超臨界乙醇萃取萘的實(shí)驗研究

炭素2014年第1期·14CARBON總第158期文章編號:1001-8948(2014)01-0014-04超臨界乙醇萃取萘的實(shí)驗研究何選明,李維,葉榮能,胡凱(武漢科技大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院,湖北武漢430081)摘要:采用恒容升溫法研究了超臨界乙醇萃取煤焦油重要組分蔡的效果,討論了萃取溫度和壓力對萃取效果的影響。結果表明,在溫度為270℃C、壓力為13MPa時(shí),萘的超臨界濃度為1.739×10°g/mL、萃取率為6620%。關(guān)鍵詞:煤焦油;蔡;超臨界乙醇doi:10.3969/ J.Issn1001-8948.201401-003中圖分類(lèi)號:TQ524文獻標識碼:AExperimental study on extraction ofnaphthalene by supercritical ethanolHE Xuan-ming, LI Wei, YE Rong--neng, HU KaiCollege of Chemical Engineering and Technology, Wuhan University of Science and TechnologyWuhan 430081, ChinaAbstract: As a vital constituent of coal tar, the extraction efficiency of naphthalene was investigated with supereritical ethanol asextraction solvent by heating in constant volume. The effects of extraction temperature and pressure were taken into consideration.The result shows that the extraction rate of naphthalene is 66.20%with the supercritical concentration of 1.739 x 10 g/mL when thetemperature and pressure are 270 C and 13MPa.Key words: coal tar; naphthalene; supercritical ethanol0前言萃取效果,為探究煤焦油中單一組分在超臨界液體溶劑中的溶解特性和萃取規律提供了一定的數據支超臨界流體萃取技術(shù)具有傳質(zhì)速率快、易實(shí)現持和方法參考相間分離、過(guò)程能耗低及溶解能力易調節等優(yōu)點(diǎn)目前,該技術(shù)廣泛應用于環(huán)保醫藥、食品等行業(yè)21實(shí)驗部分萘是由兩個(gè)苯環(huán)構成的最簡(jiǎn)單的稠環(huán)芳香烴,1.1試劑與儀器是煤焦油加工的主要產(chǎn)品之一,具有很高的經(jīng)濟價(jià)萘(分析純)、無(wú)水乙醇(分析純),國藥集值。萘為無(wú)色單斜晶體,幾乎不溶于水,但能溶于醇、團化學(xué)試劑有限公司;CQF型高壓釜(容積0.IL,醚、苯等類(lèi)溶劑。與其他超臨界溶劑相比,乙醇無(wú)設計溫度350℃,最高工作溫度300℃,設計壓力毒環(huán)保,沸點(diǎn)低,可循環(huán)利用,且具有易氣化升壓、21.5MPa,最高工作壓力20MPa,電加熱功率06kW,臨界條件溫和等優(yōu)點(diǎn)向攪拌扭矩06N·m,攪拌速度50-1000/min)、作者采用恒容升溫法研究了超臨界乙醇對萘的FDK-高壓釜控制器,大連精藝反應釜有限公司;收稿日期:201307-14通訊作者:何選明1954-)男,教授,博導,現為武漢科技大學(xué)化工學(xué)院教授研究方向為煤炭綜合利用及綠色煤化工作者簡(jiǎn)介李維11988-)碩士研究生研究方向:煉焦副產(chǎn)物深加工、綠色化工等。第1期何選明等超臨界乙醇萃取萘的實(shí)驗研究15·AL204型電子分析天平,梅特勒-托利多儀器有限從圖1可見(jiàn),在同一體容比(乙醇的加入量/高公司;HP6890Plus型氣相色譜分析儀,美國安捷倫壓釜內膽容積)下,隨著(zhù)溫度升高,壓力增大,類(lèi)似公司。呈某種線(xiàn)性關(guān)系;而在同一溫度下,隨著(zhù)體容比增大,12實(shí)驗方法壓力也增大,且壓力增幅逐漸變大,尤其是在體容比實(shí)驗設定的萃取溫度為250℃、260℃、270℃和為0.7和08之間的增幅變化尤為明顯。這一規律可280℃,設定的乙醇加入量為50mL、60mL、70mL和為后續實(shí)驗的升溫加壓提供定的指導作用。80mL,每次實(shí)驗均稱(chēng)取1g樣品萘,與乙醇一起加入22萊在萃取液和萃余液中的濃度對比高壓釜內膽中并混合均勻;實(shí)驗電壓均調至150V在各個(gè)溫度(250℃、260℃、270℃、280℃)下,轉速保持在150/min,加熱萃取達到目標溫度后再萘在萃取液和萃余液中濃度的變化規律基本一致。保溫3-5min,然后打開(kāi)針型閥排出萃取產(chǎn)物,當釜在此,以250℃下萘的濃度變化曲線(xiàn)為例說(shuō)明(圖2)。內壓力降至65MPa時(shí)關(guān)閉閥門(mén);每次實(shí)驗結束后,冷卻至室溫,對釜內殘留液進(jìn)行檢測分析。13檢測方法配制萘在乙醇中的濃度分別為0016g/mL,0014g/mL,0.012g/mL,0.010g/mL,0.008g/mL,0.006g/mL6個(gè)標準溶液。經(jīng)HP6890Pus型氣相色譜儀檢測,以繪制萘濃度的氣相色譜標準曲線(xiàn)。