煤中有機(jī)質(zhì)可溶組分分子特征的聚類分析

張曉云 王 飛 李國省 樊 星*, 于亞如趙云鵬 魏賢勇 馬鳳云 余 果

1(中國礦業(yè)大學(xué)煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點實驗室，徐州 221116)2(新疆大學(xué)煤炭清潔轉(zhuǎn)化與化工過程自治區(qū)重點實驗室，烏魯木齊 830046)

1 引 言

煤中有機(jī)質(zhì)主要由三維網(wǎng)狀大分子骨架結(jié)構(gòu)和游離其中的有機(jī)小分子組成，富含具有縮合芳環(huán)結(jié)構(gòu)和雜原子的分子[1]。在分子水平上對煤的組成和結(jié)構(gòu)做全面的研究[2,3]，對煤的清潔與高附加值利用具有重要意義。煤的組成與結(jié)構(gòu)的研究分析方法有多種，如傅里葉變換紅外光譜(FTIR)[4]、核磁共振波譜(NMR)[5]、X射線衍射(XRD)[6]、X射線光電子能譜(XPS)[7]、高分辨透射電鏡(HR-TEM)[8]及質(zhì)譜(MS)[9,10]等。

質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展，對在分子水平上獲取煤的組成和結(jié)構(gòu)信息發(fā)揮了重要作用。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC/MS)法是石化和煤化行業(yè)傳統(tǒng)且重要的分析檢測方法之一[11,12]。王飛等[13]用CS2-NMP混合溶劑和丙酮依次對南桐煙煤和云南褐煤進(jìn)行分級萃取，并用GC/MS對丙酮萃取物的組成進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)丙酮萃取物中主要含有脂肪烴、芳香族化合物、含氧衍生物和含氮衍生物等。以飛行時間質(zhì)譜為代表的高分辨質(zhì)譜提供了大量關(guān)于煤中有機(jī)質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)的信息[14]。Xia等[15]采用高效液相色譜-飛行時間質(zhì)譜(HPLC-TOF/MS)分析內(nèi)蒙古東明褐煤中有機(jī)含氮化合物的組成與結(jié)構(gòu)信息，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)含氮化合物以含氮雜環(huán)結(jié)構(gòu)的形式存在，包括吡啶、喹啉和吡咯等。 本課題組也采用大氣壓光電離質(zhì)譜分析了霍林郭勒裼煤中大量的有機(jī)物[16]。

在提高質(zhì)譜分辨率的同時，對數(shù)據(jù)的有效分析成為質(zhì)譜法研究煤組成與結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。聚類分析是一種通過數(shù)據(jù)建模實現(xiàn)數(shù)據(jù)簡化的統(tǒng)計學(xué)方法[16,17]。聚類策略包括最遠(yuǎn)鄰體法、最近鄰體法、離差平方和法、類平均法等，可以通過比較不同聚類策略的同表型相關(guān)系數(shù)選擇適宜的方法[18,19]。聚類樹圖可以依據(jù)樣品之間的相似程度將樣品分為若干類，縮短數(shù)據(jù)的處理時間[20]。聚類熱圖則是數(shù)據(jù)可視化最常用的手段之一[21,22]?？岛幍萚23]采用電噴霧-飛行時間質(zhì)譜(ESI-TOF/MS)研究茶葉中6種兒茶素的含量，以此為指標(biāo)，用聚類分析法對33種茶葉進(jìn)行了合理分類，并能反映出茶葉品質(zhì)的差異。系統(tǒng)聚類分析在處理高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)方面已有應(yīng)用，但是對煤有機(jī)質(zhì)的質(zhì)譜數(shù)據(jù)分析還未見報道。

本研究采用GC/MS和ESI-TOF/MS分析了12組國產(chǎn)煤的有機(jī)質(zhì)萃取物。采用基于R語言的系統(tǒng)聚類分析處理高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)，實現(xiàn)大量質(zhì)譜數(shù)據(jù)的快速處理，同時針對樣品中的雜原子含量及分布進(jìn)行可視化處理，確定煤中有機(jī)質(zhì)可溶組分中化合物的種類、含量以及分布信息，進(jìn)而在分子水平上加深對煤有機(jī)質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

1200/G6210電噴霧-飛行時間質(zhì)譜儀(ESI-TOF/MS，美國Agilent公司); 7890/5975氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC/MS，美國Agilent公司); GJ-AX煤樣破碎機(jī)(南昌化驗制樣機(jī)廠); 抽濾裝置(上海飛達(dá)儀器廠); 索氏萃取器、 R-210旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(瑞士Büchi公司); BP110S精密電子分析天平(德國Sartrius公司); DZF-3真空干燥箱(上海醫(yī)用恒溫設(shè)備廠)。正己烷(分析純，西隴化工股份有限公司)和甲醇(分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑股份有限公司)，在使用前采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀進(jìn)行精制。

