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        基于氫鍵作用的含酚油混合物中酚的高效分離

        2021-12-14 08:41:54紀柚安趙曉勝楊玉鳳韓江則
        燃料化學學報 2021年11期
        關鍵詞:混合物甲苯正己烷

        紀柚安,趙曉勝,劉 青,楊玉鳳,韓江則

        (1.河北科技大學 化學與制藥工程學院,河北 石家莊 050018;2.滄州師范學院 化學與化工學院,河北 滄州 061001;3.橫濱國立大學 材料科學與化學工程系,日本 橫濱 240-8501)

        酚是一類重要的化工原料和化工中間體,被廣泛應用于生產工程塑料、醫(yī)藥、纖維和其他重要產品[1-4]。常見的酚有苯酚、甲酚、苯二酚等。中、低溫煤熱解油和煤直接液化油中[5]酚的含量較高,中溫煤熱解油中含高達20%的酚[6,7]。隨著工業(yè)技術快速發(fā)展,中國對苯酚的需求年均增長率達30%[8]。因此,從含酚油中分離酚可產生巨大的經濟效益。

        煤熱解油的成分非常復雜,陜北中低溫煤熱解油中,僅酚就發(fā)現(xiàn)了75 種[9],可見分離之困難。從化學結構上看,酚含有一個或多個羥基,呈弱酸性。堿洗法以強堿(如NaOH 溶液)為分離劑,利用酚的弱酸性,與酚發(fā)生酸堿化學反應而分離酚。堿洗法是目前工業(yè)上唯一大規(guī)模應用的高效分離方法。然而,在回收酚的過程中,還需要使用過量的酸(如H2SO4溶液),與生成的酚鈉溶液發(fā)生強酸制弱酸反應[5,6]。堿洗法分離過程中使用大量的無機酸、堿溶液,嚴重腐蝕設備;強堿和強酸均不可再生,分離成本高;產生大量的含酚廢水,難以處理,污染環(huán)境。因此,傳統(tǒng)方法制約了含酚油中酚的分離和利用。

        近年來,離子液體由于可設計性強、熱穩(wěn)定性高、液態(tài)范圍寬等特點而備受關注[10-12],其在分離酚方面也表現(xiàn)出了巨大的應用潛力。Hou 等[13,14]利用四種含不同陰離子的咪唑基離子液體分離油中的酚,其中,1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽([Bmim]Cl)對酚的分離效率高達99%。熊佳麗等[15]合成了對二氯芐-聚乙烯咪唑型聚合離子液體,并考察了該離子液體對煤焦油中苯酚的吸附性能。Ji 等[16,17]基于雙陽離子液體的特點,設計并合成了六種雙陽離子液體,并用于分離含酚油混合物中的酚。這些雙陽離子液體不易溶于油,熱穩(wěn)定性強,對酚的分離效率超過90%。

        作為離子液體類似物,低共熔溶劑(DES)兼具無毒無害、制備過程簡單、易生物降解、成本較低的特點[18-21],近幾年在分離方面?zhèn)涫荜P注[22]。吳衛(wèi)澤課題組提出通過季銨鹽與酚形成低共熔溶劑的方式分離酚,效果顯著[23-25]。其中,四乙基氯化銨(TEAC)對酚的分離效果最好,分離效率高達99.9%。Zhang 等[26]用膽堿衍生物從模型油中分離出26 種酚,討論了氫鍵作用、陰陽離子的靜電作用、溶劑化作用等對酚去除效率的影響。Jiao 等利用酰胺及其同系物[27]和咪唑類化合物[28]與酚形成低共熔溶劑分離油中的酚,酚的分離效率超過90%。Yao等[29]發(fā)現(xiàn)左旋肉堿和甜菜堿也可與酚形成低共熔溶劑,從而分離酚,分離效率可達94.6%。

        上述分離方法有效解決了堿洗法分離酚過程中的問題。據報道,分離酚過程中,分離劑中夾帶一定量中性油(主要是芳烴類物質),影響酚產品純度[30]。而上述方法對如何去除夾帶的中性油討論較少。不僅如此,對于分離效率很高的分離劑(如[Bmim]Cl 和TEAC),再生困難。

        本文中,考慮到Cl–、?COO–可能與羥基形成氫鍵作用,選擇含有上述結構的吉拉爾特試劑T(GRT)、吉拉德試劑P(GRP)、米屈肼(THP)作為分離劑分離油中的酚。本文將考察分離劑類型、攪拌時間、分離溫度、初始酚濃度等分離條件對酚分離效果的影響,同時考察正己烷洗滌的方法去除分離酚過程中夾帶的中性油。

