不同溶剂对煤的抽提效果的研究

李梦漪

（太原师范学院附属中学，山西 太原 030000）

1 研究背景

我国是多煤、少气、贫油的国家，一次能源的供需是社会最关注的问题。在目前世界日益紧张的能源问题中，煤直接液化、间接液化、煤焦油加氢和煤油共处理等煤制油工业为解决能源问题提出战略性建议。我国油田的周围都有十分丰富的适宜液化的煤炭资源，因此走“煤油共处理”的加工路线是一条优化资源配置的有效途径。

本项目所用的煤为新疆伊犁煤，其具备低灰、低硫、中等发热量、Vdaf＝38.44%、焦渣特征为2、煤的H/C原子比为0.73、化学反应性好等特点，根据国标GB/T 23810指标，适合用作直接液化原料。本文研究了其在不同溶剂下的萃取行为，为新疆伊犁煤的高效、合理利用提供理论基础和数据支持。

2 研究进展

2.1 煤样的制备

将新疆伊犁煤破碎并筛分为＜100目的颗粒，并在50℃下干燥5 h，用密封袋密封并放入干燥器中备用，其工业分析和元素分析见表1.

表1 伊犁煤工业分析和元素分析

2.2 实验溶剂和仪器

溶剂：甲苯（500 mL）、甲醇（500 mL）、正己烷（500 mL）、吡啶（500 mL）、四氢呋喃（500 mL），全部为分析纯试剂。

仪器：索氏抽提器、炭化炉、电子天平、干燥箱等。

2.3 实验方法

2.3.1 溶剂抽提实验

准确称量煤样（m1）并装入溶剂浸泡过的滤筒中，在温和条件下用不同溶剂对煤样进行索氏抽提，当虹吸管中回流液接近透明时认为萃取完成。取出萃取后的煤样，在烘箱中干燥后称重（m2），然后按下面的公式计算抽提率：

式（1）中：m1为抽提前煤样质量；m2为抽余煤质量；Aad为煤中灰分含量；Mad为煤中水分含量。

2.3.2 热重实验

热重实验主要用于考察不同溶剂处理的煤样在升温过程中的质量变化情况。首先，在天平上称取约10 mg样品于坩埚中；其次，用镊子将样品放到热重支架上并将仪器炉膛盖好；最后，以10℃/min的升温速度升温至900℃，保护气为N2，流量设定为50 mL/min。设定好程序后开始实验，通过仪器记录的质量变化分析样品。

2.3.3 炭化实验

在天平上称取约2 g（m1）样品于方舟中，然后用镊子将样品放到炭化炉中并将炉膛关闭，用与热重同样的升温程序升温。设定好程序后开始实验，自然冷却至室温后取出、称重（m2）。炭化产率为m2/m1.

3 结果与讨论

3.1 抽提时间对抽提率的影响

萃取时间对抽提率有较大的影响，不同的溶剂随着时间的增加抽提率逐渐增大，当增大到一定值时趋于平稳。以甲苯为例，如图1所示，随着时间的增加抽提率逐渐增大，在60～360 min区间内甲苯的抽提率增大比较明显，此后趋于平稳。这主要是由于煤中相当比例的组分是以非共价键相结合的，在低阶煤中主要以离子键为主，甲苯属于中等极性的溶剂，在前期能有效分离煤中小分子结构，小分子剥离以后，煤中剩余大分子结构，因而抽提速率随着时间的增长而降低。

图1 甲苯抽提率曲线图

3.2 溶剂对抽提率的影响

本项目选取甲苯、甲醇、正己烷、吡啶、THF 5种溶剂，图2为各溶剂对新疆伊犁煤的最大抽提率，分析图2发现吡啶≈甲醇＞四氢呋喃＞甲苯＞正己烷。吡啶在伊犁煤中表现出最大的抽提率，究其原因是吡啶为含N的供电子能力很强的溶剂，是良好的氢键受体，可以破坏煤分子间的供电-受电键，使小分子脱离下来，比如-CH3、-CH2、C-O官能团和-OH官能团，因而对不同煤阶吡啶都表现出较高的抽提率[3]。对伊犁煤的工业分析表明伊犁煤是一种低阶长焰煤（GB/T 5751），在非极性抽提溶剂中的作用力主要为煤分子间的作用力，而低阶煤中的分子间作用力主要为离子键力。其在非极性溶剂如正庚烷中所表现出较低的抽提率，表明低阶煤分子间的离子键力是一种较强的作用力。

图2 不同溶剂抽提4 h时新疆伊犁煤的抽提率对比图

3.3 萃余煤分析

3.3.1 热重分析

将新疆伊犁原煤和甲苯、甲醇、正己烷、吡啶、四氢呋喃溶剂的抽余煤在相同条件下做热重分析实验。以甲苯为例，如图3所示，通过分析对比其失重下降高度的变化，得出抽余煤的失重明显减小，说明煤抽提可以破坏大分子网络结构，产生小分子，并被溶剂溶出，使得与原煤相比失重减少。

图3 伊犁煤样抽提前后热重曲线对比

3.3.2 炭化实验

对新疆伊犁原煤和抽提后的煤样进行炭化实验，如图4所示，可以看出经过抽提后煤样的炭化产率要比原煤直接炭化的产率高出7%～12%.由于新疆伊犁原煤含氧量较高，富含大量的极性官能团，经过溶剂抽提改变了煤的大分子结构，使煤中小分子结构被剥离下来溶解入溶剂中，煤中剩余大量大分子结构，使得抽余煤的炭化产率高于原煤。

图4 炭化产率对比

4 结论

通过实验，得出以下3点结论：①在温和条件下，使用不同溶剂对新疆伊犁煤进行抽提，影响抽提率的因素有抽提时间、溶剂的性质等。实验所得的抽提率的大小关系为吡啶≈甲醇＞四氢呋喃＞甲苯＞正己烷。②抽提前后的煤样热重曲线表明，经过抽提的煤样比未经抽提的煤样失重少，炭化产率要高于原煤，说明抽提可以打破煤中大分子结构，使其小型化。③低阶煤中有大量的氢键，同时离子键力作用较强。

［1］田原宇，申曙光，田亚峻，等.煤的可溶化技术与煤的化学族组成［J］.太原理工大学学报，2001，11（6）：555-558.

［2］王飞，张代钧，杨明莉，等.煤的溶剂抽提规律及其产物性能的研究进展［J］.煤炭转化，2003，26（1）：8-11.

［3］王丽平.煤的CS2/NMP溶剂抽提［J］.山西化工，2011，31（3）：45-48.