2.2 樣品處理

選取6種國產(chǎn)中低階煤作為研究對象，涵蓋我國典型的煤炭產(chǎn)區(qū)，分別為河北范各莊肥煤(FFC)、內(nèi)蒙古大雁褐煤(DL)、新疆西黑山次煙煤(XSBC)、新疆五彩灣次煙煤(WSBC)、河北邢臺1/3焦煤(XCC)、內(nèi)蒙古勝利褐煤(SL)6種煤樣。煤樣經(jīng)過破碎機(jī)粉碎后，通過200目篩(粒徑<0.74 μm)，在真空干燥箱干燥24 h，備用。

2.3 煤樣的分級萃取

圖1 索氏萃取流程圖：ES1：正己烷萃取液; IES1：正己烷萃余物; ES2：甲醇萃取液; IES2：甲醇萃余物; E1：正己烷萃取物; E2：甲醇萃取物Fig.1 Procedure of Soxhlet extraction. Extraction solution 1 (ES1); In-extractable solution 1 (IES1); Extraction solution 2 (ES2); In-extractable solution 2 (IES2); Extract 1 (E1); Extract 2 (E2)

如圖1所示，稱取10 g煤樣用索氏萃取器進(jìn)行萃取，所用溶劑依次為正己烷和甲醇。由于萃取溶劑沸點均在70℃左右，萃取溫度要比沸點高10℃才能萃取出，所以，萃取溫度為80℃。在索氏萃取容器中裝入150 mL溶劑，萃取溫度80℃，萃取24 h。將正己烷萃取液經(jīng)過MgSO4干燥后，過濾脫除干燥劑，減壓蒸餾脫除有機(jī)溶劑得到正己烷萃取物，分別記為FFC-HEX、DL-HEX、XSBC-HEX、WSBC-HEX、XCC-HEX和SL-HEX。將正己烷萃余物干燥后，在相同條件下使用150 mL甲醇作為萃取劑進(jìn)一步萃取，得到甲醇萃取液。甲醇萃取液經(jīng)過MgSO4干燥后，過濾脫除干燥劑，減壓蒸餾脫除有機(jī)溶劑，得到6組甲醇萃取物，分別記為FFC-ME、DL-ME、XSBC-ME、WSBC-ME、XCC-ME和SL-ME。12組萃取物的對應(yīng)收率見表1。

表1 12組萃取物的收率

Table 1 Yields of 12 extracts

煤樣Coal sample一級萃取收率Primaryextraction yield(%)二級萃取收率Secondaryextraction yield(%)范各莊肥煤Fangezhuang fat coal(FFC)6.450.68大雁褐煤Dayan lignite(DL)5.561.13西黑山次煙煤Xiheishan sub-bituminouscoal (XSBC)4.170.47五彩灣次煙煤Wucaiwansub-bituminouscoal (WSBC)6.230.87邢臺焦煤Xingtai coking coal(XCC)5.711.02勝利褐煤Shengli lignite(SL)4.751.54

3 結(jié)果與討論

3.1 煤萃取物的GC/MS分析

通過GC/MS分析12組煤萃取物，得到烷烴、芳烴、含氧化合物(酚類、醚類、酮類、酯類和羧酸)和含氮化合物(酰胺)等信息。利用系統(tǒng)聚類分析中的類平均法，采用歐氏距離對12組萃取物進(jìn)行聚類分析，得到其中的族組分基于相對含量的聚類情況。如圖2所示，熱圖內(nèi)的不同顏色代表各族組分的相對含量，顏色由黃到紅表示族組分相對含量逐漸增加。芳烴在12組萃取物中的含量都很高，主要是中低階煤中的多環(huán)芳烴類化合物，如萘、蒽、菲及其衍生物等。熱圖上方的樹圖顯示12組煤萃取物以所含有機(jī)質(zhì)可溶組分的種類及相對含量上的相似度聚為4類，SL-ME、XSBC-ME和WSBC-ME三組聚為一類，除了芳烴之外，主要含有醚、酯、酚等含氧化合物。這可能是由于極性溶劑對于含氧化合物具有較好的萃取效果[24]，且這3種煤樣的煤化程度較低，含氧量較高。中低階煤中的氧主要以酚羥基和醚鍵的形式存在[25]。FFC是肥煤，在此6種煤樣中煤化程度最高，即使采用甲醇萃取，含氧化合物的含量都很低，而烴類很高。因此FFC-HEX和FFC-ME由于都含有較高含量的芳烴和烷烴而聚為一類，其芳烴和烷烴總的相對含量都達(dá)到80%以上。XCC的煤化程度僅次于FFC，排在6種煤中的第二位，其正己烷萃取物(XCC-HEX)中的芳烴和烷烴含量也很高，僅次于FFC。而DL-ME、DL-HEX、XSBC-HEX、XCC-ME、SL-HEX和WSBC-HEX聚為一類，是因為在這些萃取物中，檢測到相對含量較高的芳烴，高達(dá)90%以上，且其它組分的相對含量不明顯。