        1 實驗部分

        1.1 實驗試劑

        本實驗使用的所有化學試劑從供應商購買后直接使用,不進行任何處理。純度用質量分數表示,由供應商提供。實驗試劑的規(guī)格、供應商等信息見表1。

        表1 實驗試劑一覽表Table 1 Chemicals used in this work

        1.2 含酚油混合物的配制

        由于真實煤熱解油中成分復雜,本文以苯酚(模擬酚組分)和正己烷或甲苯(模擬油組分)配制模擬含酚油混合物。以模擬含酚100.0 g/L 的油混合物的配制過程為例,首先,用量筒量取200 mL甲苯于500 mL 燒杯中,而后稱取50.0 g(Mettler Toledo,ME204E,d=0.0001 g)的苯酚溶于甲苯中。然后將燒杯中的含酚油混合物轉移至500 mL 的容量瓶中,并用甲苯定容。最后將配制的含酚油混合物混合均勻。本工作中用到的其他酚+甲苯混合物以及正己烷+甲苯混合物,配制過程與上述方法相同。

        1.3 實驗過程和分析方法

        量取含酚油混合物10 cm3于刻度試管中,初始酚濃度記為C0,向其中加入一定量的分離劑,并在恒溫水浴中磁力攪拌一段時間。靜置5 min 后,刻度試管中可清晰地觀察到兩相。其中上相為去酚后的油混合物相,體積記為VO;下相為酚與分離劑形成的DES 相,體積記為VD。

        取少量上相油混合物樣品,用氣相色譜儀(Shimadzu,GC-2014)分析樣品組成,其中的酚含量記為Cphe。氣相色譜儀的升溫程序參考文獻[31]。氣相色譜儀配有RTX-5 毛細管柱(30 m×0.25 mm ×0.25 μm)和氫離子火焰檢測器。通過式(1)計算該分離過程酚的分離效率SE,通過式(2)計算酚或油的分配系數。

        式中,SE為酚的分離效率;C0是含酚油中酚的初始質量濃度,g/L;VO是分離后上相去酚油的體積,L;Cphe為去酚油中剩余酚的質量濃度,g/L;CL為分離后DES 中酚或油的質量濃度,g/L;CU為分離后去酚油相中酚或油的質量濃度,g/L。

        1.4 分離劑的再生及表征

        以米屈肼為分離劑分離完成后,向含有DES相的燒杯中加入乙醚,乙醚與DES 相的體積比為8。經過15 min 磁力攪拌,析出大量的白色固體,DES 相消失。靜置10 min,白色固體沉于燒杯底部,該白色固體即為再生的分離劑。經過過濾、洗滌、干燥,得到再生的分離劑。取部分樣品進行1H NMR 表征,剩余部分全部用于下一個分離循環(huán)。每次再生后的分離劑都稱重記錄。將經過五次循環(huán)后再生的分離劑收集,并對其進行1H NMR表征。

        1.5 中性油的去除

        分離酚過程中,DES 中夾帶一定量中性油。定義R為分離后DES 中中性油與酚的質量比,R高達0.3[30]。這一方面降低了酚產品的純度;另一方面造成油資源浪費,因此應去除中性油。

        分離劑與酚形成DES 相后,與油相分相。向DES 相中加入正己烷,正己烷與DES 的體積比為5.0。攪拌15 min,靜置,分相。上相即為含中性油的正己烷相,下相即為去除中性油的DES 相。對于得到的DES 相,用乙醚反萃取,苯酚和少量的中性油可溶于乙醚中。對乙醚進行氣相色譜分析,可得到其中酚含量和中性油含量。

        2 結果與討論

        2.1 分離劑的篩選

        本文用到的分離劑為吉拉爾特試劑T(GRT)、吉拉德試劑P(GRP)、米屈肼(THP)。實驗發(fā)現(xiàn),將三種分離劑(常溫下固體)分別單獨與苯酚(常溫下固體)按一定比例混合,得到的混合物常溫下為液態(tài)。三種分離劑均可與苯酚形成DES。為考察分離劑種類對酚分離效果的影響,采用的苯酚的初始質量濃度為100.0 g/L,分離溫度為25 ℃,攪拌時間為30 min,分離劑與苯酚物質的量比為0.8。實驗結果如圖1 所示。

        圖1 不同分離劑對甲苯中苯酚的分離效率。Figure 1 Separation of phenol separated by different separation agents

