正交法设计超声萃取新疆硫磺沟煤的最佳条件

刘浩 於舜尧 李敬伟 周俊

摘   要：采用超声萃取的方法，在相同萃取条件下，研究了新疆硫磺沟煤在甲醇、乙酸乙酯、乙醇和石油醚4种溶剂中的萃取率。结果表明，甲醇萃取效果较好。为了得到甲醇超声萃取新疆硫磺沟煤的最佳条件，采用正交设计的试验方法，以萃取率为试验指标，选取3个相对重要的因素：萃取温度、固液比和萃取时间。最终结果表明，当温度为55 ℃、固液比为1∶20、萃取时间为1.5 h时，甲醇超声萃取新疆硫磺沟煤的萃取效果最好。

关键词：新疆硫磺沟煤;超声萃取;正交法;最佳条件

研究煤的组成和结构必要而有效的手段是煤的溶剂萃取。研究者们做了大量的工作来研究煤的溶剂萃取，采用多种预处理方法（如溶剂溶胀、添加剂、化学处理和氧化等）、各种辅助手段、多种萃取方法，精选多种溶剂对煤进行萃取，并且运用现代的分析检测对煤萃取产物进行分析与表征，为煤的高附加值利用提供了较多的基础数据[1]。

为了尽可能多地获取煤的结构组成信息，换句话说即最大限度地获得较高的萃取率，人们采用多种辅助手段来提高煤中有机质的溶解性[2]。物理辅助手段在溶剂萃取中应用较多的是超声振荡萃取，它在各种复杂有机质的分离中广泛应用。过去常用的是索氏萃取技术，而如今超声振荡萃取更高效、能耗低，并且不需要冷凝，节省水资源，因此，超声萃取是一种很好的选择[3]。

本研究采用超声萃取的方法，在相同萃取条件下，研究了新疆硫磺沟煤在甲醇、乙酸乙酯、乙醇和石油醚4种溶剂中的萃取率。选用其中萃取率最高的一种溶剂，采用正交设计的试验方法优选最佳的萃取条件。

1    实验部分

1.1  仪器与试剂

实验中主要用到的设备及其规格如表1所示。

实验使用的甲醇、乙酸乙酯、乙醇和石油醚4种溶剂都是市售分析纯试剂。所用的原料新疆硫磺沟煤的工业分析及元素分析数据如表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  實验步骤

称取4份质量为20 g的新疆硫磺沟煤，分别倒入500 mL的烧瓶中，并分别加入400 mL的乙酸乙酯、石油醚、甲醇、乙醇，用洁净玻璃棒充分搅拌后用保鲜膜将烧杯封好，并贴上标签，放置在已经加热到设定温度50 ℃的超声清洗机中，超声萃取1 h，待萃取完毕后，静置24 h。之后用布氏漏斗和抽滤瓶进行抽滤得到滤液，倒入500 mL的蒸馏瓶中用旋转蒸发仪蒸干，然后用丙酮溶解转移到样品瓶里，自然干燥就能得到萃取物，称重。重复上述操作5次，最终合并萃取物，计算萃取率。

经过上述实验产率的计算，发现同样条件下甲醇的萃取率最高。现对甲醇超声萃取新疆硫磺沟煤的最佳条件进行正交设计，以萃取率为试验指标，选取3个相对重要的因素： 萃取温度、固液比（新疆硫磺沟煤质量与甲醇溶液的体积之比）和萃取时间进行正交试验，各有3个水平，具体数据如表3所示，不考虑因素间的交互作用进行分析，找出较好的超声萃取条件。可选用正交表L9（34），具体正交试验方案如表4所示。

为了节省煤样及有机试剂，其中固液比为1∶20和1∶30的试验方案称取质量为1 g的新疆硫磺沟煤，固液比为1∶10的试验方案称取质量为2 g的新疆硫磺沟煤，各重复萃取6次。

2    结果与讨论

由于石油醚的极性较小，难以萃取新疆硫磺沟煤，故将有机溶剂石油醚舍去。在相同超声萃取条件（萃取温度为50 ℃，固液比为1∶20，萃取时间为1 h），乙醇对新疆硫磺沟煤的萃取率最低，为3.7%，乙酸乙酯的萃取率为9.9%，甲醇对新疆硫磺沟煤的萃取率最高，为19.4%。

甲醇对新疆硫磺沟煤的萃取率高于乙酸乙酯的原因可能是在超声萃取时，甲醇分子或者由甲醇产生的活性自由基通过对新疆硫磺沟煤结构起到供氢或吸氧作用，使煤的分子结构发生改变，从而得到较好的萃取效果。

乙酸乙酯对新疆硫磺沟煤的萃取率高于乙醇的原因可能是乙酸乙酯具有π电子和n电子，可与新疆硫磺沟煤中具有π电子的化合物以及极易形成氢键的化合物相互作用，减少该类化合物与煤骨架的缔合，从而将其萃取出来。

从正交实验结果可以看出，因素A即萃取温度的各水平试验指标和的平均值k依次为16.4、17.3、12.1，空列的各水平试验指标和的平均值k依次为16.1、16.5、13.2;因素B即固液比的各水平试验指标和的平均值k依次为12.9、17.0、15.9;因素C即萃取时间的各水平试验指标和的平均值k依次为14.0、14.1、17.7。试验指标和的平均值k的极差R从大到小依次为5.3、4.0、3.7、3.3，即因素的主次顺序为A、B、C，萃取温度对试验指标的影响最大，固液比次之，萃取时间的影响最小。因素A、B、C各水平试验指标和的平均值k的最大值依次为17.3、17.0、17.7，其对应的因素水平为A2B2C3，即温度为55 ℃，固液比为1∶20，萃取时间为1.5 h。

3    结语

结果表明，甲醇超声萃取新疆硫磺沟煤可溶物的最优方案为：温度为55 ℃，固液比为1∶20，萃取时间为1.5 h。

[参考文献]

[1]周  俊，宗志敏，魏贤勇.褐煤中可溶有机质的研究[J].化工进展，2013（9）：2 085-2 091.

[2]孙林兵，张丽芳，秦志宏，等.煤的CS2/NMP混合溶剂抽提研究进展[J].煤炭转化，2002（4）：1-5.

[3]HROM?DKOV? Z，EBRINGEROV? A，VALACHOVIC P. Ultrasound-assisted extraction of water-soluble polysaccharides from the roots of valerian[J].Ultrason. Sonochem.， 2002（1）：37-42.

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