李夢漪

（太原師范學(xué)院附屬中學(xué)，山西 太原 030000）

1 研究背景

我國是多煤、少氣、貧油的國家，一次能源的供需是社會最關(guān)注的問題。在目前世界日益緊張的能源問題中，煤直接液化、間接液化、煤焦油加氫和煤油共處理等煤制油工業(yè)為解決能源問題提出戰(zhàn)略性建議。我國油田的周圍都有十分豐富的適宜液化的煤炭資源，因此走“煤油共處理”的加工路線是一條優(yōu)化資源配置的有效途徑。

本項目所用的煤為新疆伊犁煤，其具備低灰、低硫、中等發(fā)熱量、Vdaf＝38.44%、焦渣特征為2、煤的H/C原子比為0.73、化學(xué)反應(yīng)性好等特點，根據(jù)國標(biāo)GB/T 23810指標(biāo)，適合用作直接液化原料。本文研究了其在不同溶劑下的萃取行為，為新疆伊犁煤的高效、合理利用提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。

2 研究進(jìn)展

2.1 煤樣的制備

將新疆伊犁煤破碎并篩分為＜100目的顆粒，并在50℃下干燥5 h，用密封袋密封并放入干燥器中備用，其工業(yè)分析和元素分析見表1.

表1 伊犁煤工業(yè)分析和元素分析

2.2 實驗溶劑和儀器

溶劑：甲苯（500 mL）、甲醇（500 mL）、正己烷（500 mL）、吡啶（500 mL）、四氫呋喃（500 mL），全部為分析純試劑。

儀器：索氏抽提器、炭化爐、電子天平、干燥箱等。

2.3 實驗方法

2.3.1 溶劑抽提實驗

準(zhǔn)確稱量煤樣（m1）并裝入溶劑浸泡過的濾筒中，在溫和條件下用不同溶劑對煤樣進(jìn)行索氏抽提，當(dāng)虹吸管中回流液接近透明時認(rèn)為萃取完成。取出萃取后的煤樣，在烘箱中干燥后稱重（m2），然后按下面的公式計算抽提率：

式（1）中：m1為抽提前煤樣質(zhì)量；m2為抽余煤質(zhì)量；Aad為煤中灰分含量；Mad為煤中水分含量。

2.3.2 熱重實驗

熱重實驗主要用于考察不同溶劑處理的煤樣在升溫過程中的質(zhì)量變化情況。首先，在天平上稱取約10 mg樣品于坩堝中；其次，用鑷子將樣品放到熱重支架上并將儀器爐膛蓋好；最后，以10℃/min的升溫速度升溫至900℃，保護(hù)氣為N2，流量設(shè)定為50 mL/min。設(shè)定好程序后開始實驗，通過儀器記錄的質(zhì)量變化分析樣品。

2.3.3 炭化實驗

在天平上稱取約2 g（m1）樣品于方舟中，然后用鑷子將樣品放到炭化爐中并將爐膛關(guān)閉，用與熱重同樣的升溫程序升溫。設(shè)定好程序后開始實驗，自然冷卻至室溫后取出、稱重（m2）。炭化產(chǎn)率為m2/m1.

3 結(jié)果與討論

3.1 抽提時間對抽提率的影響

萃取時間對抽提率有較大的影響，不同的溶劑隨著時間的增加抽提率逐漸增大，當(dāng)增大到一定值時趨于平穩(wěn)。以甲苯為例，如圖1所示，隨著時間的增加抽提率逐漸增大，在60～360 min區(qū)間內(nèi)甲苯的抽提率增大比較明顯，此后趨于平穩(wěn)。這主要是由于煤中相當(dāng)比例的組分是以非共價鍵相結(jié)合的，在低階煤中主要以離子鍵為主，甲苯屬于中等極性的溶劑，在前期能有效分離煤中小分子結(jié)構(gòu)，小分子剝離以后，煤中剩余大分子結(jié)構(gòu)，因而抽提速率隨著時間的增長而降低。