        米屈肼、吉拉爾特試劑T、吉拉德試劑P 均可分離甲苯中的苯酚。三種分離劑對苯酚的分離效率分別為92.5%、78.3%、67.1%,分離后甲苯中剩余的苯酚質量濃度分別為8.8、26.5、38.6 g/L。鑒于米屈肼對苯酚的分離效率很高,下文重點探討以米屈肼為分離劑在不同條件下分離苯酚的效果。

        2.2 攪拌時間對苯酚分離效果的影響

        攪拌時間是一個重要的參數。本文考察了攪拌時間對苯酚分離效率的影響。采用的苯酚的初始質量濃度為100.0 g/L,分離溫度為25 ℃,攪拌時間分別為1、2、3、5、10、15、20 和30 min。所采用的分離劑為米屈肼,其與苯酚物質的量比為0.8。結果如圖2 所示。

        從圖2 可以看出,隨著攪拌時間從0 延長到10 min,甲苯中殘余苯酚質量濃度從100.0 g/L 急劇降低至約9.0 g/L,同時苯酚的分離效率急劇增加至91.8%。隨著攪拌時間從10 min 延長到30 min,甲苯中殘余苯酚質量濃度幾乎保持不變,苯酚的分離效率也幾乎保持不變。攪拌30 min 后,甲苯中苯酚的殘余質量濃度低至8.9 g/L,苯酚的分離效率高至92.1%。為了保證下述分離過程達到平衡,攪拌時間均采用30 min。

        圖2 攪拌時間對苯酚分離效果的影響Figure 2 Effect of stirring time on phenol separation

        2.3 溫度對苯酚分離的影響

        本文考察了分離溫度對苯酚分離效果的影響,采用的模擬含酚油中苯酚質量濃度為100.0 g/L,分離溫度分別取0、10、25、30、40 和50 ℃,攪拌時間為30 min。以米屈肼為分離劑,且與苯酚物質的量比為0.8。實驗結果如圖3 所示。

        圖3 分離溫度對苯酚分離效果的影響Figure 3 Effect of separation temperature on phenol separation

        從圖3 可以看出,隨著溫度從0 ℃升高至50 ℃,甲苯中殘余的苯酚質量濃度從8.8 g/L 升高至12.8 g/L,同時苯酚的分離效率從93.3%降低至87.3%。這可能是因為隨著溫度的升高,分離劑與苯酚形成的氫鍵作用減弱,部分苯酚被釋放至甲苯中,導致甲苯中苯酚濃度略微升高,苯酚的分離效率略微降低。另外,隨著溫度升高,物質間的互溶程度增加,這也可能導致苯酚的分離效率降低。總的來看,溫度的升高對苯酚的分離效果影響較小。在以下實驗中,分離溫度均采用25 ℃。

        2.4 米屈肼與苯酚物質的量比對苯酚分離的影響

        向含酚油中加入少量的米屈肼分離劑,可完全與甲苯中的酚形成DES 并與油相分相,試管底部無固體殘留;隨著加入的米屈肼分離劑逐漸增多,分離平衡時,刻度試管底部有固體,表明分離劑過量。可見分離劑加入量的多少會對分離效果產生影響。本文考察了米屈肼與苯酚物質的量比對苯酚分離效果的影響。采用的模擬含酚油中苯酚質量濃度為100.0 g/L,分離溫度分別取25 ℃,攪拌時間為30 min。以米屈肼為分離劑,且與苯酚物質的量比從0.1 增加到0.8。實驗結果如圖4所示。

        圖4 米屈肼與苯酚物質的量比對苯酚分離效果的影響Figure 4 Effect of THP to phenol mole ratio on phenol separation

        由圖4 可知,當米屈肼與苯酚物質的量比為0.1 時,米屈肼全部溶解于含酚油混合物中,不會與苯酚形成DES 而分相,此時苯酚的分離效率為0,且甲苯中苯酚的濃度幾乎不變。隨著米屈肼與苯酚物質的量比從0.1 增大至0.6,甲苯中苯酚的質量濃度從100.0 g/L 急劇降低至9.1 g/L,同時苯酚的分離效率急劇升高至91.9%。隨著米屈肼與苯酚物質的量比從0.6 增大至0.8,分離達到平衡時,刻度試管底部均出現(xiàn)少量米屈肼固體,說明此時米屈肼過量;在此過程中,甲苯中苯酚的殘余濃度和苯酚的分離效率均幾乎保持不變,苯酚的殘余質量濃度最低為8.9 g/L,苯酚的分離效率最大為92.2%。如式(1)所示,苯酚的分離效率SE與甲苯中苯酚的濃度有關。隨著米屈肼與苯酚物質的量比的增大,苯酚的濃度急劇降低,導致SE的增大。當米屈肼與苯酚物質的量比大于0.6 時,米屈肼過量,并以固體形式沉降在刻度試管底部,這些過量的米屈肼不能與苯酚進一步作用,因此,SE和苯酚殘余濃度都幾乎不變??紤]到在本文2.5 小節(jié)和2.8 小節(jié)所述實驗中,存在米屈肼的損失。尤其是2.8 小節(jié)中,再生的分離劑需要取樣分析。因此,本文選擇米屈肼與苯酚物質的量比為0.8 考察各影響因素。

