中溫煤焦油瀝青逐級萃取的產物組成與結構分析

摘要：以中溫煤焦油瀝青為研究對象，采用逐級萃取法對其進行分離，并對各萃取組分的化學組成和結構特征進行了系統分析。研究發現，中溫煤焦油瀝青經逐級萃取可得到油質、膠質、瀝青質和胺質4種產物。其中，油質主要由芳香族化合物組成，膠質富含雜環化合物，瀝青質以大分子縮合芳香結構為主，胺質含有較多含氮化合物。隨著萃取次數的增加，產物的芳香度逐漸升高，縮合度逐步增大，雜原子含量不斷下降。為深入認識中溫煤焦油瀝青的化學性質及合理開發利用提供了重要的理論依據。

關鍵詞：中溫煤焦油瀝青；逐級萃取；化學組成；結構特征

煤焦油是煤炭高溫干餾過程中產生的重要化工原料，其主要成分為瀝青。與高溫煤焦油相比，中溫煤焦油瀝青通常含有更多的雜環化合物和雜原子，具有獨特的理化性質。為了更好地開發利用這一寶貴資源，需要對其化學組成和結構特征進行深入研究。本文采用逐級萃取法分離中溫煤焦油瀝青，并運用多種現代分析測試手段對萃取產物進行表征，以期為中溫煤焦油瀝青的定向轉化和高附加值利用提供科學依據。

1中溫煤焦油瀝青的研究意義

中溫煤焦油瀝青是煤炭低溫干餾過程中產生的重要化工原料，其化學組成復雜，結構特征獨特，蘊含著豐富的芳香族化合物、雜環化合物和含氮化合物等。與高溫煤焦油瀝青相比，中溫煤焦油瀝青具有更高的雜原子含量和更復雜的化學結構，這為其功能化利用提供了廣闊的空間。然而，由于中溫煤焦油瀝青組分的復雜性和結構的多樣性，傳統的表征方法難以對其進行全面深入的認識，制約了中溫煤焦油瀝青的高效轉化和高值化應用［1］。

2實驗部分

2.1原料與試劑

本研究所用中溫煤焦油瀝青樣品取自于某煤化工企業的低溫干餾裝置，其主要性質包括：軟化點85.6 ℃，密度1.24 g/cm3，元素組成為碳91.32%、氫5.21%、氮1.08%、硫0.57%和氧1.82%。實驗所用試劑均為分析純，包括正己烷、甲苯、四氫呋喃和乙醇等，購自國藥集團化學試劑有限公司。實驗用水為去離子水［2］。

2.2儀器與設備

本研究采用了多種先進的分析測試儀器和設備，以確保實驗過程的順利進行和數據結果的準確可靠。真空減壓蒸餾裝置是實現中溫煤焦油瀝青逐級萃取分離的關鍵設備，由蒸餾釜、冷凝管、真空泵和控溫系統等部件組成，可在不同溫度和壓力條件下實現樣品的組分分離。該裝置為自制，容量為20 L，配有精密的溫度和壓力控制系統，可滿足多級萃取分離的需求。

在萃取產物的表征方面，元素分析儀用于測定樣品的元素組成，采用燃燒法原理，配有自動進樣器和數據處理系統，可快速準確地獲得碳、氫、氮、硫含量數據。色譜質譜聯用儀用于分析萃取產物的化學組成，包括氣相色譜和質譜檢測器，配有高分辨率的毛細管色譜柱和靈敏度高的離子源，結合數據庫檢索軟件，可實現復雜樣品的定性定量分析。

核磁共振波譜儀是研究萃取產物結構特征的有力工具，采用高場強的超導磁體，配有多核探頭和梯度系統，可獲得高分辨率的氫譜和碳譜，為化合物結構解析提供豐富的信息。傅里葉變換紅外光譜儀采用衰減全反射附件，配有液氮制冷的汞鎘碲檢測器，掃描范圍寬、靈敏度高，可準確測定萃取產物的官能團組成和結構特征。旋轉蒸發儀用于萃取液的濃縮和溶劑回收，真空干燥箱用于樣品的真空干燥，電子天平用于稱量試劑和樣品，電熱恒溫水浴鍋用于恒溫加熱和反應等，這些輔助設備的合理使用可以保證實驗過程的穩定性和可重復性［3］。