檢測結果表明,萘濃度的標準曲線(xiàn)方程為y=6.85917×10554825524,相關(guān)系數R2=099927。因難以對萃取液1.0進(jìn)行收集,所以本實(shí)驗僅對萃余液進(jìn)行檢測分析,06并利用差量法計算出萘在萃取液中的結果。體容比2結果與討論萘在萃取液中的濃度;茶在萃余液中的濃度圖2250℃下,蔡在萃取液和萃余液中的濃度曲線(xiàn)21實(shí)驗中的溫度-壓力關(guān)系Fig 2 Concentration curves of naphthalene in the extract and溫度和壓力是保證乙醇在超臨界狀態(tài)下對萘進(jìn)raffinate at250℃行萃取的兩個(gè)主要因素。實(shí)驗過(guò)程中的溫度一壓力關(guān)從圖2可見(jiàn),在萃取溫度為250°C時(shí),隨著(zhù)系見(jiàn)圖1。體容比的增大,萘在萃取液和萃余液中的濃度都是減小的,而在同一體容比下,萘在萃取液中的濃度卻遠大于其在萃余液中的濃度,在體容比為0.6時(shí),超臨界乙醇萃取萘的分離比率(萃取液濃度/萃余液濃度)最大,其值達到了227。這說(shuō)明超臨界乙醇對萘具有很好的富集作用,從一定程度上體現了超臨界乙醇萃取單組分萘的優(yōu)越性23兼在超臨界乙醇中的濃度萘在超臨界乙醇中的濃度如圖3。從圖3可見(jiàn)各溫度下萘超臨界濃度的變化規律是基本一致的即都是隨著(zhù)壓力增大而減小,且在壓力為12-16MPa時(shí),隨著(zhù)壓力增大,萘濃度的減幅趨于平緩,其值溫度/℃大致都在1700×103gmL左右。以270℃為例,當體容比05;●—體容比0.6壓力由1MPa升至13MPa時(shí),萘濃度的減幅較大體容比07;V—體容比0.8從2472×10°grmL驟降為1.739×10gmL,而當壓圖1實(shí)驗中的溫度-壓力關(guān)系力超過(guò)13MPa后,減幅變小,從1.739×102g/mL略ig. 1 The relationship between temperature and降為1620×102g/mL。這是由于,乙醇在容積一定pressure in the experimen的高壓釜內達到臨界壓力以后,繼續升壓,其粘度16炭素2014年和密度也隨之增大,溶劑化效應明顯減弱,對萘的280℃時(shí),萃取率增幅極小,萃取率大致在0%左右。溶解不利,所以壓力并非越大越好,過(guò)大的壓力不這是因為,溫度升高,超臨界溶劑的擴散系數就增大僅不能使擴散系數變大,反而還增加了設備的負擔。能提高超臨界乙醇的萃取效果;另一方面,溫度升同樣,溫度也不是越高越好。因此,選擇一個(gè)適宜高的同時(shí)也降低了溶劑的密度,消弱了溶劑化效應,的萃取溫度和壓力顯得尤為重要。所以溫度過(guò)高反而會(huì )降低超臨界乙醇的萃取能力阻礙其對萘進(jìn)行萃取分離。所以,綜合考慮最佳萃取溫度可選為270℃。242壓力的影響壓力是影響超臨界萃取效果的另一主要因素。從圖5可見(jiàn),在同一溫度下,萘的萃取率隨壓力增加而增大,當壓力升至某一值后,其增幅逐漸數20減小。以溫度280℃為例,當壓力由106MPa升至135MPa,萘的萃取率由57.02%激增為70.68%;而當萃取壓力由135MPa升至165MPa,此時(shí)萃取率僅從70.68%略升至72.41%,由此可知在壓力增幅相10近的情況下,萃取率增幅明顯減小。這是因為一方面,壓力MPa在一定溫度下,超臨界流體的擴散系數與其所受的250℃280℃壓力成反比關(guān)系,加壓后流體的擴散系數自然會(huì )減圖3不同溫度下,萘在超臨界乙醇中的濃度隨壓力變化曲線(xiàn)小,這在一定程度上降低了超臨界流體的萃取能力。Fig 3 Concentration curves of naphthalene in supercritical而另一方面,因為超臨界流體的萃取能力與其密度ethanol at different temperature成正相關(guān),因此加壓即使容積比增大,超臨界流體24溫度和壓力對萘萃取率的影響的密度必然會(huì )增大,則又能促進(jìn)超臨界流體對溶質(zhì)241溫度的影響的萃取。從整體上看,在萃取壓力升至13MPa左右時(shí),萘的萃取已有很好的效果,而當壓力大于13MPa時(shí),萃取率增幅并不明顯,反而會(huì )加大設備的負擔和乙醇的用量,無(wú)形之中增加了投入成本。因此,綜合考慮選擇最佳萃取壓力為13MPa250溫度/體容比05;·—體容比06;體容比07;V—體容比0.8圖4不同容積比下,溫度對萘的萃取率的彩響壓力MPaFig 4 Effect of temperature on extraction rate of naphthalene atdifferent volumetric ratios250℃260℃;▲—270℃;280℃從圖4可見(jiàn),在同一體容比下,隨著(zhù)溫度升高圖5不同溫度下,壓力對基的萃取率的影響萘的萃取率逐漸升高,且其增幅基本上隨溫度升高Fig5 Effect of pressure on extraction rate of naphthalene at而減小,尤其是在溫度達270℃后,該變化趨勢更differenttemperatures為明顯。在體容比為07和0.8、溫度由270℃升至(下轉第13頁(yè))第1期李崇俊等高溫熱結構復合材料的連接技術(shù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)中心出版,2011,741-7432008.3]檜木達也 SiC/siC複合材料⑦特徵上核融合爐八①適6JP.F. 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