        圖5 為在分離過程中苯酚的分配系數隨米屈肼與苯酚物質的量比的變化。由圖5 可知,隨著米屈肼與苯酚物質的量比從0 增大至0.6,苯酚的分配系數逐漸升高,最高可至52.0。

        圖5 米屈肼與苯酚物質的量比對苯酚分配系數的影響Figure 5 Effect of THP to phenol mole ratio on D of phenol

        2.5 中性油的夾帶及去除

        在分離苯酚的過程中,DES 中夾帶了一定量的甲苯(中性油)。如果不去除DES 中夾帶的中性油,將導致分離出苯酚的純度不高。因此,去除DES中夾帶的中性油異常重要。采用的模擬含酚油中苯酚初始質量濃度為100.0 g/L,分離溫度取25 ℃,攪拌時間為30 min。米屈肼與苯酚物質的量比從0.2 增加到0.8。實驗結果如圖6 所示。

        圖6 不同米屈肼與苯酚物質的量比下甲苯的夾帶Figure 6 Entrainment of toluene at different THP to phenol mole ratios

        由圖6 可知,以米屈肼為分離劑,在分離酚過程中,隨著米屈肼與苯酚物質的量比從0.2 升高至0.6,DES 中R的值逐漸降低;隨著米屈肼與苯酚物質的量比從0.6 升高至0.8,DES 中R的值趨于穩(wěn)定,約為0.26。

        向上述夾帶有甲苯的DES 相中加入正己烷,正己烷與DES 體積比為5.0。經過攪拌后,分析DES 中R值。結果如圖6 所示。由圖6 可知,經過正己烷洗滌后的DES 中,夾帶的甲苯被大量去除。去除甲苯后的DES 中R低至0.04。這表明,經過正己烷洗滌后,苯酚產品的純度將大幅提高。

        2.6 初始酚濃度對酚分離的影響

        不同類型的含酚油可能具有不同的酚濃度。基于此,本文考察了含酚油中初始苯酚濃度對分離效果的影響。采用的模擬含酚油中苯酚質量濃度分別為50.0、80.0、100.0、150.0 和200.0 g/L,分離溫度為25 ℃,攪拌時間為30 min,米屈肼與苯酚物質的量比為0.8。實驗結果如圖7 所示。

        圖7 苯酚初始質量濃度對苯酚分離效果的影響Figure 7 Effect of initial phenol content on phenol separation

        如圖7 所示,盡管含酚油中苯酚的初始質量濃度發(fā)生了較大變化,用米屈肼分離后,苯酚的殘余質量濃度幾乎不變,約為8.8 g/L。當模擬含酚油中苯酚質量濃度分別為50.0、80.0、100.0、150.0和200.0 g/L 時,所述條件下苯酚的分離效率分別為82.4%、89.4%、92.3%、94.7%、96.5%??梢姡椒映跏假|量濃度越高,同樣條件下苯酚的分離效率越高。由于苯酚的殘余質量濃度幾乎不隨苯酚初始質量濃度變化,由式(1)可知,隨著苯酚初始質量濃度C0的增大,SE會逐漸增大。

        2.7 正己烷中苯酚的去除

        采用的模擬含酚油為正己烷+苯酚混合物,其中苯酚質量濃度為10.0 g/L,分離溫度為25 ℃,攪拌時間為30 min。以米屈肼為分離劑,實驗結果如圖8 所示。

        圖8 米屈肼與苯酚物質的量比對苯酚分離效果的影響Figure 8 Effect of THP to phenol mole ratio on phenol separation

        由圖8 可知,隨著米屈肼與苯酚物質的量比從0 增大至0.6,苯酚的分離效率從0 急劇增加至87.0%;隨著米屈肼與苯酚物質的量比從0.6 增大至1.2,苯酚的分離效率幾乎保持不變,約為87.1%。分離后正己烷中殘余苯酚質量濃度低至1.3 g/L。

