离子液体用于煤沥青/油页岩的改质和萃取研究

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煤沥青(coal tar pitch,CP)是煤焦油蒸馏提取馏分后的残留物,是煤焦油加工过程中分离出的大宗产品,产率一般为焦油总量的50%~60%,其加工利用水平和经济效益对整个煤焦油加工企业至关重要。油页岩作为一种新的能源类型,对其所含有的沥青质进行加工利用,不仅可以充分利用资源,提高油页岩的利用效率,亦可增加其附加值。沥青为多种碳氢化合物的混合物,C含量高,且价格低廉,是制取各种碳素材料不可替代的原料。目前,制备碳纤维和针状焦是沥青利用的热点,未来的研究方向将侧重于沥青制备特种纤维等高新技术产品。目前存在的主要问题就是如何得到性能优良的改质沥青,以制备优质的材料前驱体。而对于改质沥青的原料—煤沥青,由于含有灰分、喹啉不溶物等杂质,不利于碳材料中间相形成,所以通过溶剂萃取提高原料煤沥青的性能,对开发优质碳材料前驱体具有重要意义。  离子液体作为一类新型溶剂,具有选择好、不易挥发、热稳定性好、液程范围宽、结构可调等优点,可用来取代有机溶剂作为反应和分离介质来开发绿色清洁过程,离子液体已经广泛应用于煤化工领域。本论文研究N-甲基吡咯烷酮(NMP)、离子液体(ionic liquids,ILs)和两者的复配溶剂对煤沥青的萃取影响。首先以NMP为萃取溶剂,研究了混合时间、温度和料液质量比对萃取收率的影响,得到了较佳萃取工艺:温度-40℃,时间-10min,料液比-6∶1(溶剂/CP);其次在确定的工艺参数下,选取离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([BMIM]Cl),探讨了不同NMP/[[BMIM]Cl溶剂的质量配比下的萃取收率,结合元素分析、FT-IR等表征手段,发现离子液体可以选择性的调节提取物的H/C比,实现对芳烃的调控;同时采用一系列咪唑类离子液体与NMP复配,同样实现了对提取物H/C比的调控,发现在同等条件下,[BMIM]Cl的萃取收率最好,证明NMP/[BMIM]Cl混合溶剂是一类良好的沥青改性溶剂。提取物不含灰分和喹啉不溶物且具备合适的H/C比,适合作为制备碳材料前驱体的原料。  另外研究在超临界CO2条件下提取油页岩中的沥青质,首先考察了一系列有机溶剂对沥青质的提取效果,发现NMP的萃取收率最好,达到1.56%;其次探讨了离子液体对油页岩的萃取收率,结果表明[BMIM]Cl的萃取收率最高,可达到8.9%,远高于有机溶剂和其它离子液体的萃取收率;同时,探究了不同NMP/[BMIM]Cl质量配比对萃取收率的影响,在NMP中添加一定的[BMIM]Cl可以显著提高萃取收率。结合元素分析、TG/DTA、FT-IR等分析手段,发现离子液体提取的沥青质含有20%左右的灰分,而NMP提取的沥青质不含灰分,两种溶剂的混合可以显著提高萃取收率。
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