煤的溶剂萃取产物孔隙结构特性及级分组成表征

【摘要】： 从煤衍生物中能够分离出合成各种高附加值的聚合材料的芳香族化合物单体。因此，开发在温和及无污染条件下，由煤高效制取化学品和高性能材料的新工艺，已成为发展煤化工程的重要研究领域。 近年来的研究发现，对煤具有高溶解性能的混合溶剂二硫化碳-N-甲基-2-吡咯烷酮及某些供电子物质如四氰乙烯、四氰对醌二甲烷能够实现在温和条件下煤有机组分与无机组分的分离。所得的萃取物基本无灰，是一种超纯超微洁净煤；与原煤相比较，残余物的孔结构、孔径分布及比表面积也有较大的改变，可成为吸附性能优良的多孔性材料。 论文在室温下用二硫化碳-N-甲基-2-吡咯烷酮混合溶剂（V/V,1：1）对云南褐煤和南桐烟煤进行萃取，并分别依次用丙酮、吡啶对二硫化碳-N-甲基-2-吡咯烷酮混合溶剂萃取物进行级分。在此基础上，使用GC/MS联用仪对两种煤的丙酮可溶级分的组成进行表征，用ASAP2010型孔面积及孔径快速测试仪和扫描电镜对两种煤及溶剂不溶级分的孔隙结构特征进行测试研究。实验结果表明：对于低萃取率煤，残余物的吸附量与原煤相近，对于高萃取率煤，残余物的吸附能力有较大的增长；南桐烟煤在溶剂萃取过程中，随着轻质组分的除去，烟煤的凝聚结构也得到“疏松”，氮气分子更容易渗入煤的体相结构中，从而有效地增加了煤中各种类型孔隙数量；在较大范围的相对压力下，烟煤及萃取级分对氮气的吸附量和相对压力之间表现出良好的线性关系；溶剂萃取可以降低煤样颗粒的粒径，使其粒度分布趋向均匀化；混合酸在对云南煤的脱矿过程中不能改变煤的孔形状，而有机溶剂的萃取却可以起到“扩孔”的作用，从而改变煤的孔形状；溶剂萃取并不能显著改变煤样微孔孔径的分布，煤孔容、孔面积增大主要是各孔径范围孔数量增多的结果。同时，根据最可几孔径计算出南桐烟煤胶态分子团结构模型中基本结构单元的粒径在2.4nm左右，这证明了溶剂萃取并不能破坏煤基本结构单元以化学交联键为主形成的空间网络结构，在本质上仍然属于物理作用；两种煤的丙酮可溶级分主要含有脂肪烃、芳香族化合物、杂原子化合物及含氧衍生物等组分;杂原子化合物主要为含氮的甾类物及酯、酚等含氧衍生物，芳香族化合物主要为苯衍生物；作为二级级分，煤的丙酮可溶物均没有发现硫、磷等杂原子化合物，也没有检索到稠环芳香族物质。 煤的溶剂萃取残余物作为一种洁净的、吸附性能优越的天然多孔性物质，在作催化剂载体及有色物质的脱色剂、金属离子和杂质的吸附剂等领域具有广阔的应用前景。溶剂萃取有望成为洁净煤及煤基纳米级材料的制备与合成有效的途径。对煤的溶剂萃取残余物孔隙性的研究也有助于认识煤的空间网络结构。同时，溶 WP=5 剂萃取能够直接从煤中分离出用人工方法难以合成、但对动植物新成代谢具有重要作用的甾类化合物以及合成高分子功能材料的芳香族衍生物单体。