ДонНТУ    Портал магистров ДонНТУ    Поисковая система ДонНТУ   


ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

ТЕМА РАБОТЫ:"Исследование сернистых углей методом экстракции"

   Составитель:  Бондаренко Алексей Викторович


Автореферат    Библиотека    Ссылки    Автобиография     Результаты поиска    Индивидуальное задание   

ЭКСТРАКТЫ УГЛЕЙ

Л.Лазаров, Г.Ангелова// Экстракты углей. Типы экстракционных процессов. Структура и реакции углей.// Издательство Болгарской АН София,1990 год ,230 с.

Экстракция различными растворителями и анализ растворимых продуктов является классическим путем для изучения химической структуры углей. Накоплен огромный экспериментальный материал о растворимости углей разной степени углефикации и об эффективности различных растворителей. В настоящее время возможности анализа химического состава угольных экстрактов сильно возросли, но для однозначной интерпретации экспериментальных результатов о молекулярной и надмолекулярной структуре угля необходимы более глубокие познания механизма самого процесса экстракции. Вопросы об экстракции угля непосредственно связаны с технологическими проблемами ожижения угля, в частности, гидрогенизации.

Типы экстракционных процессов

      Наиболее отчетливым является группирование экстракционных процессов в три основные группы:
      Экстракция нейтральными низкокипящими растворителями. Многие авторы называют этот тип экстракции "неспецифической" или "необусловленной", так как при этом экстрагируется небольшая часть органической массы углей. Извлекаемый продукт не отражает структуру основной органической массы. Извлекаются относительно небольшие, связанные дисперсионными силами, молекулы. Температура экстракции обычно ниже 100 °С.
      Экстракция специфическими растворителями. Позволяет извлекать от 10-15 до 40% угольной массы при температурах ниже 200°С. При этом разрушаются более прочные, чем дисперсионные, связи, без расщепления ковалентных связей. Применяемые растворители обычно сильные нуклеофилы, обладающие электрон-донорными свойствами.
      Деструктивная экстракция. Осуществляется при температурах выше 200° С. Имеет место расщепление слабых ковалентных связей, сопровождаемое (в зависимости от растворителя) диспропорционированием водорода угля или переносом водорода от растворителя к углю. Очевидно, в этом случае в экстракте содержатся и продукты деструкции макромолекул углей.       Экстракция нейтральными низкокипящими растворителями не имеет существенного значения для изучения структуры угля из-за незначительного выхода экстракта. Типичные, часто применяемые растворители: бензол, спирт, их смеси и хлороформ. Выход экстракта сильно зависит от петрографического состава угля. Так, например, экзинит всегда содержит больше смол и восков, которые экстрагируются. В случае чистых витренов выход экстракта убывает с углефикацией, причем на стадии каменных углей он обычно не превышает 2%. Представляет интерес, в какой степени экстрагируются таким путем наличные низкомолекулярные компоненты массой до 500. Оказывается, что на экстракцию влияет микропористая структура угля. Vahrman [1] показал, что значительно большие количества относительно небольших молекул можно было бы экстрагировать нейтральными низкокипящими растворителями, если они могли бы проходить через отверстия и сужения микропор. Теребенина [93] показала, что сокслетовая экстракция углей спиртбензолом может продолжаться месяц и больше. Состав экстракта изменяется со временем экстракции [1, 93].
      Особое значение для структурных исследований имеет экстракция специфическими растворителями. Dryden [2] систематизировал большое количество экспериментальных данных об экстрагирующей способности различных растворителей и пришел к следующим общим заключениям: 1) специфические растворители содержат атом азота или кислорода со свободной электронной парой; эффект такой электронной пары, однако, зависит от ее участия в водородных связях (например, в случае смеси растворителей) или в мезомерных эффектах; 2) как правило, азотсодержащие соединения более эффективные растворители, чем соответствующие кислородсодержащие соединения; 3) эффективность растворителя зависит от пространственных факторов, поэтому наличие алкильных радикалов является неблагоприятным.
      Специфическими растворителями с наибольшей экстрагирующей способностью оказываются некоторые соединения, содержащие первичную аминную группу, связанную с метиленовой группой, и гетероциклические основания типа пиридина. На рис. 1 представлен эффект трех таких растворителей при экстракции углей разных степеней углефикации. Видно, что максимальный эффект этих растворителей проявляется на различных стадиях углефикации. Этаноламин (Тk=171oC) в действительности специфичен только для молодых бурых углей. В отличие от экстракции пиридином (Тk= 115oС) экстракция этилендиамином Тk=117oC) очень сильно зависит от температуры и остаток после экстракции обычно содержит повышенное содержание азота вследствие необратимого присоединения растворителя. Выход экстракта обработка специфическими растворителями

Рис.1. Выход экстракта (%) при обработке специфическими растворителями углей разного содержания углерода: 1-этаноламин; 2-этилендиамин; 3-пиридин.











      При сравнении растворителей одного и того же типа, Halleux, Tschamler [3] показали, что экстрагирующая способность коррелирует одновременно с двумя основными факторами - с их силой как основанием (или кислотой) Льюиса и с их пространственной конфигурацией. На основании экстракции каменных углей (рис.2.) пиридином (I), 2,6-лутидином (II), 3,5-лутидином (III) и 2,6-ди-трет. бутил-пиридином (IV) они сделали заключение, что эффект экстракции можно объяснить величиной рКа растворителей и особенностью их пространственной структуры. пиридин 2,6-лутидин 3,5-лутидином 2,6-ди-трет. бутил-пиридином







                                                         Рис.2. Растворители.

      Специфические растворители являются сильными нуклеофилами с электрондонорными, но некоторые соединения с электрон-акцепторными характеристиками, как фенол, пиррол и др., тоже относятся к этой группе. Принято считать, что экстрагирующую способность органических аминов можно достаточно хорошо объяснить разрывом межмолекулярных водородных связей в угле и образованием новых таких связей между основными группами растворителя и кислыми (фенольными) группами в угле. Таким образом механизм экстракции специфическими растворителями рассматривается как основывающийся на электрондонорно-акцепторных взаимодействиях. Интерпретация данных экстракции разнообразными растворителями с электрондонорными и акцепторными свойствами показывает, что экстракция нуклеофильными растворителями является типичным SN-сольволизным замещением в донорно-акцепторных комплексах угля. M a r z e с е t al.[4] рассматривают межмолекулярные донорно-акцепторные взаимодействия в углях как взаимодействия, протекающие между донорными или акцепторными центрами пространственно сшитой макромолекулярной структурной части и несшитыми молекулами. При экстракции этих несшитых молекул, молекулы растворителя вытесняют экстрагируемые молекулы в донорно-акцепторных комплексах со сетчатой матрицей. Авторы предлагают эту модель, основываясь на зависимости выхода экстракта от донорных или акцепторных чисел (числа по Gut man [29]) большого числа опробованных растворителей. Обобщенное рассмотрение механизма экстракции как основанного на донорно-акцепторных взаимодействиях допускает, что на растворимость угля могут влиять и другие межмолекулярные взаимодействия, кроме водородных связей, как, например, образование координационных комплексов и комплексов с переносом заряда.