综述：水基浆体管道输送用流变改性剂：概述、效率及优化方法

《ADVANCES IN COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》：Rheology modifiers for water-based slurry pipeline transportation: overview, efficiency, and intensification

　　艾哈迈德·阿拉卢|穆罕默德·埃尔阿斯里|艾哈迈德·布拉赫纳|穆萨纳·H·阿尔达汉
摩洛哥菲斯市西迪穆罕默德本阿卜杜拉大学科学与技术学院应用有机化学实验室，邮政信箱2202，伊穆泽尔路

摘要
由于成本效益高且环保，水基浆体输送管道已成为输送煤炭、飞灰、石油焦、铁矿石、磷矿及其他矿物等多种固体物质的最先进技术。本文全面分析了各类商用分散剂及新型化学添加剂作为流变改性剂的作用，这些改性剂可用于提高高固含量固体-水浆体的流动性。文章详细研究了流变特性（剪切应力、表观粘度、屈服应力及流动行为）、潜在稳定性、表面张力及接触角等关键性能参数，以评估流变改性剂的效率，并探讨了化学添加剂在固体颗粒表面的吸附机制。总体而言，化学添加剂的效率很大程度上取决于其自身特性（用量、分子量、官能团等）、固体材料的表面性质以及浆体的特性。现有研究表明，传统分散剂可使表观粘度降低20?40%，而生物表面活性剂则可降低30?50%。更为先进的接枝共聚物和纳米粒子辅助型分散剂则能使表观粘度降低50?80%，同时允许在较低添加剂量（<0.5wt%）下实现超过70wt%的固体含量。此外，协同作用的添加剂混合物还能将管道压降降低多达50%，充分体现了多组分分散剂系统在工业浆体输送领域的巨大潜力。文章还对某些现有方法的缺陷进行了批判性分析，并提出了未来研究的方向。

引言
长期以来，管道一直是输送天然气、石油及其他液态石油产品最经济高效的陆上运输方式[1]–[4]。然而，随着能源和矿业领域对降低碳足迹以及采用更环保、可持续的生产工艺的要求日益增加，浆体输送管道逐渐成为输送各种固液悬浮体系的最先进技术，这类体系包括煤水浆、飞灰浆、石油焦浆、铁矿石浆、磷矿浆，以及铝土矿、石灰石、膨润土、锌/铅精矿、镍红土、黏土/陶瓷矿物浆等[5]–[15]。1957年在美国建成的174公里长的俄亥俄州煤水浆管道是首条长距离浆体输送管道，为后续众多类似管道的建设奠定了基础，其中最新的当属中国长度为727公里的神威煤管道[16]–[18]。

与传统运输方式相比，浆体输送管道更具高效性与实用性，它能够实现大规模、远距离的快速运输，同时降低运输过程中的能耗，从而减少运营成本。此外，这类管道支持连续作业，损耗率低于0.1%，属于封闭式系统，可避免污染物排放与污染，进而提升整体生产效率，减少运输过程对环境的影响[19]–[20]。不过，由于高浓度浆体具有复杂的流变行为，优化浆体输送管道的性能仍面临一些挑战。目前人们对这种流变行为的理解还不够深入，尤其是颗粒间作用力、颗粒表面化学性质以及流体动力学相互作用之间的关联。这些颗粒间作用力以及疏水/亲水相互作用在决定浆体的流动性及泵送性方面起着至关重要的作用，尤其是在高干固体含量情况下[21]–[22]。对于每种类型的浆体（煤炭、飞灰、石油焦、铁矿石、磷矿、石灰石、铝土矿等），都需要根据固体颗粒的化学与物理性质——包括官能团、颗粒形状、比重及粒径分布——来优化其流动性，同时确保达到理想的干固体含量。较高的干固体含量不仅更具成本效益，也更符合环保要求，因为能减少用水量。然而，在高固体浓度条件下，由于界面力的复杂性，浆体的流动性会显著下降，从而增加颗粒团聚和沉积的风险[23]–[32]。

为应对固体颗粒团聚以及管道输送过程中流体损失等问题，人们通常会添加流变改性剂，这类改性剂多为表面活性剂或聚合物表面活性剂，添加量约为干固体含量的1wt%。这些添加剂能够增强颗粒的悬浮状态，防止颗粒团聚，提高固体颗粒的亲水性，降低管道内的压降，进而提升浆体输送管道的运行效率[17]–[37]。

