种类的分散剂的缩合、共聚，即木质素磺酸盐与其他系分散剂的缩合、共
聚，以达到优势互补的效果。