超聲波輔助作用下芳烴萃取分離研究
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孫東旭，戴詠川，宋官龍，金英杰，尚俊龍，彭呋達
（遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧撫順113001）
摘要：柴油中芳烴的質(zhì)量分數(shù)與油品質(zhì)量密切相關(guān)，脫除其中芳烴可以改善油品質(zhì)量，提高柴油十六烷值。以糠醛為溶劑對柴油中的芳烴進行萃取，并借助超聲波對萃取的輔助作用，研究萃取溫度、劑油比、萃取時間、超聲波功率、加鹽、萃取級數(shù)等因素對芳烴萃取效果的影響。實驗結(jié)果表明，在超聲功率為200 W，劑油比為4:1，溫度為40℃，萃取時間為30 min時，芳烴萃取分離的效果最佳，萃取劑中加鹽及采用多級萃取有利于芳烴萃取分離。
關(guān)鍵詞：柴油；糠醛；芳烴；萃��；超聲波
近年來，隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴格，對柴油質(zhì)量的要求越來越嚴格。柴油的十六烷值與柴油中的芳烴的質(zhì)量分數(shù)成線性負相關(guān)關(guān)系，降低油品中芳烴的質(zhì)量分數(shù)，一方面可改善柴油質(zhì)量，提高十六烷值；另一方面可以提升催化裂化柴油的加氫性能。目前，降低柴油中芳烴質(zhì)量分數(shù)的方法有溶劑萃取、萃取蒸餾、催化加氫、吸附分離、磺化、絡(luò)合分離等，其中常用的方法是催化加氫和液液萃取。催化加氫需要高效催化劑，成本較高，操作條件復(fù)雜；溶劑萃取技術(shù)條件溫和，技術(shù)簡單，溶劑可回收，應(yīng)用較為廣泛。溶劑萃取的關(guān)鍵在于尋找合適的萃取劑，常用的萃取劑有糠醛、環(huán)丁砜、二甲基亞砜、N，N-甲基甲酰胺(DMF)、N一甲�；鶈徇�( NFM)、N-甲基吡啶烷酮(NMP)、甘醇類等。近年來，對復(fù)合萃取劑的研究也取得了較大的進展，其中，A．A．Gaile等的研究成果較為突出。經(jīng)過液一液萃取出來的芳烴具有較大的利用價值，可以通過進一步的加工來生產(chǎn)具有高附加值的化工產(chǎn)品，如用作溶劑油、導(dǎo)熱油、橡膠工業(yè)用油、溶劑脫瀝青的工藝添加劑，生產(chǎn)碳素材料及一些油田化學(xué)劑等。由于煉廠生產(chǎn)的柴油中芳烴種類多，組成復(fù)雜，直接對其中的芳烴進行萃取分離困難較大且效果不佳，因此，筆者采用經(jīng)過加工處理的僅含有單環(huán)芳烴的柴油，以糠醛為萃取劑進行芳烴分離研究，考察超聲波輔助作用下的芳烴萃取效果。
1實驗部分
1.1 儀器及藥品
超聲波反應(yīng)器（功率范圍0~ 200 W）；恒溫加熱磁力攪拌器；恒溫水�。话步輦�7890A型氣相色譜儀。柴油（經(jīng)過加工處理，僅含有單環(huán)芳烴，芳烴質(zhì)量分數(shù)在50%左右）；糠醛（分析純）；硫酸鋁（分析純）；硫酸鎂（分析純）等。柴油性質(zhì)如表1所示。
1.2實驗方法
溶劑液液萃取方法流程如圖1所示。
實驗過程中，研究超聲波對萃取的輔助作用時，先將柴油與萃取劑按一定比例混合，在水浴中預(yù)熱一定時間后放入超聲波反應(yīng)器中進行超聲，之后對其進行分液，并測定萃余液中芳烴質(zhì)量分數(shù)，計算芳烴萃取率；研究鹽效應(yīng)時，先將無機鹽與萃取劑按一定比例混合配制飽和溶液，然后按照上述過程進行實驗。
