低溫煤焦油超聲萃取物的組成分析*

師 浩，王富強，何一凡，馬 倩，高 勇**，白錦軍，亢玉紅，李大艷

(1.榆林學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院 陜西省低變質(zhì)煤潔凈利用重點實驗室，陜西 榆林 719000；2.西安航天動力試驗技術(shù)研究所,陜西 西安 710100；3.榆林學(xué)院 外國語學(xué)院，陜西 榆林 719000)

低溫煤焦油是一種具有刺激性臭味的黑色或黑褐色的黏稠狀液體[1]，是煤在低溫干餾和氣化過程中獲得的產(chǎn)品。煤焦油中組分非常復(fù)雜，其中有機化合物組分約有上萬種，已被鑒定的約有500余種，由這些化合物組成的產(chǎn)品中，有些產(chǎn)品不可能或不能經(jīng)濟的從石油產(chǎn)品中獲取[2-3]。煤焦油產(chǎn)品在世界化工原料需求中有極其重要的地位，分離提純后加工可用于制造樹脂、工程塑料、染料、油漆以及醫(yī)藥方面[4]。傳統(tǒng)的焦油加工通常采用的是管式爐常壓連續(xù)蒸餾的方法，分離效率低，分離出的產(chǎn)品種類少，能源消耗大，環(huán)境污染嚴(yán)重[5]。有文獻報道，采用常溫常壓下溶劑萃取的方法分離煤焦油，大大改善了操作環(huán)境，提高了分離效果[5-7]。作者采用等體積的石油醚/甲醇混合溶液作萃取劑超聲萃取低溫煤焦油，并對石油醚萃取物中的有機質(zhì)組分進行分析。

1 實驗部分

1.1 原料、試劑與儀器

低溫煤焦油：陜北榆林。

石油醚、甲醇：分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：RE-201D，鞏義市宇翔儀器有限公司；真空抽濾儀：SHZ-D(Ⅲ)，河南省予華儀器有限公司；氣相色譜/質(zhì)譜儀：Agilent7890/5973，安捷倫公司。

1.2 低溫煤焦油的萃取

t=10 ℃，量取煤焦油10 g加入燒杯，再分別量取50 mL石油醚、甲醇加入燒杯，將燒杯放入超聲波振蕩機中超聲萃取10 min，靜置20 min。取上層石油醚萃取液并用0.45 μm有機濾膜在抽濾機上過濾備用，再次向燒杯加入石油醚，使液位至100 mL。重復(fù)上述步驟至燒杯內(nèi)加入新鮮石油醚后基本不變色。將備用的萃取液放入油浴旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，設(shè)置油溫t=80 ℃、n=20 r/min進行旋蒸，得到石油醚萃取物。

1.3 萃取物的分析

萃取物用氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)分析，其中各組分的相對含量用RC表示。GC-MS利用氣相色譜作為質(zhì)譜的進樣系統(tǒng)，使復(fù)雜的化學(xué)組分得到分離；利用質(zhì)譜儀作為檢測器進行定性和定量的分析，主要用于定性、定量分析沸點較低且熱穩(wěn)定性好的化合物。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤焦油萃取物中各組分總體含量

石油醚萃取煤焦油各組分總體含量見圖1。

圖1 石油醚萃取煤焦油各組分總體含量圖

由圖1可知，石油醚萃取物中，芳烴含量最高，烷烴類次之，兩者超過總組分的60%。說明用石油醚萃取陜北榆林地區(qū)低溫煤焦油的組分中主要以芳香族化合物和烷烴為主。萃取物中含有一定量的含氧化合物和含氮化合物，說明陜北榆林地區(qū)低溫煤焦油中含有一定量的氧與氮元素。

2.2 烷烴

萃取物中烷烴的組成和相對含量見表1。

表1 烷烴的組成

由表1可知，組分相對含量大于1%的烷烴共有7種，占總組分的25.60%；相對含量大于4%的烷烴共有2種，占總組分的14.19%。烷烴類組分的相對含量占總組分的32.50%，正構(gòu)烷烴的相對含量最高，占總組分的14.45%，支鏈烷烴的相對含量最低，占總組分的5.43%，環(huán)烷烴相對含量占總組分的12.62%。表明陜北榆林地區(qū)低溫煤焦油中烷烴多為長直的鏈烷烴和環(huán)狀的烷烴，帶支鏈的烷烴較少，導(dǎo)致低溫煤焦油的熔沸點可能會相對較高。

2.3 烯烴

萃取物中烯烴的組成和相對含量見表2。

表2 烯烴的組成

由表2可知，組分相對含量大于1%的烯烴共有2種，占總組分的9.85%。烯烴類組分的相對含量占總組分的10.71%，且主要以正構(gòu)烯烴和支鏈烯烴為主。其中支鏈烯烴的相對含量較高，占總組分的9.85%，正構(gòu)烯烴的相對含量占總組分的0.86%。表明陜北地區(qū)低溫煤焦油中烯烴含量少而且多為支鏈烯烴。

2.4 芳烴

萃取物中芳烴的組成和相對含量見表3。

表3 芳烴的組成

由表3可知，組分相對含量大于1%的芳烴共有13種，占總組分的32.50%；芳烴主要以非取代的芳烴、三烷基取代的苯、烷基取代的聯(lián)苯、萘、二烷基取代的萘、芴和菲為主。芳烴類組分的相對含量占總組分的35.60%。表明陜北榆林地區(qū)低溫煤焦油中芳香族化合物中主要是苯、聯(lián)苯、萘、茚、芴、蒽、菲、芘等，其種類較多，但相對含量都不高。

2.5 含氧化合物

萃取物中含氧化合物的組成和相對含量見表4。

表4 含氧化合物的組成

由表4可知，含氧化合物中酚的組分含量大于13%，醇和醛的組分含量分別小于3%和1%。表明陜北榆林地區(qū)低溫煤焦油中含氧化合物含量較高，且多以酚的形式存在。

2.6 含氮化合物

萃取物中含氮化合物的組成和相對含量見表5。

表5 含氮化合物的組成

由表5可知，相對含量大于1%的含氮化合物共有1種，占總組分的1.37%。含氮化合物類組分的相對含量占總組分的3.89%。表明陜北榆林地區(qū)煤焦油中含氮化合物的含量較低。

3 結(jié) 論

陜北榆林地區(qū)低溫煤焦油超聲萃取物中烷烴和芳烴的相對含量超過總組分的60%，其中烷烴多為直鏈，芳香族化合物種類較多，如苯、聯(lián)苯、萘、茚、芴、蒽、菲、芘等，但相對含量均較低。烷烴和芳烴通過斷鏈催化加氫可獲得汽油、柴油和燃料油等油品[8]。烯烴的相對含量約占總組分10%，且多為支鏈烯烴。含氧化合物的相對含量占總組分的17%，且主要是酚類。含氮化合物的相對含量較低，僅占總組分的3.89%。