超声萃取新疆皮里青煤及萃取物的红外光谱分析

於舜尧 刘浩 李敬伟 周俊

摘   要：采用超声萃取的方法，研究了新疆皮里青煤在甲醇、乙酸乙酯、乙醇和石油醚4种溶剂中的萃取率。结果表明，新疆皮里青煤在石油醚中几乎不溶，在乙酸乙酯中的萃取率较高。采用红外光谱分析萃取物的化学结构，发现乙酸乙酯萃取物主要为醇、酚、醚、芳烃、硝基、亚氨基、烷烃、烯烃、炔烃以及无机矿物质。同乙酸乙酯萃取物相比较，乙醇的萃取物中没有醚类和无机矿物，甲醇的萃取物中不含醚和芳烃。

关键词：新疆皮里青煤;超声萃取;萃取率;红外光谱

研究煤结构的方法主要分成两种。一种是从煤的物理结构进行研究，物理结构研究的是煤的空隙以及煤中分子的叠堆方式。另一种则是从煤的化学结构进行研究，常用的主要有3种方法：（1）直接测定煤的结构，需要通过先进的物理分析技术才能实现，比如光谱法等;（2）通过非破坏性的化学方法将煤中的有机质溶解后分离出来，最后根据煤中可溶有机物的组成情况分析煤的化学分子结构;（3）利用破坏性方法将煤的结构破坏，把煤中不能直接研究的大分子结构降解成可以利用常规的研究方法进行分析的中小分子结构，最终通过对其结构的研究进一步推断整个大分子的结构组成[1-2]。

煤的溶剂萃取指的是采用合适的溶剂，从而达到分离和富集煤中呈分散状态的可溶有机质的目的。而由于溶剂种类的不同，从煤中萃取出来的可溶有机质的量和质也会不同。很多有机溶剂都可以用于煤萃取，一般可以将它分为混合溶剂和单一溶剂。萃取所用的单一溶剂有石油醚、乙酸乙酯、丙酮、甲醇、乙醇、异丙醇等，混合溶剂有苯/甲醇、甲苯/乙醇、CS2/NMP、CS2/THF、甲醇/THF等等。甲醇或者乙醇等溶剂与变质程度不同的煤种之间有着不同的协同效应[3]。

本研究采用超声萃取的方法，研究了新疆硫磺沟煤在甲醇、乙酸乙酯、乙醇和石油醚4种溶剂中的萃取率。采用红外光谱进行比较和分析萃取物的化学结构。

1    实验部分

1.1  仪器与试剂

实验中主要用到的设备及其规格如表1所示。

实验使用的甲醇、乙酸乙酯、乙醇和石油醚4种溶剂都是市售分析纯试剂。所用的原料新疆硫磺沟煤的工業分析及元素分析数据如表2所示。

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  实验步骤

称取4份20 g的新疆皮里青煤，分别倒入500 mL的烧瓶内。在4个烧杯中依次倒入400 mL的乙酸乙酯、甲醇、无水乙醇、石油醚，用洁净玻璃棒充分搅拌后，用保鲜膜将烧杯封好，并贴上标签，放置在已经加热到设定温度50 ℃的超声清洗机中，超声萃取1 h，待萃取完毕后，静置24 h。然后用布氏漏斗和抽滤瓶进行抽滤得到滤液，倒入500 mL的蒸馏瓶中用旋转蒸发仪蒸干，然后用丙酮溶解后转移到样品瓶里，自然干燥就能得到萃取物，称重。重复上述操作5次，最终合并萃取物，计算萃取率。

对于合并后的每种溶剂的萃取物进行红外光谱分析。采取溴化钾压片的方法制样，在干燥箱中取干燥过的溴化钾粉末100～200 mg，放入玛瑙研钵中将其研细，再取试样0.5～2.0 mg，继续在玛瑙研钵中磨细，待两者混合均匀以后，用药匙取出一定量将其放入压膜机内，在压膜机中边抽气边加压，制得一定直径和厚度的透明片，然后将此薄片放入红外光谱仪器的光束中开始测定。扫描的次数一般为32次，光谱分辨率为8 cm-1，扫描的范围是4 000～400 cm-1。

2    结果与讨论

因为所选溶剂石油醚的极性比较小，对于新疆皮里青煤的萃取率较低，所以，不考虑。由图1可知，在比例为1∶20、萃取温度为50 ℃、萃取时间为1 h的条件下，3种溶剂中甲醇萃取的效果最不好，萃取率最低，仅为5.51%，乙醇的萃取率为10.29%，乙酸乙酯的萃取率是最高的，达到12.47%。乙酸乙酯对新疆皮里青煤的萃取率高于乙醇的原因可能是乙酸乙酯具有π电子和n电子，可与新疆皮里青煤中具有π电子的化合物以及极易形成氢键的化合物相互作用，减少该类化合物与煤骨架的缔合作用，从而将其萃取出来[3]。

由图2可知，甲醇与乙酸乙酯的超声萃取物中均含有无机矿物，而乙醇的超声萃取物中没有其存在;同甲醇与乙醇相比，乙酸乙酯在1 038 cm-1处有C—O的伸缩振动峰，在2 900 cm-1处没有出现—CH2的不对称伸缩吸收峰;同甲醇相比，乙醇与乙酸乙酯的超声萃取物在1 260 cm-1处出现—NO2的对称振动吸收峰，在1 600 cm-1处出现单核芳烃上的C=C的伸缩振动峰;同乙酸乙酯与乙醇相比，甲醇在1 587 cm-1处出现—NO2的不对称振动吸收峰。3种超声萃取物中均含有—CH3的对称弯曲吸收峰、碳碳三键、—NH基团的伸缩振动峰以及O—H伸缩振动峰。

[参考文献]

[1]陈   鹏.中国煤炭性质、分类和利用[M].北京：化学工业出版社，2007.

[2]虞继舜.煤化学[M].北京：冶金工业出版社，2000.

[3]MAKABE M，OUCHI K. Reaction conditions and mechanism of coal liquefaction with ethanol treatment[J].Chemical Society of Japan，1980（8）：867-873.

Dedign the best condition of ultrasonic extraction of Xinjiang Piliqing coal with orthogonal method

Yu Shunyao， Liu Hao， Li Jingwei， Zhou Jun

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

Abstract：With the ultrasonic extraction method， the extraction rate of Xinjiang Piliqing coal in the four solvents of methanol， ethyl acetate， ethanol and petroleum ether was studied. The results show that Xinjiang Piliqing coal is almost insoluble in petroleum ether， and its extraction rate is the highest in ethyl acetate. The final results of infrared spectrum（IR） show that ethyl acetate extract is mainly alcohol， phenol， ether， aromatic， nitro， imino group， alkanes， alkene， alkynes and inorganic minerals. Compared with ethyl acetate extract， ethanol extracts have no ether or inorganic minerals， the extract of methanol contains no ether and aromatic hydrocarbons.

Key words：Xinjiang Piliqing coal; ultrasonic extraction; exteaction rate; infrared spectrum