丙酮/石油醚超聲萃取新疆長焰煤及萃取物的分析

王德胥，甄雪倩，趙小康，劉曉悅，祝 超，周 俊

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

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丙酮/石油醚超聲萃取新疆長焰煤及萃取物的分析

王德胥，甄雪倩，趙小康，劉曉悅，祝 超，周 俊

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

選用兩種混合有機(jī)溶劑石油醚/丙酮對新疆長焰煤進(jìn)行超聲萃取，然后對萃取物進(jìn)行常壓過濾分離，通過稱量計算各級萃取率，采用紅外光譜分析萃取物的結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明新疆長焰煤在石油醚/丙酮超聲萃取率大約為3.8%。對各級萃取產(chǎn)物的紅外光譜分析表明：新疆長焰煤中可能含有大量烷烴、苯環(huán)、稠芳環(huán)、雜環(huán)、含氮、含磷等化合物。實驗所用的新疆長焰煤為低階煤，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行更加深入的研究，可以使其實現(xiàn)更高效的利用。

新疆長焰煤；超聲；萃取；紅外光譜

煤在短時間內(nèi)不可以再生，但是煤在我國的能源結(jié)構(gòu)中有著主要的位置。我國的煤的一年需要消耗大約有35億噸[1]，據(jù)可靠數(shù)據(jù)統(tǒng)計我國還可以開采的煤估計還有2000億噸，最多還能開采大約60年。這會使整個社會早早的的步入能源消耗殆盡的世紀(jì)，同時燃燒釋放出來的各種氣體和有害物質(zhì)會嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境，因此把煤進(jìn)行合理轉(zhuǎn)化并對其綜合利用具有跨時代的深遠(yuǎn)意義[2]。

煤本身并不是污染源，由于人們對煤的組成以及分子水平上的結(jié)構(gòu)了解的很少，煤轉(zhuǎn)化利用方式的理論研究和開發(fā)煤的綜合利用技術(shù)目前還是沒有獲得重大突破。實踐證明許多具有高附加值的精細(xì)化學(xué)品可以從煤中得到，市場競爭前景一片大好[3]。國內(nèi)外大量實驗研究表明：把高附加值的“特異化學(xué)品”利用液化技術(shù)從煤中分離出來是煤炭綜合利用最合理有效的途徑之一[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，但他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(jī)化合物提供了機(jī)遇。

對煤進(jìn)行紅外光譜分析主要是提供煤中的主要官能團(tuán)、脂肪、芳香環(huán)結(jié)構(gòu)等其他方面的相關(guān)結(jié)構(gòu)信息。王玉高[8]利用紅外光譜分析霍林郭勒褐煤超臨界乙醇解產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)。孫昊等[9]用紅外光譜的方法對徐州鏡煤的各級萃取物進(jìn)行了定性和定量分析。

本論文采用石油醚/丙酮為溶劑，并將新疆長焰煤在常溫常壓下進(jìn)行超聲萃取，采用常溫常壓過濾的方法分離萃取物。采用傅立葉紅外光譜儀對萃取產(chǎn)物進(jìn)行研究，推斷新疆長焰煤中可溶小分子的可能結(jié)構(gòu)。

1 實 驗

1.1 儀器與試劑

PPH-T03電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，北京中興偉業(yè)儀器有限公司；YH-791電子天平，上海方瑞儀器有限公司；JM-A10002傅立葉變換紅外光譜儀，德國布魯克光譜儀器公司；MT-65超聲波清洗機(jī)，深圳市潔盟清洗設(shè)備公司。

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)列于表1。

表1 樣品的工業(yè)分析與元素分析

daf: dry and ash-free base;Mad: moisture (air dried base);Ad: ash (dry base, i.e., moisture-free base);Vdaf: volatile matter (dry and ash-free base).

1.2 實驗步驟

將新疆長焰煤快用粉碎機(jī)粉碎，用研磨機(jī)制成煤粉，然后放在烘干箱中充分干燥。稱取干燥好的新疆長焰煤10 g加入100 mL的石油醚/丙酮(1:1，φ)的混合溶劑，封上保鮮膜放置在超聲波清洗機(jī)中超聲萃取30 min。過濾得到濾液放在自然條件下?lián)]發(fā)干得到產(chǎn)物，得到的濾渣繼續(xù)使用100 mL的新鮮混合溶劑萃取。如此重復(fù)操作五次，稱量每份萃取物的干燥后的重量后合并五份萃取物，計算產(chǎn)率并進(jìn)行紅外光譜分析。

2 結(jié)果與討論

干燥后各級萃取物的重量如表2所示。

表2 各萃取物的重量

根據(jù)公式(1)計算萃取率：

萃取率×100% (1)

