正交法設計超聲萃取新疆硫磺溝煤的最佳條件

劉浩 於舜堯 李敬偉 周俊

摘 ? 要：采用超聲萃取的方法，在相同萃取條件下，研究了新疆硫磺溝煤在甲醇、乙酸乙酯、乙醇和石油醚4種溶劑中的萃取率。結(jié)果表明，甲醇萃取效果較好。為了得到甲醇超聲萃取新疆硫磺溝煤的最佳條件，采用正交設計的試驗方法，以萃取率為試驗指標，選取3個相對重要的因素：萃取溫度、固液比和萃取時間。最終結(jié)果表明，當溫度為55 ℃、固液比為1∶20、萃取時間為1.5 h時，甲醇超聲萃取新疆硫磺溝煤的萃取效果最好。

關(guān)鍵詞：新疆硫磺溝煤;超聲萃取;正交法;最佳條件

研究煤的組成和結(jié)構(gòu)必要而有效的手段是煤的溶劑萃取。研究者們做了大量的工作來研究煤的溶劑萃取，采用多種預處理方法（如溶劑溶脹、添加劑、化學處理和氧化等）、各種輔助手段、多種萃取方法，精選多種溶劑對煤進行萃取，并且運用現(xiàn)代的分析檢測對煤萃取產(chǎn)物進行分析與表征，為煤的高附加值利用提供了較多的基礎數(shù)據(jù)[1]。

為了盡可能多地獲取煤的結(jié)構(gòu)組成信息，換句話說即最大限度地獲得較高的萃取率，人們采用多種輔助手段來提高煤中有機質(zhì)的溶解性[2]。物理輔助手段在溶劑萃取中應用較多的是超聲振蕩萃取，它在各種復雜有機質(zhì)的分離中廣泛應用。過去常用的是索氏萃取技術(shù)，而如今超聲振蕩萃取更高效、能耗低，并且不需要冷凝，節(jié)省水資源，因此，超聲萃取是一種很好的選擇[3]。

本研究采用超聲萃取的方法，在相同萃取條件下，研究了新疆硫磺溝煤在甲醇、乙酸乙酯、乙醇和石油醚4種溶劑中的萃取率。選用其中萃取率最高的一種溶劑，采用正交設計的試驗方法優(yōu)選最佳的萃取條件。

1 ? ?實驗部分

1.1 ?儀器與試劑

實驗中主要用到的設備及其規(guī)格如表1所示。

實驗使用的甲醇、乙酸乙酯、乙醇和石油醚4種溶劑都是市售分析純試劑。所用的原料新疆硫磺溝煤的工業(yè)分析及元素分析數(shù)據(jù)如表2所示。

daf： dry and ash-free base; Mad： moisture （air dried base）; Ad： ash （dry base， i.e.， moisture-free base）; Vdaf： volatile matter （dry and ash-free base）.

1.2 ?實驗步驟

稱取4份質(zhì)量為20 g的新疆硫磺溝煤，分別倒入500 mL的燒瓶中，并分別加入400 mL的乙酸乙酯、石油醚、甲醇、乙醇，用潔凈玻璃棒充分攪拌后用保鮮膜將燒杯封好，并貼上標簽，放置在已經(jīng)加熱到設定溫度50 ℃的超聲清洗機中，超聲萃取1 h，待萃取完畢后，靜置24 h。之后用布氏漏斗和抽濾瓶進行抽濾得到濾液，倒入500 mL的蒸餾瓶中用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸干，然后用丙酮溶解轉(zhuǎn)移到樣品瓶里，自然干燥就能得到萃取物，稱重。重復上述操作5次，最終合并萃取物，計算萃取率。

經(jīng)過上述實驗產(chǎn)率的計算，發(fā)現(xiàn)同樣條件下甲醇的萃取率最高。現(xiàn)對甲醇超聲萃取新疆硫磺溝煤的最佳條件進行正交設計，以萃取率為試驗指標，選取3個相對重要的因素： 萃取溫度、固液比（新疆硫磺溝煤質(zhì)量與甲醇溶液的體積之比）和萃取時間進行正交試驗，各有3個水平，具體數(shù)據(jù)如表3所示，不考慮因素間的交互作用進行分析，找出較好的超聲萃取條件。可選用正交表L9（34），具體正交試驗方案如表4所示。

為了節(jié)省煤樣及有機試劑，其中固液比為1∶20和1∶30的試驗方案稱取質(zhì)量為1 g的新疆硫磺溝煤，固液比為1∶10的試驗方案稱取質(zhì)量為2 g的新疆硫磺溝煤，各重復萃取6次。

2 ? ?結(jié)果與討論

由于石油醚的極性較小，難以萃取新疆硫磺溝煤，故將有機溶劑石油醚舍去。在相同超聲萃取條件（萃取溫度為50 ℃，固液比為1∶20，萃取時間為1 h），乙醇對新疆硫磺溝煤的萃取率最低，為3.7%，乙酸乙酯的萃取率為9.9%，甲醇對新疆硫磺溝煤的萃取率最高，為19.4%。

甲醇對新疆硫磺溝煤的萃取率高于乙酸乙酯的原因可能是在超聲萃取時，甲醇分子或者由甲醇產(chǎn)生的活性自由基通過對新疆硫磺溝煤結(jié)構(gòu)起到供氫或吸氧作用，使煤的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而得到較好的萃取效果。

乙酸乙酯對新疆硫磺溝煤的萃取率高于乙醇的原因可能是乙酸乙酯具有π電子和n電子，可與新疆硫磺溝煤中具有π電子的化合物以及極易形成氫鍵的化合物相互作用，減少該類化合物與煤骨架的締合，從而將其萃取出來。

從正交實驗結(jié)果可以看出，因素A即萃取溫度的各水平試驗指標和的平均值k依次為16.4、17.3、12.1，空列的各水平試驗指標和的平均值k依次為16.1、16.5、13.2;因素B即固液比的各水平試驗指標和的平均值k依次為12.9、17.0、15.9;因素C即萃取時間的各水平試驗指標和的平均值k依次為14.0、14.1、17.7。試驗指標和的平均值k的極差R從大到小依次為5.3、4.0、3.7、3.3，即因素的主次順序為A、B、C，萃取溫度對試驗指標的影響最大，固液比次之，萃取時間的影響最小。因素A、B、C各水平試驗指標和的平均值k的最大值依次為17.3、17.0、17.7，其對應的因素水平為A2B2C3，即溫度為55 ℃，固液比為1∶20，萃取時間為1.5 h。

3 ? ?結(jié)語

結(jié)果表明，甲醇超聲萃取新疆硫磺溝煤可溶物的最優(yōu)方案為：溫度為55 ℃，固液比為1∶20，萃取時間為1.5 h。

[參考文獻]

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Abstract：The extraction rate of Xinjiang sulphur ditch coal in the four solvents of methanol， ethyl acetate， ethanol and petroleum ether was studied under the same extraction condition. The results show that methanol extraction has good effect. In order to get the best condition of Xinjiang sulphur ditch coal methanol ultrasonic extraction， orthogonal design method is adopted， the extraction rate as test index， selecting three relatively important factors： extraction temperature， solid-liquid ratio and extraction time. The final result shows that when the temperature of 55 ℃， solid-liquid ratio of 1∶20， extraction time of 1.5 h， methanol ultrasonic extraction of Xinjiang Sulphur ditch coal extraction rate is highest.

Key words：Xinjiang sulphur ditch coal; ultrasonic extraction; orthogonal design method ; best condition