圖2 基于GC/MS數(shù)據(jù)的12組萃取物族組分系統(tǒng)聚類分析樹圖和熱圖(樹圖聚為4類，從左到右分別用紅色、藍(lán)色、粉色和黃色方框圈定)SL-ME：勝利褐煤甲醇萃取物; XSBC-ME：西黑山次煙煤甲醇萃取物; WSBC-ME：五彩灣次煙煤甲醇萃取物; DL-ME：大雁褐煤甲醇萃取物; DL-HEX：大雁褐煤正己烷萃取物; XSBC-HEX：西黑山次煙煤正己烷萃取物; XCC-ME：邢臺焦煤甲醇萃取物; SL-HEX：勝利褐煤正己烷萃取物; WSBC-HEX：五彩灣次煙煤正己烷萃取物; FFC-HEX：范各莊肥煤正己烷萃取物; FFC-ME：范各莊肥煤甲醇萃取物; XCC-HEX：邢臺焦煤正己烷萃取物Fig.2 Hierarchical clustering analysis (HCA) of gas chromatography-mass spectrometry (GC/MS) data of 12 extracts via heatmap and dendrogramSL-ME: Shengli lignite-methanol extract; XSBC-ME: Xiheishan sub-bituminous coal-methanol extract; WSBC-ME: Wucaiwan sub-bituminous coal-methanol extract; DL-ME: Dayan lignite-methanol extract; DL-HEX: Dayan lignite-hexane extract; XSBC-HEX：Xiheishan sub-bituminous coal-hexane extract; XCC-ME: Xingtai coking coal-methanol extract; SL-HEX: Shengli lignite-hexane extract; WSBC-HEX: Wucaiwan sub-bituminous coal-hexane extract; FFC-HEX: Fangezhuang fat coal-hexane extract; FFC-ME: Fangezhuang fat coal-methanol extract; XCC-HEX: Xingtai coking coal-hexane extract

3.2 煤萃取物的ESI-TOF/MS分析

圖3 最適輪廓寬度值圖Fig.3 Bar plot showing the average silhouette widths

GC/MS主要用于分析分子量和極性均較低的有機(jī)化合物，而ESI-TOF/MS可用于分析分子量及極性均較高的分子。將GC/MS和ESI-TOF/MS得到的質(zhì)譜數(shù)據(jù)結(jié)合起來，可以得到更為全面的煤中有機(jī)質(zhì)可溶組分的分子信息。與GC/MS相比，ESI-TOF/MS具有更寬的質(zhì)量分析范圍及更高的分辨率，可以獲得更多的化合物分子信息[26]。將12組萃取物的ESI-TOF/MS數(shù)據(jù)用R studio進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析。以FFC煤樣為例，為了更好地實現(xiàn)系統(tǒng)聚類分析，首先比較不同聚類策略(類平均法、最遠(yuǎn)鄰體法、最近鄰體法和離差平方和法)下的同表型相關(guān)系數(shù)，結(jié)果表明，類平均法得到了最高的同表型相關(guān)系數(shù)0.84，此聚類結(jié)果更接近于實際情況。進(jìn)一步比較類平均法與其它一些聚類策略的Shepard圖，可以看出類平均法得到的聚類結(jié)果能夠比較客觀地反映原始數(shù)據(jù)間的相似關(guān)系。因此，在對FFC-HEX樣品的質(zhì)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析時，選擇類平均法實現(xiàn)聚類。確定聚類策略，還需進(jìn)一步做出基于類平均法的最適輪廓寬度值圖，如圖3所示，K=7時最合適。

圖4 119種范各莊煤正己烷萃取物的樹圖分布Fig.4 Dendrogram of the 119 compounds from FFC-HEX

圖5 正己烷萃取物中含雜原子化合物數(shù)量的分布Fig.5 Distribution of the number of heteroatom-containing compounds in n-hexane extracts

如圖4所示，通過聚類分析，F(xiàn)FC-HEX中的119種化合物被分為7組，這與最適輪廓寬度值的預(yù)測完全一致。從左到右依次為O、ON、N、SN、ONS、OS及S族化合物。電子版文后支持信息表S1中列出的是FFC-HEX萃取物中119種化合物的分子式，結(jié)合不同族組分所含化合物編號，系統(tǒng)聚類分析的聚類結(jié)果與實際情況完全符合。通過聚類分析，可在非人為干預(yù)的條件下準(zhǔn)確實現(xiàn)從大量數(shù)據(jù)中獲得有效信息，從而減少數(shù)據(jù)處理工作量。

圖6 基于ESI-TOF/MS的12組萃取物聚類分析樹圖和熱圖Fig.6 HCA of ESI-TOF/MS data of 12 extracts via heatmap and dendrogram

4 結(jié) 論