對柴油和萃取劑組成的混合液在一定條件下處理后靜置分液，用氣相色譜儀測定萃余液中芳烴質(zhì)量分數(shù)，計算芳烴萃取率；在進行多級萃取時，按一定條件配制柴油和萃取劑進行萃取實驗，靜置分液，向萃余液中加入新的萃取劑，重復(fù)進行上述步驟，并用氣相色譜儀測定萃余液中芳烴質(zhì)量分數(shù)，計算芳烴萃取率。
2結(jié)果與討論
2.1溫度對萃取效果的影響
在劑油比為4:1，萃取時間為30 min，超聲波功率為200 W的條件下，按照1.2所述的方法考察萃取溫度對萃取效果的影響，結(jié)果如圖2所示。
由圖2可知，隨著溫度的升高，萃取率先升后降。有超聲波作用時，芳烴萃取效果提升明顯，當(dāng)溫度為400C左右時，芳烴萃取率達到最高值79. 3%，比無超聲波作用下的萃取率提高了12.1%。在40℃以后，隨著溫度的升高，糠醛對芳烴組分的溶解度增加，同時對除芳烴以外組分的溶解度也增加，其選擇性會降低，萃取率會隨之降低。超聲波的空化作用會使混合液體體積膨脹，液體內(nèi)部會產(chǎn)生許多小氣泡或者將液體撕裂成許多的小空穴，這些氣泡或空穴會迅速破裂，瞬間就會產(chǎn)生高壓，沖擊糠醛及芳烴分子，使他們充分進行混合溶解，進而優(yōu)化了糠醛萃取效果。因此，根據(jù)實驗結(jié)果，糠醛萃取芳烴的最適宜溫度為40℃。
2.2劑油體積比對萃取效果的影響
在溫度為400C，萃取時間為30 min，超聲波功率為200 W的條件下，按照1.2所述的方法考察劑油體積比對萃取效果的影響，結(jié)果如圖3所示。
由圖3可知，隨著劑油體積比的增加，芳烴的萃取率逐漸增加，當(dāng)劑油體積比達到4:1之后，萃取率的增速放緩甚至保持基本不變。超聲波的輔助作用會提高芳烴的萃取率，并且萃取效果明顯優(yōu)于無超聲波作用下的萃取。當(dāng)劑油體積比為4:1時，無超聲波作用時，芳烴萃取率為67. 2%，增加超聲波的輔助作用后，萃取率提高了12. 1%，這是由于超聲波的空化作用能夠消除糠醛溶劑與油品相界面之間的阻滯作用，加快芳烴在糠醛中的溶解，從而提升了萃取效果。隨著劑油體積比的增加，柴油中非芳烴組分在溶劑中溶解的量也在增加，與芳烴的溶解形成了競爭效應(yīng)，溶劑的選擇性會降低，萃取率增幅放緩。雖然增大劑油體積比有利于芳烴萃取，但是劑油體積比過大會增加萃取劑分離回收的負擔(dān)，降低油品的收率。因此綜合考慮，最適宜的劑油體積比為4:1。
2.3超聲波功率對萃取效果的影響
在溫度為40C，劑油體積比為4:1，萃取時間為30 min，按照1.2所述的方法考察劑超聲波功率對萃取效果的影響，結(jié)果如圖4所示。
由圖4可知，超聲波功率為200 W時的萃取率明顯高于50 W時的萃取率，也優(yōu)于無超聲波條件下的萃取效果。在實驗操作條件下，200 W時芳烴萃取率為79.3%，比功率為50 W時的高出3.2%，比無超聲波時高12 %左右，增幅十分明顯。超聲波功率較高時，一方面，其空化作用增強，加快了芳烴在糠醛中的溶解速度；另一方面，其產(chǎn)生了較強的機械效應(yīng)，界面間的攪拌作用增強，增大了單位時間柴油與糠醛溶劑的接觸面積，從而強化萃取過程。因此，實驗過程中，選擇功率200 W為最佳的操作條件。由圖4還可以看出，萃取時間對萃取效果的影響不大，溶劑與柴油可在較短的時間內(nèi)達到萃取平衡狀態(tài)，此時界面間的傳質(zhì)推動力幾乎為零，從各方面綜合考慮，最佳的萃取時間為30 min。