尽管人们越来越重视利用浆体输送管道来输送固体矿物和能源资源，但目前仅有少数综述文章[8]、[17]、[38]、[39]致力于评估各类化学添加剂作为煤水浆和铁矿石浆流变改性剂的效果。虽然Kebede和Kaushal在2015年发表了相关研究[8]，距今已有10年，但Pradhan在2026年的研究[40]仅简要介绍了某些添加剂作为浆体流变改性剂的效果，未能深入分析新开发的添加剂。同样，Nunes在2015年的研究[17]也仅涵盖了文献中已研究的少量流变改性剂，且仅针对煤水浆。此外，Xu等人2023年的综述[39]仅涉及阴离子型分散剂及其对煤水浆流变特性的影响。因此，有必要对用于浆体输送的分散剂的配方与应用方面的最新进展进行更深入、更全面的分析，涵盖多种类型的浆体（煤水浆、飞灰浆、铁矿石浆、石油焦浆、磷矿浆以及其他各类矿物浆）。

除了通过开发新型商用分散剂在浆体输送管道技术方面取得的显著进步外，那些尚未解决的难题也需要得到妥善处理和深入研究。其中一个主要问题是，分散剂的性能高度依赖于具体系统，目前缺乏将分散剂的分子结构与浆体流变特性及输送效率联系起来的通用设计原则。此外，大多数现有研究主要集中在煤水浆上，而对磷酸盐浆、石油焦浆、飞灰浆以及其他矿物浆（如石灰石、膨润土、铝土矿等）的研究相对较少[14]、[15]、[41]、[42]。另一个阻碍浆体输送系统优化的重大问题在于，实验方法、流变特性测定以及操作条件之间存在诸多不一致之处，这使得难以直接比较不同文献中的研究结果。另外，尽管环保意识日益增强，但可持续、可生物降解且低毒性的流变改性剂的研究仍然不够充分。解决这些未解决的问题对于提升浆体输送管道系统的效率、可持续性以及其在工业领域的规模化应用至关重要。

本文旨在通过提供关于浆体输送管道用分散剂配方与应用的全面且最新的分析，来应对这些挑战。具体而言，本文分析了提高固液悬浮体系流动性及输送性能的最新进展，重点探讨了分散剂对表观粘度、屈服应力、流动行为、接触角及压降等关键流变与输送参数的影响。此外，本文还对新型流变改性剂的设计与开发方法进行了批判性分析，着重研究了结构与性能之间的关系以及新兴的可持续分散剂技术。

章节节选
浆体流变学基础
“流变学”一词源自希腊语“rhein”，意为“流动”。因此，流变学从字面上可以理解为流动的科学。它是物理学和物理化学的一个分支，传统上被定义为研究物质的流动与变形的学科。不过，流变学并不仅限于粘性液体的行为和弹性固体的变形，它还包括对复杂粘弹性材料——即结构化流体的研究，例如……

煤水浆
煤炭是一种化石燃料，也是全球能源供应中占比第二大的能源，约占世界电力需求的40%[49]。煤炭是由史前植物在不同的地质条件下经过数百万年的埋藏后分解形成的。植物的种类、沉积物的年龄以及温度和压力条件是决定煤炭等级的因素[50]、[51]。煤炭的等级是根据其能量密度（即热量……）来确定的。

结论
本文是对利用流变改性剂提高各类固体-水浆体的流动性及管道输送性能的全面综述，重点介绍了用于开发流变改性剂的各种方法的进展，以及在提高浆体干固体含量、减少管道输送所需水量、提升浆体的静态与动态稳定性等方面所取得的成果。

作者贡献说明
艾哈迈德·阿拉卢：撰写——综述与编辑，撰写——初稿，方法论，研究，正式分析，概念构建。
穆罕默德·埃尔阿斯里：撰写——综述与编辑，验证，监督，方法论，正式分析，概念构建。
艾哈迈德·布拉赫纳：撰写——综述与编辑，项目管理，方法论，研究。
穆萨纳·H·阿尔达汉：撰写——综述与编辑，验证，监督，资源协调，项目管理，概念构建。

伦理标准遵循情况
本文未涉及任何涉及人类或动物受试者的研究。

资金支持
本研究得到了摩洛哥高等教育、科学研究与职业培训部下属的国家科学和技术研究中心（CNRST）的资助。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者感谢富布赖特基金会在本项目期间所提供的支持。