溶剂萃取对煤的结构改性及萃余煤吸附性能的评价

发布时间：2020-08-25 02:06

【摘要】：通过微波直接加热溶剂改性萃取法、加碳酸钠固相研磨法预处理后甲醇溶剂萃取、氢氧化钠-甲醇萃取、芬顿-水热氧化预处理后萃取等工艺方法,对宁东红石湾煤进行了萃取研究,探究了上述不同工艺方法对煤样的萃取效果的影响规律及萃余煤的结构变化特征,揭示了溶剂萃取过程对改性煤组成及结构的变化规律。同时,萃余煤作为一种改性的多孔材料,探究了其对水体中污染物的吸附性能考察,主要研究结论如下:(1)以甲醇为溶剂通过微波法对红石湾煤进行萃取,优化工艺条件为:煤(80目以下)和甲醇的固液比(g:mL)为1:4、微波输入功率为600W、萃取时间为25min,萃取率为0.6%。采用FT-IR、XRD、BET、TG等分析测试手段对萃余煤结构特性进行表征,结果表明煤的骨架结构遭到破坏,煤表面含有更加丰富的官能团,芳香环片层间的距离减小,孔径减小,比表面积增加,更易热解,表明煤的溶剂萃取过程对煤的组成及结构产生了明显的作用,这种作用为煤改性为具有良好吸附性能的材料奠定了基础。此外,对萃取物进行GC-MS分析测试,表明萃取物的主要组成成分是脂肪类、芳香类以及杂原子化合物。(2)探究加碳酸钠固相碾磨、氢氧化钠萃取、芬顿-水热氧化预处理过程对煤萃取对的影响机制。优化工艺条件为:加入的煤和碳酸钠的质量比为50:3,碾磨时间为4h,煤与甲醇的固液比(g:mL)为1:4、微波输入功率为600W、萃取时间为25min,萃取率可以达到1.45%;同样萃取条件下,5g煤加入0.3g氢氧化钠进行直接萃取实验,萃取率可以达到3.21%;芬顿-水热预处理(20g煤,加入硫酸亚铁1g,双氧水1mL),温度为180℃,水热氧化时间为6h时,取5g煤样加入0.3g氢氧化钠萃取时,萃取率可以达到4.8%。采用FT-IR、XRD、BET、TG等分析测试手段对萃余煤结构特征进行表征,结果表明:加碳酸钠固相碾磨预处理萃余煤和氢氧化钠萃余煤结构中的C-O键的伸缩振动吸收峰明显增强,说明煤的结构得到氧化解聚。加碳酸钠固相碾磨预处理和芬顿-水热氧化预处理的萃余煤,其结构中芳香环层片堆砌高度下降,加氢氧化钠萃取的萃取煤芳香环片层的堆砌高度上升,预处理也使得芳香层片的间距发生改变。此外,对萃取物进行GC-MS分析测试,结果表明萃取物的主要组成成分是链状烷烃、芳香烃、以及含氧、含氮化合物。(3)将上述萃余煤作为吸附剂材料进行了吸附性能考察,以加氢氧化钠预处理的萃余煤为吸附剂,测试了其对模拟水体中亚甲基蓝、碱性品红染料的吸附脱除性能。实验结果表明:当萃余煤投入量为3.0g时,其对配制的100mL浓度为15mg/L亚甲基蓝脱除率可达95.7%,吸附量为0.48mg/g;然而相同质量的原煤的脱除率仅为40%,吸附量为0.20mg/g。当萃余煤投入量为3.0g时,其对于100mL浓度为20mg/L碱性品红的脱除率为97.1%,吸附量为0.65mg/g;相同质量原煤的脱除率为42%,吸附量为0.28mg/g。同时还探究了吸附动力学特征,研究表明,上述吸附过程符合准二级动力学模型,吸附过程存在多个控制步骤,符合Langmuir吸附等温线模型,吸附发生在单分子层表面。上述结果表明,煤的溶剂萃取所得的萃余煤是一种良好的吸附剂材料。
【学位授予单位】：宁夏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ533
【图文】：

