微波紫外辅助10-十一烯醛改性煤沥青脱除毒性多环芳烃的研究

发布时间：2020-07-24 18:42

【摘要】：煤焦油沥青(CTP)是煤焦油蒸馏产量最大的产品,我国每年产量约800万吨。CTP广泛应用于生产各种碳材料粘结剂、煤沥青涂料、铝电解电极、筑路和建筑等,但是CTP中含有较多致癌性多环芳烃,随着人们环保意思的增强,CTP对环境和人类健康的危害成为限制其应用的主要原因。因此,如何降低或抑制CTP中毒性多环芳烃(PAHs)释放已成为一个急需解决的问题。本文通过微波和紫外辅助强化10-十一烯醛对煤沥青进行改性反应,以硫酸氢钾(KHSO_4)为催化剂,筛选了不同微波/紫外条件下最优反应溶剂,优化了改性工艺条件。对改性前后煤沥青的基础性质及美国环保署(EPA)优先监控16种PAHs进行分析,通过煤沥青烟和水溶物实验考察改性前后煤沥青对环境的影响。由一系列表征手段和相关模型化合物实验初步探索反应机理。得到以下初步结论:1)微波条件下最优反应溶剂为环己烷,微波和紫外辅助反应提高了反应效率,有效降低了CTP中EPA优先监控16种PAHs的含量,相比无辅助情况下改性效果增强。2)微波和/或紫外辅助改性煤沥青在微波功率200 W,50℃恒温反应,功率88~120 W,同时辅助以紫外光(功率250 W,波长为365nm)照射。在60~90 min之内,16种PAHs总含量最大脱除率为91.59%,总含量降至7.41 mg/g以下,相对于无微波和紫外辅助改性时间缩短2.5~3 h,改性效果相差无几。3)改性后CTP软化点降低到72.6℃,变为低温煤沥青,甲苯不溶物含量从25.71%增加到30.30%,喹啉不溶物含量从9.96%增加到11.45%,结焦值从58.60%增加到63.20%。改性后CTP烟气中PAHs从262 mg/m~3降到195 mg/m~3,是《大气污染物综合排放标准》中规定建筑搅拌沥青烟最大允许排放浓度150 mg/m~3的1.3倍。改性后CTP水可溶物中PAHs含量从2.05μg/g增加到52.66μg/g,通过模拟酸雨与蒸馏水可溶物实验对比,发现溶液酸性增加有利于PAHs溶解。4)通过对改性前后CTP进行元素、红外、拉曼、热重/差热扫描、~(13)C固体核磁和X射线衍射一系列表征,结合相关PAHs模型化合物实验,初步推测煤沥青中部分PAHs与改性剂发生烷基化反应,部分改性剂自身发生反应,生成其他含氧化合物,导致煤沥青分子之间氢键数量增加。使煤沥青在环己烷萃取过程PAHs萃取率下降,但由于氢键力较小,在受热时可以断开,导致改性CTP烟气释放PAHs降低率较小;由于改性后CTP中大量氢键力的存在,在水溶物中容易与溶剂形成更强的氢键力导致PAHs含量增加。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ522.65
【图文】：

太原理工大学硕士研究生学位论文的含侧链基团较多，空间排列混乱的缩聚产物，归属为煤沥青中等质量组份，其相对分子质量约在 1000~1800 之间。β树脂的含量对煤沥青的粘结性和可塑性影响较大，一般认为，β树脂的含量对煤沥青产品的电阻率、热导率、机械强度、耐腐蚀和抗氧化性能等物理和化学性质起主导作用。γ树脂（甲苯可溶物 TS），为煤沥青中具有晶体结构的单体化合物以分散点的形式形成的混合物，归属为煤沥青中轻质组份，其相对分子质量约在 200~1000之间。γ树脂可以有效降低煤沥青的黏度，增加碳质骨架的吸附性能，有利于提高煤沥青的高温流动性，使中间相更易形成。但γ树脂不宜过量，否则会影响煤沥青的残碳率和其产品的机械强度和密度，且γ树脂大多具有致癌性质[22-25]。

名称 煤沥青甲苯不溶物（TI）/% 25.71喹啉不溶物（QI）/% 9.96结焦值（CV）/% 58.60软化点（SP）/℃ 89.002.3 实验方法2.3.1 改性实验方法煤沥青改性实验主要由两部分组成：第一部分改性煤沥青（MCTP）的制取，内容包括煤沥青在微波和/或紫外条件下改性反应和对改性后煤沥青固液混合物进行浓缩分离处理；第二部分为对煤沥青改性效果的评价，内容包括对改性煤沥青中毒性 PAHs 进行索氏抽提和将抽提液进行浓缩定容和 GC 分析。实验过程所涉及的实验操作装置如图 2-1 所示，从左到右分别为煤沥青改性装置，减压蒸馏装置和索氏抽提装置。

11V —抽提液的定容体积，mL；1M —抽提实验中煤沥青总质量，g。 基础性质的测定对改性前后 CTP 按照国家标准（如表 2-5）分别测定甲苯不溶物（TI溶物（QI）、结焦值（CV）和软化点（SP）[1-4]。表 2-5 煤沥青技术指标测定的和国家标准Table 2-5 National standard of CTP technical indicators and measurement项目 标准编号 标准名称苯不溶物（TI） GB/T 2292-1997 焦化产品甲苯不溶物含量的测啉不溶物（QI） GB/T 2293-1997 焦化固体类产品喹啉不溶物试验焦值（CV） GB/T 8727-2008 煤沥青类产品结焦值的测定方软化点（SP） GB/T 4507-1999 沥青软化点测定法（环球法 煤沥青烟气及水溶物实验收集煤沥青烟气实验所采用装置为文献中[6]设计的装置，如图 2-2 所示

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