陳國新，韋成龍，張宗堯，任思琛，季冬琴，廖文星，周 俊

（徐州工程學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

煤的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，受變質(zhì)程度的影響，煤的組成和結(jié)構(gòu)有很大差別，即使同一煤階的煤種，不同的地區(qū)和環(huán)境，其結(jié)構(gòu)也可能會有較大的差別。因此，煤結(jié)構(gòu)的研究是一個困難漫長的過程[1-3]。但煤的物質(zhì)基礎(chǔ)非常豐富，所以在非燃料利用方面有著得天獨厚的優(yōu)勢，在無污染環(huán)境的前提下深層次加工獲取更高價值的有機物，是煤化工發(fā)展的一個重要方向[4]。

長焰煤是一種最年輕的煙煤，其煤化程度僅高于褐煤，在中國煤炭分類國家標(biāo)準(zhǔn)中分類為煤化程度最低的煙煤，屬于低階煤的一種，低階煤占全球已探明儲量的57%[5]。和高階煤相比，低階煤被視為劣質(zhì)燃料是因為其存在高灰分、低熱值、低灰熔點、熱穩(wěn)定性差等諸多問題，但它們保留了相對完整的成煤植物的大分子結(jié)構(gòu)且含氧量較高[6-7]，這也為從低階煤中分離和提取高附加值的有機化合物提供了機遇。

在煤萃取中使用的物理輔助手段大多是超聲輻射萃取，研究結(jié)果表明：超聲應(yīng)用在溶解體系會明顯提高溶劑萃取的速率。

相對于索氏萃取法，微波輻射的一個好處是將溶劑在很短時間里升到較高的溫度，十分適合取代傳統(tǒng)的加熱方法。同時由于有機物分子的極性也使萃取的效果得到了明顯改善。

酸洗、水解、醇解、烷基化、乙?；脱趸然瘜W(xué)方法可以有效地提高萃取率，其作用是消除或破壞煤結(jié)構(gòu)單元之間的非共價鍵作用力，從而有利于提高煤的溶劑萃取率。溶劑的溶脹效應(yīng)和進行加溫處理也能在一定程度上提高煤的萃取率。

影響溶劑萃取的還有滲透和擴散效應(yīng)。萃取劑滲透到網(wǎng)狀骨架中的同時向外擴散，發(fā)生溶解（假設(shè)網(wǎng)狀骨架不可溶），然后新的溶劑滲透到孔隙中從而促進持續(xù)溶解。煤的孔徑和所用溶劑的粘度都關(guān)系到溶劑萃取效率的高低[8-12]。

本研究選取新疆長焰煤，在常溫條件下用分析純無水乙醇進行分級超聲萃取，用紅外光譜對各級萃取物以及萃余物進行成分解析，分析新疆長焰煤各級萃取物及萃余物中各組分的組成和結(jié)構(gòu)分布。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

實驗中主要用到設(shè)備及其規(guī)格如表1所示。

表1 實驗所用儀器設(shè)備

實驗使用的溶劑丙酮、石油醚都是市售分析純試劑。所用的原料新疆長焰煤的工業(yè)分析及元素分析數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 樣品的工業(yè)分析與元素分析

1.2 實驗步驟

稱取10 g新疆長焰煤放入250 mL燒杯中，按1∶10的比例加入100 mL的無水乙醇，用保鮮膜將燒杯口封閉，防止無水乙醇揮發(fā)。將燒杯放入超聲波清洗器中，設(shè)定溫度為室溫25 ℃，時間為30 min，進行超聲萃取。將溶液進行過濾，得到濾液，將萃余物和濾液放入通風(fēng)干燥箱里，設(shè)定干燥溫度為50 ℃，干燥兩個小時。按1∶10的比例將萃余物與無水乙醇再次混合，重復(fù)上述步驟。將5份濾液的干燥物用小刀刮出，裝入小玻璃瓶中。

2 結(jié)果與討論

干燥后各級萃取物的重量如表3所示。

表3 各萃取物的質(zhì)量

根據(jù)公式（1）計算萃取率：

各級萃取率如表4所示。

表4 各級萃取率

萃取率的變化趨勢如圖1所示，由圖1可以看出，5次循環(huán)萃取后，實驗所得產(chǎn)物較少，萃取量先由低到高，再由高到低，以第2次溶劑循環(huán)為拐點。根據(jù)文獻，分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是萃取前的煤樣絕對干燥，而且萃取劑乙醇的溶解能力并不是特別強，所以在第1次萃取中，萃取劑乙醇主要以浸潤，滲透和膨脹的方式萃取煤樣。在第2次萃取循環(huán)中，萃取劑乙醇完全滲入煤樣中，與煤中的小分子近乎完全接觸，萃取劑乙醇的溶解能力變強，因而萃取量達到最高。在第3次到第5次萃取循環(huán)過程中，煤中的小分子越來越少，萃取量也相應(yīng)減少。

圖1 萃取率的變化趨勢

通過計算，5次超聲萃取后總的萃取率為21.36%。萃取物的紅外光譜如圖2所示。

圖2 萃取物的紅外光譜

分析圖2可以推測：

在4 000 ～3 700 cm-1區(qū)域內(nèi)，有較為密集的吸收峰，且強度弱，說明萃取物中可能含有-RH2和-OH結(jié)構(gòu)，推測新疆長焰煤中可能含有烷烴、醇、酚和胺類等化合物。

在3 500～3 300 cm-1處，吸收峰明顯，強度較強，說明萃取物中可能含有-C=NH、-OH結(jié)構(gòu)，推測新疆長焰煤中可能含有亞胺、醇和酚等化合物。

在3 300～3 100 cm-1處，波動密集，且強度較弱，為C-H伸縮振動區(qū)，萃取物中可能含有不飽和烴≡C-H、=C-H或Ar-H。也可能含有-NH、-OH結(jié)構(gòu)，推測新疆長焰煤中含有不飽和烴、胺、酰胺、醇和酚等化合物。

在2 360～2 340 cm-1處有兩個吸收峰，強度較弱，峰小，但很尖，而且很清晰，為三鍵伸縮振動區(qū)。說明萃取物中含有-C≡N或-C≡C-結(jié)構(gòu)，推測新疆長焰煤中含有腈類或炔類化合物。

1 620～1 590 cm-1處為苯基的吸收峰，強度較強，萃取物中含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)，推測新疆長焰煤中含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)。

1 420～1 400 cm-1處的吸收峰強度很強，峰很尖，萃取物中應(yīng)含有烯烴類結(jié)構(gòu)，說明新疆長焰煤中含有烯烴類化合物。

550～700 cm-1處的吸收峰強度較弱，峰面稍寬，萃取物中可能含有C-Br結(jié)構(gòu)，推測新疆長焰煤中含有溴代烴化合物。

3 結(jié)語

從新疆長焰煤中獲得可溶性的小分子并通過分析萃取物的紅外光譜對其進行結(jié)構(gòu)研究，為新疆長焰煤的高附加值利用提供了重要的理論基礎(chǔ)。

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