        2.8 分離劑的再生及重復使用

        上述結果表明,米屈肼對苯酚具有較高的分離效率。米屈肼如果能夠再生,便可再次用于酚的分離。苯酚在乙醚中具有較大的溶解度,而米屈肼幾乎不溶于乙醚,故采用乙醚作為再生米屈肼的有效溶劑。乙醚沸點低,苯酚溶于乙醚后,可通過簡單的蒸餾得到乙醚和苯酚,乙醚可重復使用。本實驗中,乙醚與DES 的體積比為8.0。以米屈肼為分離劑,且米屈肼與苯酚物質的量比為0.8。實驗結果如圖9 所示。由圖9 可知,米屈肼再生后并重復從甲苯中分離苯酚,苯酚的分離效率幾乎保持不變。

        圖9 米屈肼的再生與重復使用Figure 9 Regeneration and reuse of THP

        為探究再生后的米屈肼性質變化,取部分再生后的分離劑樣品,并采用1H NMR 表征。取新鮮的米屈肼樣品、第一次再生后的米屈肼樣品和第五次再生后的米屈肼樣品進行1H NMR 表征,結果如圖10 所示。由圖10 可知,第一次和第五次再生后的米屈肼1H NMR 譜圖與原始米屈肼的1H NMR 譜圖完全一致,這表明再生后的米屈肼性質上沒發(fā)生變化。

        圖10 米屈肼樣品的 1H NMR 表征Figure 10 1H NMR spectra of THP samples

        再生的米屈肼需要取少量樣品分析,米屈肼會有部分損失;另外再生過程中也可能造成米屈肼分離劑部分損失。本文記錄了每次再生后米屈肼的質量,并計算出米屈肼的回收率,結果如圖11所示。由圖11 可知,米屈肼回收率隨著重復使用次數的增加,逐漸降低。重復使用五次后,米屈肼的回收率為94.9%。這可能是由于再生過程中,極少量的米屈肼溶解于乙醚中導致的。

        圖11 米屈肼的回收率隨重復使用次數的變化Figure 11 Recovery rate of THP as a function of cycle time

        2.9 分離機理分析

        探究分離機理,有助于設計新型分離劑。對于苯酚,羥基中氧原子具有電負性,因此,羥基中的氫是活潑氫,易與米屈肼結構上的?COO–形成氫鍵作用。氫鍵作用的形成將對?OH 的伸縮振動峰產生明顯的影響。本研究采用FT-IR 探究米屈肼分離酚過程中的機理[32,33]。結果如圖12 所示。

        圖12 米屈肼、苯酚、兩者混合物的FT-IR 譜圖Figure 12 FT-IR spectra of THP,phenol,and their mixture

        由圖12 可知,?OH 的拉伸振動峰出現(xiàn)在3322 cm?1,當形成DES 后,?OH 的伸縮振動峰發(fā)生紅移,遷移至3100 cm?1附近。這是由于米屈肼結構上?COO–(供電子基團)使得苯酚結構上?OH 中的氧原子電子云發(fā)生轉移,致?OH 的振動頻率變弱,?OH 伸縮振動吸收峰遷移至低波數。米屈肼與苯酚間的氫鍵作用如圖13 所示。米屈肼結構上?COO–與苯酚?OH 氫鍵作用,形成DES,從而分離苯酚。

        圖13 米屈肼與苯酚作用示意圖Figure 13 Diagram of interaction between THP and phenol

        3 結論

        本文采用米屈肼、吉拉爾特試劑T、吉拉德試劑P 與酚形成DES 的方式分離油中的苯酚,并重點研究了米屈肼在分離酚方面的性能。結果發(fā)現(xiàn),米屈肼對苯酚的分離效率最高可至96.5%(分離條件:油混合物,甲苯+苯酚;初始苯酚質量濃度,200.0 g/L),油中殘余苯酚質量濃度低至1.3 g/L(分離條件:混合物,正己烷+苯酚;初始苯酚質量濃度,10.0 g/L);分離時間短,分離條件溫和;苯酚的初始濃度對分離后油中最低殘余苯酚濃度沒影響。另外,通過采用正己烷洗滌去除DES 中夾帶的中性油,效果非常明顯。去除中性油的DES 中甲苯與苯酚質量比降至0.04,說明苯酚產品的純度將大幅提高。米屈肼可再生,性質不發(fā)生變化,并可重復使用。FT-IR 表征結果表明,米屈肼與苯酚間存在氫鍵作用。

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