2.4加鹽對萃取效果的影響
目前，加鹽萃取的方法主要應(yīng)用于有機物與水混合體系的分離，而對于有機物與有機物混合體系的萃取分離的研究較少。董紅星等采用N，N一二甲基甲酰胺和硫氰酸鉀制得的復(fù)合萃取劑對苯一環(huán)己烷共沸物中的苯進行分離，并取得了較好的效果。因此，筆者探究了鹽效應(yīng)對柴油中芳烴萃取分離的影響。
在溫度為40℃，劑油體積比為4:1，超聲波功率分別為50 W和200 W，分別加入硫酸鎂和硫酸鋁，其加入質(zhì)量均為糠醛質(zhì)量的3 %，按照1.2所述的方法考察加鹽對萃取效果的影響，結(jié)果如表2所示。
由表2可知，糠醛中加入硫酸鎂和硫酸鋁之后，在超聲波的輔助作用下，芳烴的萃取率有所提高。加硫酸鎂時，在同樣的超聲波功率下，萃取率比未加鹽時高了5%左右；當(dāng)加入硫酸鋁時，萃取率提高了10%左右，其效果比硫酸鎂更為明顯。功率為200 W時的芳烴萃取率比50 W時高出3%左右。在向糠醛中加入無機鹽后，無機鹽會表現(xiàn)出鹽析效應(yīng)，這種效應(yīng)會改變原混合體系的液一液相平衡關(guān)系。鹽效應(yīng)的靜電作用理論認為，在鹽離子的靜電場作用下，會使芳烴與萃取劑之間的作用力大于芳烴與非芳烴組分的作用力，進而促進芳烴在萃取劑中的溶解，金屬鹽離子的價態(tài)越高其靜電作用會越強，對芳烴萃取越有利；另外超聲波的機械效應(yīng)和空化作用會進一步提高芳烴在糠醛中的溶解度。因此，鹽析效應(yīng)和超聲波的雙重作用對芳烴的萃取是有利的。
2.5多級萃取實驗
為了考察多級萃取的效果，根據(jù)實驗確定的最佳萃取條件，保持萃取溫度為400C，萃取時間為30 min，超聲波功率為200 W及加鹽的質(zhì)量分數(shù)為3 %不變的條件下，進行4級萃取，萃取劑中加的無機鹽為硫酸鋁，每級的劑油體積比為1：1，分4級進行，總劑油體積比為4:1，實驗結(jié)果如表3所示。
由表3可以看出，在進行了4級萃取后，芳烴的萃取率均大于單級萃取條件下的萃取率。以超聲波和加入無機鹽為例，4級萃取后芳烴的萃取率比單級萃取高了6. 6%。對于單級萃取而言，溶劑溶解芳烴的量是一定的，當(dāng)糠醛中芳烴的濃度達到飽和后，就不會再溶解芳烴了。進行多級分級萃取，柴油中的芳烴可以分步溶解到溶劑中，會實現(xiàn)芳烴最大化的溶解。因此采用多級萃取的效果要優(yōu)于單級萃取的效果。
3結(jié)論
(1)采用經(jīng)過加工處理的僅含有單環(huán)芳烴的柴油進行芳烴萃取實驗，最佳的萃取條件是：溫度為40℃，劑油比為4:1，萃取時間為30 min，芳烴的萃取率可以達到67. 2%左右。
(2)超聲波輔助作用下的萃取效果明顯優(yōu)于常規(guī)條件下的萃取，并且超聲波的功率越高，萃取效果越好，在超聲波功率為200 W，溫度為40C，劑油體積比為4:1，萃取時間為30 min時，芳烴的萃取率可達到79.3 %，比無超聲波時的萃取率提高了12 %左右。
(3)萃取過程中加入無機鹽會產(chǎn)生鹽析效應(yīng)，提高了芳烴萃取效果。在超聲波存在條件下，其空化作用和機械效應(yīng)使鹽析效應(yīng)的影響增強，進一步改善芳烴萃取效果。另外，采用多級萃取同樣可以提升芳烴的萃取效果。
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