圖1 甲苯抽提率曲線圖

3.2 溶劑對抽提率的影響

本項目選取甲苯、甲醇、正己烷、吡啶、THF 5種溶劑，圖2為各溶劑對新疆伊犁煤的最大抽提率，分析圖2發(fā)現(xiàn)吡啶≈甲醇＞四氫呋喃＞甲苯＞正己烷。吡啶在伊犁煤中表現(xiàn)出最大的抽提率，究其原因是吡啶為含N的供電子能力很強(qiáng)的溶劑，是良好的氫鍵受體，可以破壞煤分子間的供電-受電鍵，使小分子脫離下來，比如-CH3、-CH2、C-O官能團(tuán)和-OH官能團(tuán)，因而對不同煤階吡啶都表現(xiàn)出較高的抽提率[3]。對伊犁煤的工業(yè)分析表明伊犁煤是一種低階長焰煤（GB/T 5751），在非極性抽提溶劑中的作用力主要為煤分子間的作用力，而低階煤中的分子間作用力主要為離子鍵力。其在非極性溶劑如正庚烷中所表現(xiàn)出較低的抽提率，表明低階煤分子間的離子鍵力是一種較強(qiáng)的作用力。

圖2 不同溶劑抽提4 h時新疆伊犁煤的抽提率對比圖

3.3 萃余煤分析

3.3.1 熱重分析

將新疆伊犁原煤和甲苯、甲醇、正己烷、吡啶、四氫呋喃溶劑的抽余煤在相同條件下做熱重分析實驗。以甲苯為例，如圖3所示，通過分析對比其失重下降高度的變化，得出抽余煤的失重明顯減小，說明煤抽提可以破壞大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生小分子，并被溶劑溶出，使得與原煤相比失重減少。

圖3 伊犁煤樣抽提前后熱重曲線對比

3.3.2 炭化實驗

對新疆伊犁原煤和抽提后的煤樣進(jìn)行炭化實驗，如圖4所示，可以看出經(jīng)過抽提后煤樣的炭化產(chǎn)率要比原煤直接炭化的產(chǎn)率高出7%～12%.由于新疆伊犁原煤含氧量較高，富含大量的極性官能團(tuán)，經(jīng)過溶劑抽提改變了煤的大分子結(jié)構(gòu)，使煤中小分子結(jié)構(gòu)被剝離下來溶解入溶劑中，煤中剩余大量大分子結(jié)構(gòu)，使得抽余煤的炭化產(chǎn)率高于原煤。

圖4 炭化產(chǎn)率對比

4 結(jié)論

通過實驗，得出以下3點結(jié)論：①在溫和條件下，使用不同溶劑對新疆伊犁煤進(jìn)行抽提，影響抽提率的因素有抽提時間、溶劑的性質(zhì)等。實驗所得的抽提率的大小關(guān)系為吡啶≈甲醇＞四氫呋喃＞甲苯＞正己烷。②抽提前后的煤樣熱重曲線表明，經(jīng)過抽提的煤樣比未經(jīng)抽提的煤樣失重少，炭化產(chǎn)率要高于原煤，說明抽提可以打破煤中大分子結(jié)構(gòu)，使其小型化。③低階煤中有大量的氫鍵，同時離子鍵力作用較強(qiáng)。

［1］田原宇，申曙光，田亞峻，等.煤的可溶化技術(shù)與煤的化學(xué)族組成［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報，2001，11（6）：555-558.

［2］王飛，張代鈞，楊明莉，等.煤的溶劑抽提規(guī)律及其產(chǎn)物性能的研究進(jìn)展［J］.煤炭轉(zhuǎn)化，2003，26（1）：8-11.

［3］王麗平.煤的CS2/NMP溶劑抽提［J］.山西化工，2011，31（3）：45-48.