中溫煤焦油瀝青逐級萃取的產(chǎn)物組成與結(jié)構(gòu)分析

摘要：以中溫煤焦油瀝青為研究對象，采用逐級萃取法對其進(jìn)行分離，并對各萃取組分的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析。研究發(fā)現(xiàn)，中溫煤焦油瀝青經(jīng)逐級萃取可得到油質(zhì)、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和胺質(zhì)4種產(chǎn)物。其中，油質(zhì)主要由芳香族化合物組成，膠質(zhì)富含雜環(huán)化合物，瀝青質(zhì)以大分子縮合芳香結(jié)構(gòu)為主，胺質(zhì)含有較多含氮化合物。隨著萃取次數(shù)的增加，產(chǎn)物的芳香度逐漸升高，縮合度逐步增大，雜原子含量不斷下降。為深入認(rèn)識中溫煤焦油瀝青的化學(xué)性質(zhì)及合理開發(fā)利用提供了重要的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：中溫煤焦油瀝青；逐級萃??；化學(xué)組成；結(jié)構(gòu)特征

煤焦油是煤炭高溫干餾過程中產(chǎn)生的重要化工原料，其主要成分為瀝青。與高溫煤焦油相比，中溫煤焦油瀝青通常含有更多的雜環(huán)化合物和雜原子，具有獨特的理化性質(zhì)。為了更好地開發(fā)利用這一寶貴資源，需要對其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行深入研究。本文采用逐級萃取法分離中溫煤焦油瀝青，并運用多種現(xiàn)代分析測試手段對萃取產(chǎn)物進(jìn)行表征，以期為中溫煤焦油瀝青的定向轉(zhuǎn)化和高附加值利用提供科學(xué)依據(jù)。

1中溫煤焦油瀝青的研究意義

中溫煤焦油瀝青是煤炭低溫干餾過程中產(chǎn)生的重要化工原料，其化學(xué)組成復(fù)雜，結(jié)構(gòu)特征獨特，蘊(yùn)含著豐富的芳香族化合物、雜環(huán)化合物和含氮化合物等。與高溫煤焦油瀝青相比，中溫煤焦油瀝青具有更高的雜原子含量和更復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)，這為其功能化利用提供了廣闊的空間。然而，由于中溫煤焦油瀝青組分的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)的多樣性，傳統(tǒng)的表征方法難以對其進(jìn)行全面深入的認(rèn)識，制約了中溫煤焦油瀝青的高效轉(zhuǎn)化和高值化應(yīng)用［1］。

2實驗部分

2.1原料與試劑

本研究所用中溫煤焦油瀝青樣品取自于某煤化工企業(yè)的低溫干餾裝置，其主要性質(zhì)包括：軟化點85.6 ℃，密度1.24 g/cm3，元素組成為碳91.32%、氫5.21%、氮1.08%、硫0.57%和氧1.82%。實驗所用試劑均為分析純，包括正己烷、甲苯、四氫呋喃和乙醇等，購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。實驗用水為去離子水［2］。

2.2儀器與設(shè)備

本研究采用了多種先進(jìn)的分析測試儀器和設(shè)備，以確保實驗過程的順利進(jìn)行和數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。真空減壓蒸餾裝置是實現(xiàn)中溫煤焦油瀝青逐級萃取分離的關(guān)鍵設(shè)備，由蒸餾釜、冷凝管、真空泵和控溫系統(tǒng)等部件組成，可在不同溫度和壓力條件下實現(xiàn)樣品的組分分離。該裝置為自制，容量為20 L，配有精密的溫度和壓力控制系統(tǒng)，可滿足多級萃取分離的需求。

在萃取產(chǎn)物的表征方面，元素分析儀用于測定樣品的元素組成，采用燃燒法原理，配有自動進(jìn)樣器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可快速準(zhǔn)確地獲得碳、氫、氮、硫含量數(shù)據(jù)。色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀用于分析萃取產(chǎn)物的化學(xué)組成，包括氣相色譜和質(zhì)譜檢測器，配有高分辨率的毛細(xì)管色譜柱和靈敏度高的離子源，結(jié)合數(shù)據(jù)庫檢索軟件，可實現(xiàn)復(fù)雜樣品的定性定量分析。

核磁共振波譜儀是研究萃取產(chǎn)物結(jié)構(gòu)特征的有力工具，采用高場強(qiáng)的超導(dǎo)磁體，配有多核探頭和梯度系統(tǒng)，可獲得高分辨率的氫譜和碳譜，為化合物結(jié)構(gòu)解析提供豐富的信息。傅里葉變換紅外光譜儀采用衰減全反射附件，配有液氮制冷的汞鎘碲檢測器，掃描范圍寬、靈敏度高，可準(zhǔn)確測定萃取產(chǎn)物的官能團(tuán)組成和結(jié)構(gòu)特征。旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀用于萃取液的濃縮和溶劑回收，真空干燥箱用于樣品的真空干燥，電子天平用于稱量試劑和樣品，電熱恒溫水浴鍋用于恒溫加熱和反應(yīng)等，這些輔助設(shè)備的合理使用可以保證實驗過程的穩(wěn)定性和可重復(fù)性［3］。

