超聲萃取新疆皮里青煤及萃取物的紅外光譜分析

於舜堯 劉浩 李敬偉 周俊

摘? ?要：采用超聲萃取的方法，研究了新疆皮里青煤在甲醇、乙酸乙酯、乙醇和石油醚4種溶劑中的萃取率。結果表明，新疆皮里青煤在石油醚中幾乎不溶，在乙酸乙酯中的萃取率較高。采用紅外光譜分析萃取物的化學結構，發(fā)現(xiàn)乙酸乙酯萃取物主要為醇、酚、醚、芳烴、硝基、亞氨基、烷烴、烯烴、炔烴以及無機礦物質。同乙酸乙酯萃取物相比較，乙醇的萃取物中沒有醚類和無機礦物，甲醇的萃取物中不含醚和芳烴。

關鍵詞：新疆皮里青煤;超聲萃取;萃取率;紅外光譜

研究煤結構的方法主要分成兩種。一種是從煤的物理結構進行研究，物理結構研究的是煤的空隙以及煤中分子的疊堆方式。另一種則是從煤的化學結構進行研究，常用的主要有3種方法：（1）直接測定煤的結構，需要通過先進的物理分析技術才能實現(xiàn)，比如光譜法等;（2）通過非破壞性的化學方法將煤中的有機質溶解后分離出來，最后根據煤中可溶有機物的組成情況分析煤的化學分子結構;（3）利用破壞性方法將煤的結構破壞，把煤中不能直接研究的大分子結構降解成可以利用常規(guī)的研究方法進行分析的中小分子結構，最終通過對其結構的研究進一步推斷整個大分子的結構組成[1-2]。

煤的溶劑萃取指的是采用合適的溶劑，從而達到分離和富集煤中呈分散狀態(tài)的可溶有機質的目的。而由于溶劑種類的不同，從煤中萃取出來的可溶有機質的量和質也會不同。很多有機溶劑都可以用于煤萃取，一般可以將它分為混合溶劑和單一溶劑。萃取所用的單一溶劑有石油醚、乙酸乙酯、丙酮、甲醇、乙醇、異丙醇等，混合溶劑有苯/甲醇、甲苯/乙醇、CS2/NMP、CS2/THF、甲醇/THF等等。甲醇或者乙醇等溶劑與變質程度不同的煤種之間有著不同的協(xié)同效應[3]。

本研究采用超聲萃取的方法，研究了新疆硫磺溝煤在甲醇、乙酸乙酯、乙醇和石油醚4種溶劑中的萃取率。采用紅外光譜進行比較和分析萃取物的化學結構。

1? ? 實驗部分

1.1? 儀器與試劑

實驗中主要用到的設備及其規(guī)格如表1所示。

實驗使用的甲醇、乙酸乙酯、乙醇和石油醚4種溶劑都是市售分析純試劑。所用的原料新疆硫磺溝煤的工業(yè)分析及元素分析數(shù)據如表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? 實驗步驟

稱取4份20 g的新疆皮里青煤，分別倒入500 mL的燒瓶內。在4個燒杯中依次倒入400 mL的乙酸乙酯、甲醇、無水乙醇、石油醚，用潔凈玻璃棒充分攪拌后，用保鮮膜將燒杯封好，并貼上標簽，放置在已經加熱到設定溫度50 ℃的超聲清洗機中，超聲萃取1 h，待萃取完畢后，靜置24 h。然后用布氏漏斗和抽濾瓶進行抽濾得到濾液，倒入500 mL的蒸餾瓶中用旋轉蒸發(fā)儀蒸干，然后用丙酮溶解后轉移到樣品瓶里，自然干燥就能得到萃取物，稱重。重復上述操作5次，最終合并萃取物，計算萃取率。

對于合并后的每種溶劑的萃取物進行紅外光譜分析。采取溴化鉀壓片的方法制樣，在干燥箱中取干燥過的溴化鉀粉末100～200 mg，放入瑪瑙研缽中將其研細，再取試樣0.5～2.0 mg，繼續(xù)在瑪瑙研缽中磨細，待兩者混合均勻以后，用藥匙取出一定量將其放入壓膜機內，在壓膜機中邊抽氣邊加壓，制得一定直徑和厚度的透明片，然后將此薄片放入紅外光譜儀器的光束中開始測定。掃描的次數(shù)一般為32次，光譜分辨率為8 cm-1，掃描的范圍是4 000～400 cm-1。

2? ? 結果與討論

因為所選溶劑石油醚的極性比較小，對于新疆皮里青煤的萃取率較低，所以，不考慮。由圖1可知，在比例為1∶20、萃取溫度為50 ℃、萃取時間為1 h的條件下，3種溶劑中甲醇萃取的效果最不好，萃取率最低，僅為5.51%，乙醇的萃取率為10.29%，乙酸乙酯的萃取率是最高的，達到12.47%。乙酸乙酯對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電子和n電子，可與新疆皮里青煤中具有π電子的化合物以及極易形成氫鍵的化合物相互作用，減少該類化合物與煤骨架的締合作用，從而將其萃取出來[3]。

由圖2可知，甲醇與乙酸乙酯的超聲萃取物中均含有無機礦物，而乙醇的超聲萃取物中沒有其存在;同甲醇與乙醇相比，乙酸乙酯在1 038 cm-1處有C—O的伸縮振動峰，在2 900 cm-1處沒有出現(xiàn)—CH2的不對稱伸縮吸收峰;同甲醇相比，乙醇與乙酸乙酯的超聲萃取物在1 260 cm-1處出現(xiàn)—NO2的對稱振動吸收峰，在1 600 cm-1處出現(xiàn)單核芳烴上的C=C的伸縮振動峰;同乙酸乙酯與乙醇相比，甲醇在1 587 cm-1處出現(xiàn)—NO2的不對稱振動吸收峰。3種超聲萃取物中均含有—CH3的對稱彎曲吸收峰、碳碳三鍵、—NH基團的伸縮振動峰以及O—H伸縮振動峰。

[參考文獻]

[1]陳? ?鵬.中國煤炭性質、分類和利用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007.

[2]虞繼舜.煤化學[M].北京：冶金工業(yè)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