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利用技术还需进一步探宄，试图根本上改变煤炭资源高污染、高成本、利用率低的现状。逡逑１．２煤的综合利用逡逑近百年内，在煤炭的综合利用（如图１－２所示）方面许多国家做了很多研宄工作，如干馏、逡逑气化、液化等，取得了显著的成绩，煤炭的综合利用还需要在未来的很长一段时间内继续研宄发逡逑展。煤炭作为一次能源直接燃烧进行利用，目前我国的６０％的发电量以煤作为燃料。很多国家着逡逑手开发煤转化技术，通过将煤炭转化为二次能源的煤气化和煤液化工艺，得到煤气和人造液体燃逡逑料，这样在运输和使用上非常方便，也减少了对环境的污染。并且工业中煤的气化和液化技术已逡逑取得显著成果，煤炭综合利用与很多工业密切相关，如：火力发电、冶金、材料、化工、医疗等逡逑都有所应用。逡逑气化、液化、干馏邋｜水泥逡逑逦邋Ｖ邋￣ｒ￣＾逦逦逡逑发电ｈ——Ｉ煤炭开发Ｉ￣￣焦化Ｉ￣￣化工逡逑１邋ｒ逡逑炼铁，炼钢逡逑图１－２煤炭的综合利用示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ邋ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｃｏａｌ逡逑１．２．１煤炭的干馏逡逑煤炭的干馏是将煤在隔绝空气的条件下加热碳化，得到焦炭、焦油和煤气的工艺流程。根据逡逑温度的不同可分为：低温干馏、中温干流和高温干馏。煤的高温干馏是技术最成熟、应用最广泛逡逑的煤炭综合利用方法。当煤料的温度处于不同阶段时会产生变化

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２－３Ｔａｂｌｅ邋２－３邋Ｔｈｅ邋ｍａｉｎ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ逦逡逑逦仪器名称逦逦生产厂家逦逡逑分析天平逦ＴＧ３２８Ａ（Ｓ）逦上海精科天平仪器厂逡逑循环水式多用真空亲逦ＳＨＢ－ｍ逦郑州长城工贸有限公司逡逑真空干燥箱逦ＤＺＦ－６０５０逦上海慧泰仪器制造有限公司逡逑砂芯过滤装置逦２５０ｍＬ逦联华玻璃仪器厂逡逑微波萃取合成仪逦ＭＡＳ－ＩＩ逦上海新仪微波化学科技有限功公司逡逑旋转蒸发仪逦Ｒ１００１－ＶＮ逦郑州长城科工贸公司逡逑物理吸附分析仪逦ＡＳＡＰ２０２０－ＨＤ８８－３邋ＦＬＥＸ逦美国麦克仪器公司逡逑傅里叶红外光谱仪逦ＦＴＩＲ－８４００型逦日本岛津公司逡逑Ｘ－射线衍射仪（ＸＲＤ）逦ＳＥＴＳＹＳ－１７５０逦法国邋ＳＥＴＡＲＡＭ逡逑热重分析仪逦Ｓｅｔｓｙｓ邋１６逦法国赛特拉姆公司逡逑２．３甲醇为溶剂微波加热萃取宁东红石湾煤实验逡逑２．３．１甲醇－微波萃取实验工艺流程逡逑甲醇－微波萃取实验工艺流程如图２－１。逡逑

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（２）微波法对煤萃取前后的微观结构影响逡逑ＸＲＤ多用于分析矿物质的组成成分和分布情况，也可以揭示碳原子排序的有序性，故也用逡逑于研究煤中大分子的结构特征。图２－６为原煤和萃余煤的的ＸＲＤ衍射图，由于００２峰存在明显，逡逑只对００２峰的结构参数进行计算分析。本文对煤晶体的结构单元参数：芳香环层片的堆砌高度逡逑Ｌ００２、芳香环片层间的距离ｄＭ２进行计算。先通过高斯拟合可以得到ｐＱＱ２，在根据谢乐公式（２－２）逡逑可以得到ＬＭ２，根据布拉格方程式（２－３）可以得到ｄ00２。逡逑Ｌ00２＝0．８９邋人／（Ｐ00２邋ＣＯＳ０00２）逦（２－２）逡逑ｄ00２＝Ｘ／（２邋ｓｉｎ０00２）逦（２－３邋）逡逑通过对原煤和萃余煤的Ｘ－射线衍射结果进行拟合，得到了它们的微晶结构尺寸如表２－５所示，逡逑经过甲醇萃取后萃余煤的堆砌高度有所下降，芳香环片层间的距离略有减小，表明煤的微晶单元逡逑芳香层的结构得到破坏，萃取对煤的微晶结构有一定的影响。从溶胀作用的机理来分析，这是单逡逑一芳香层片的厚度减小以及小分子相溶出的共同作用的结果［６１］。这与前面的ＩＲ测试分析发现的逡逑变化机制是一致的。逡逑表２－５原煤和萃余煤的微晶结构参数逡逑Ｔａｂｌｅ．２－５邋Ｔｈｅ邋ｃｒｙｓｔａｌｌｉｔｅ邋ｓｉｚｅ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒ邋ｏｆ邋ｃｏａｌ邋ａｎｄ邋ｒｅｓｉｄｕｅｓ逡逑

【参考文献】