3結(jié)果與討論

3.1中溫煤焦油瀝青的逐級萃取

3.1.1萃取產(chǎn)物的收率

本研究采用正己烷、甲苯、四氫呋喃和乙醇對中溫煤焦油瀝青進(jìn)行逐級萃取，得到了油質(zhì)、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和胺質(zhì)4種產(chǎn)物。各萃取產(chǎn)物的收率依次為：油質(zhì)組分18.6%，膠質(zhì)組分9.2%，瀝青質(zhì)組分7.5%，胺質(zhì)組分2.3%。油質(zhì)組分收率最高，表明中溫煤焦油瀝青中含有較多低極性可溶物；胺質(zhì)組分收率最低，說明含氮化合物相對較少。

3.1.2萃取產(chǎn)物的元素組成

元素分析表明，中溫煤焦油瀝青萃取產(chǎn)物的碳、氫、氮、硫、氧含量存在明顯差異。隨著萃取極性增加，碳含量逐漸降低，氫、氮、硫、氧含量逐漸升高，反映了芳香結(jié)構(gòu)縮合程度加深，雜原子引入量增多。中溫煤焦油瀝青呈現(xiàn)化學(xué)組成的梯度分布特征［4］。油質(zhì)組分富含脂肪族側(cè)鏈的芳香烴，可作為化工原料或燃料油；膠質(zhì)和瀝青質(zhì)組分含有更多極性基團(tuán)，可作為碳材料或吸附劑前驅(qū)體；胺質(zhì)組分以含氮化合物為主，可用于含氮化學(xué)品合成。系統(tǒng)研究萃取產(chǎn)物元素組成，對拓展其應(yīng)用領(lǐng)域和提高利用價值具有重要意義。

3.2萃取產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)表征

3.2.1核磁共振波譜分析

核磁共振波譜可提供化合物中不同類型氫和碳原子的結(jié)構(gòu)信息。本研究對各萃取產(chǎn)物進(jìn)行了氫譜分析，結(jié)果如表1所示。

由表1可見，油質(zhì)組分的脂肪族氫含量最高，分別為38.2%和51.3%，芳香族氫含量相對較低，說明其以短鏈烷基取代的芳香結(jié)構(gòu)為主。膠質(zhì)組分的α亞甲基氫、β亞甲基氫和β次甲基氫含量有所下降，芳香族氫含量略有增加，但脂肪族氫仍占主導(dǎo)地位。瀝青質(zhì)組分的芳香族氫含量顯著增加至31.7%，α亞甲基氫、β亞甲基氫和β次甲基氫含量相應(yīng)減少，表明芳香結(jié)構(gòu)的縮合程度增加。胺質(zhì)組分的α亞甲基氫、β亞甲基氫、β次甲基氫和芳香族氫含量變化不大，但出現(xiàn)了明顯的氮氫峰，表明含氮官能團(tuán)的存在。

各萃取產(chǎn)物的碳譜也呈現(xiàn)出類似的變化趨勢。油質(zhì)組分的脂肪族碳（0～90×10-6）含量高達(dá)89.5%，芳香族碳（90×10-6～165×10-6）含量僅為10.5%。膠質(zhì)和瀝青質(zhì)組分的芳香族碳含量逐漸增加，分別達(dá)到21.8%和42.6%，表明芳香結(jié)構(gòu)逐漸增多。胺質(zhì)組分在芳香族碳區(qū)域出現(xiàn)新的譜峰，對應(yīng)于含氮雜環(huán)化合物中的碳原子。

3.2.2傅里葉變換紅外光譜分析

傅里葉變換紅外光譜可表征化合物分子中的官能團(tuán)類型。各萃取組分在3 000～2 800 cm-1區(qū)域均有強(qiáng)烈的脂肪族碳?xì)渖炜s振動吸收峰。油質(zhì)組分在1 600～1 380 cm-1處出現(xiàn)芳香族骨架振動吸收峰。膠質(zhì)組分在1 700～1 050 cm-1處出現(xiàn)含氧官能團(tuán)吸收峰。瀝青質(zhì)組分的芳香骨架振動吸收峰強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，在880～750 cm-1處出現(xiàn)芳香族碳?xì)涿嫱鈴澢駝游辗?。胺質(zhì)組分在3 400和1 650～1 500 cm-1處出現(xiàn)含氮官能團(tuán)吸收峰。隨著萃取極性升高，中溫煤焦油瀝青各組分中芳香結(jié)構(gòu)含量逐漸增加，含氧和含氮官能團(tuán)逐漸引入，與核磁共振波譜分析結(jié)果一致。

4結(jié)語

中溫煤焦油瀝青是一種化學(xué)組成復(fù)雜、結(jié)構(gòu)特征多樣的混合物，主要包括芳香族化合物、雜環(huán)化合物、縮合芳香結(jié)構(gòu)和含氮化合物等。隨著萃取過程的進(jìn)行，產(chǎn)物中的芳香度和縮合度逐漸升高，而雜原子含量逐步降低。研究結(jié)果可為中溫煤焦油瀝青的分離純化、結(jié)構(gòu)改質(zhì)和催化轉(zhuǎn)化等提供重要的理論指導(dǎo)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

［1］崔瀛丹，鐘梅，哈麗丹·買買提，等.中溫煤焦油瀝青逐級萃取的產(chǎn)物組成與結(jié)構(gòu)分析［J］.煤炭學(xué)報，2020，45（11）：39303939.

［2］劉惠美，徐允良，胡朝帥，等.中溫瀝青族組分的分離及基礎(chǔ)物性研究［J］.煤質(zhì)技術(shù)，2021，36（2）：2631.

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［4］陳石林，殷玲，楊希迎，等.無煙煤改性中溫煤瀝青的組分結(jié)構(gòu)分析［J］.湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，42（6）：2025.