由表3可以看出新疆長焰煤的石油醚/丙酮的萃取率大約為3.8%。

圖1 萃取率的變化趨勢圖

從圖1可以看出第一次萃取到第二次萃取，萃取率升高；第三次萃取率和第二次萃取率相同；第四次萃取率較第三次變低；第五次萃取率較第四次萃取率又升高。

萃取物的紅外光譜如圖2所示。

圖2 萃取物的紅外光譜圖

分析圖2可以推測：

在4000～3500 cm-1中有很多較弱的吸收峰，說明在萃取物中可能含有R-H、-OH、R-NH2、CONH，則對應(yīng)可能的化合物類型有烷烴、醇、酚、醚、胺與亞胺類、酰胺類化合物。

在大約3200 cm-1處有一個很強(qiáng)的吸收峰，可能含有的基團(tuán)有-OH、-NH、Si-H對應(yīng)的化合物類型有醇、酚、醚、氨基酸、硅化合物。

在2918 cm-1附近處有兩個反向的吸收峰，可能含有-CH2-、CHO，可能有的化合物類型有烷烴、醛類。

在1600～1400 cm-1之間出現(xiàn)很多吸收峰且在1400 cm-1附近有個強(qiáng)的吸收峰，可能含有苯基、吡啶、(CH3)3C、CO-NH2、乙醇對應(yīng)的化合物有含苯化合物、胺鹽、酰胺、醇類等化合物。

在1000～500 cm-1處，出現(xiàn)較多的吸收峰，可能含有的基團(tuán)有亞甲基、苯環(huán)、苯基等，對應(yīng)可能的化合物類型有烷烴、芳環(huán)烴等化合物。

3 結(jié) 論

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(jìn)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)。

[1] 袁銀梅,鄭明東,李朝祥. 煤結(jié)構(gòu)研究及其在新材料制備中的應(yīng)用[J]. 煤化工, 2004(2): 47-50.

[2] 郭崇濤. 煤化學(xué)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 1994:62-75.

[3] Zhou J, Zong Z M, Chen B, et al. The enrichment and identification of methyl alkanones from thermally soluble Shengli lignite[J]. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 2013, 35 (23): 2218-2224.

[4] Song C S. Chemicals and Materials from Coal. State of the Art and New Opportunities for Research[A]. In: Li Baoqing, Liu Zhenyu, eds. Prospects for Coal Science in the 21# century[C].Taiyuan, 1998: 897-900.

[5] 程守云，閆鐵雷. 國內(nèi)低階煤干燥技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用新進(jìn)展[J]. 廣州化工，2002，40 (16)：25-26.

[6] Hatcher P G, Breger I A, Szeverenyi N, et al. Nuclear magnetic resonance studies of ancient buried wood-II. Observations on the origin of coal from lignite to bituminous coal[J]. Organic Geochemistry, 1982, 4(1): 9-18.

[7] Ralph J P, Catcheside D E A. Action of Aerobic Microorganisms on the Macromolecular Fraction of Lignite[J]. Fuel, 1993, 72 (12): 1679-1686.[8] 王玉高,魏賢勇,李鵬,等. 霍林郭勒褐煤超臨界乙醇解機(jī)理分析[J]. 燃料化學(xué)學(xué)報,2012,40(3):263-266.

[9] 孫昊,江春,秦志宏.徐州鏡煤分級分次萃取物的FTIR分析[J]. 煤炭轉(zhuǎn)化,2006,29(4):30-33.

Ultrasonic Extraction of Xinjiang Changyan Coal with Acetone/Petroleum Ether and Analysis of Their Extract

WANGDe-xu,ZHENXue-qian,ZHAOXiao-kang,LIUXiao-yue,ZHUChao,ZHOUJun

(School of Chemical Engineering and Technology, Xuzhou Institute of Technology, Jiangsu Xuzhou 221000,China)

Two kinds of mixed organic solvent of petroleum ether/acetone were used to extract Xinjiang Changyan Coal with ultrasonic concussion and then the extraction was filtrated at normal pressure. The extraction rate was calculated by weighing and the compound type of extraction products were analyzed by infrared spectroscopy. The rate was about 3.8% by calculating the ulterasonic extraction. The products at all levels of compound type were analyzed by infrared spectrometer. The results showed that Xinjiang Changyan Coal may contain a large number of alkanes, benzene ring, fused aromatic rings, heterocyclic, nitrogen, phosphorus and other compounds. Xinjiang Changyan Coal is one kind of low rank coals used in the experiments, taking more in-depth research in its structure, it can make more efficient use.

Xinjiang Changyan Coal; ultrasonic; extraction; infrared spectrum

江蘇省高校自然科學(xué)基金項目(No: 15KJB480003)；徐州工程學(xué)院科研項目(No: XKY2014311)；徐州工程學(xué)院2016年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(No: xcx2016095)。

王德胥(1993-)，男，學(xué)生，專業(yè)方向：高分子材料的研究和開發(fā)。

周俊(1979-)，女，博士，講師，主要從事重質(zhì)碳資源的高效利用和原料藥的研究和開發(fā)。

TQ529.1

A

1001-9677(2016)022-0071-03