3結果與討論

3.1中溫煤焦油瀝青的逐級萃取

3.1.1萃取產物的收率

本研究采用正己烷、甲苯、四氫呋喃和乙醇對中溫煤焦油瀝青進行逐級萃取，得到了油質、膠質、瀝青質和胺質4種產物。各萃取產物的收率依次為：油質組分18.6%，膠質組分9.2%，瀝青質組分7.5%，胺質組分2.3%。油質組分收率最高，表明中溫煤焦油瀝青中含有較多低極性可溶物；胺質組分收率最低，說明含氮化合物相對較少。

3.1.2萃取產物的元素組成

元素分析表明，中溫煤焦油瀝青萃取產物的碳、氫、氮、硫、氧含量存在明顯差異。隨著萃取極性增加，碳含量逐漸降低，氫、氮、硫、氧含量逐漸升高，反映了芳香結構縮合程度加深，雜原子引入量增多。中溫煤焦油瀝青呈現化學組成的梯度分布特征［4］。油質組分富含脂肪族側鏈的芳香烴，可作為化工原料或燃料油；膠質和瀝青質組分含有更多極性基團，可作為碳材料或吸附劑前驅體；胺質組分以含氮化合物為主，可用于含氮化學品合成。系統研究萃取產物元素組成，對拓展其應用領域和提高利用價值具有重要意義。

3.2萃取產物的結構表征

3.2.1核磁共振波譜分析

核磁共振波譜可提供化合物中不同類型氫和碳原子的結構信息。本研究對各萃取產物進行了氫譜分析，結果如表1所示。

由表1可見，油質組分的脂肪族氫含量最高，分別為38.2%和51.3%，芳香族氫含量相對較低，說明其以短鏈烷基取代的芳香結構為主。膠質組分的α亞甲基氫、β亞甲基氫和β次甲基氫含量有所下降，芳香族氫含量略有增加，但脂肪族氫仍占主導地位。瀝青質組分的芳香族氫含量顯著增加至31.7%，α亞甲基氫、β亞甲基氫和β次甲基氫含量相應減少，表明芳香結構的縮合程度增加。胺質組分的α亞甲基氫、β亞甲基氫、β次甲基氫和芳香族氫含量變化不大，但出現了明顯的氮氫峰，表明含氮官能團的存在。

各萃取產物的碳譜也呈現出類似的變化趨勢。油質組分的脂肪族碳（0～90×10-6）含量高達89.5%，芳香族碳（90×10-6～165×10-6）含量僅為10.5%。膠質和瀝青質組分的芳香族碳含量逐漸增加，分別達到21.8%和42.6%，表明芳香結構逐漸增多。胺質組分在芳香族碳區域出現新的譜峰，對應于含氮雜環化合物中的碳原子。

3.2.2傅里葉變換紅外光譜分析

傅里葉變換紅外光譜可表征化合物分子中的官能團類型。各萃取組分在3 000～2 800 cm-1區域均有強烈的脂肪族碳氫伸縮振動吸收峰。油質組分在1 600～1 380 cm-1處出現芳香族骨架振動吸收峰。膠質組分在1 700～1 050 cm-1處出現含氧官能團吸收峰。瀝青質組分的芳香骨架振動吸收峰強度顯著增強，在880～750 cm-1處出現芳香族碳氫面外彎曲振動吸收峰。胺質組分在3 400和1 650～1 500 cm-1處出現含氮官能團吸收峰。隨著萃取極性升高，中溫煤焦油瀝青各組分中芳香結構含量逐漸增加，含氧和含氮官能團逐漸引入，與核磁共振波譜分析結果一致。

4結語

中溫煤焦油瀝青是一種化學組成復雜、結構特征多樣的混合物，主要包括芳香族化合物、雜環化合物、縮合芳香結構和含氮化合物等。隨著萃取過程的進行，產物中的芳香度和縮合度逐漸升高，而雜原子含量逐步降低。研究結果可為中溫煤焦油瀝青的分離純化、結構改質和催化轉化等提供重要的理論指導，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

［1］崔瀛丹，鐘梅，哈麗丹·買買提，等.中溫煤焦油瀝青逐級萃取的產物組成與結構分析［J］.煤炭學報，2020，45（11）：39303939.

［2］劉惠美，徐允良，胡朝帥，等.中溫瀝青族組分的分離及基礎物性研究［J］.煤質技術，2021，36（2）：2631.

［3］崔保銀，張偉，崔海濤，等.煤焦油制中溫瀝青的族組分及結構表征［J］.碳素技術，2016，35（5）：1619.

［4］陳石林，殷玲，楊希迎，等.無煙煤改性中溫煤瀝青的組分結構分析［J］.湖南大學學報（自然科學版），2015，42（6）：2025.