基于色谱和离子液体萃取分离蒽油中咔唑

摘要

随着环境污染的加剧以及化石燃料储量的减少，探索绿色高效的精细化学品分离工艺成为人们关注的热点。蒽油（AO）是煤焦油的馏分之一。咔唑很难从石油工业中方便经济地获得，其主要来源于AO的分离。因此，对咔唑分离工艺的优化对于AO的有效利用具有重要意义。AO组分复杂多样，相应地选择四种代表性组分来制备AO相关模型油（MO），即咔唑、喹啉、芴和蒽。传统的咔唑分离方法多样，却因废水污染，条件苛刻，稳定性差等因素限制了发展。本文中应用咪唑基离子液体（IBILs）作为新型萃取剂从AO中分离咔唑。 本文首先研究了IBILs中不同阴离子取代基以及阳离子结构对咔唑萃取的影响，结果表明离子液体（ILs）自身紧密性与空间位阻是导致提取能力显着差异的关键因素。此外，相比于阳离子结构，阴离子取代基对咔唑萃取效果的影响更大。基于1-丁基-3-甲基咪唑二氰胺（ILa）在咔唑收率与纯度方面的优异性能，被选为最合适的萃取剂进行条件优化。并在此基础上，对实验条件进行优化，最优条件确定为：实验时间30min，实验温度303.15K，ILa/MO质量比1∶1，咔唑的初始浓度33mg/mL。由于油品微溶于ILa，使得咔唑收率和纯度降低，本实验中利用CCl4作为有效的反萃取剂，可选择性地纯化咔唑。在最优条件下，ILa为萃取剂，MO中咔唑的收率和纯度分别达到96.2%和98.0%。 ILa与咔唑之间形成的π-π相互作用和氢键可能在萃取咔唑时起关键作用。对比复合物与咔唑FTIR谱图发现，复合物中N-H键的吸收峰强度较咔唑有所降低。同时，对比复合物与咔唑及ILa的2D NMR谱图发现，复合物中咔唑的1H和13C NMR化学位移较之向低场移动，且N-H键1H化学位移明显增大；而复合物中ILa的1H和13C NMR化学位移较之向高场移动，且C≡N键13C化学位移明显减小。实验揭示了ILa与咔唑之间存在π-π相互作用和氢键。此外，本文利用Gaussian软件模拟ILa最稳定的化学空间结构以及与咔唑形成氢键的最稳定结构，通过密度泛函理论计算不同ILs与咔唑形成氢键的键长与键能，从理论上解释不同ILs萃取能力差异的根本原因。模拟绘制ILa与咔唑形成氢键后的电子云密度分布图，清晰地显示其容易发生相互作用的位点。 同时，采用H2O作为反萃取剂对ILa进行回收，利用1H NMR和FTIR对回收后的ILa进行稳定性测试。结果表明，ILa循环三次后纯度与官能团无明显变化，且回收后的ILa依然表现出对咔唑的高收率与纯度。此外，采用ILa作为萃取剂，结合中压制备色谱，从实际AO中分离咔唑，咔唑收率与纯度可分别达到66.6%和90.2%。本文提出从煤及其衍生油品中分离咔唑的新方法，这将成为绿色与高效生产高附加值化学品的潜在候选者。

目录

声明

致谢

1绪论

1.1课题研究背景

1.2蒽油的加工工艺

1.3咔唑的性质与应用

1.3.1咔唑在医药农药方面的应用

1.3.2咔唑在染料颜料方面的应用

1.3.3咔唑在光电新材料方面的应用

1.3.4咔唑在超分子识别方面的应用

1.4咔唑的分离方法

1.4.1物理法

1.4.2化学法

1.5离子液体萃取的优点与应用

1.5.1离子液体的优点

1.5.2离子液体的应用

1.6.1研究意义

1.6.2研究内容

2实验部分

2.1样品的制备与预处理

2.2试剂与仪器

2.3.1外标法测定化合物含量

2.3.2模型油中咔唑的萃取过程

2.3.3蒽油中咔唑的分离过程

2.4分析与计算方法

2.4.1样品分析方法

2.4.2收率与纯度的计算方法

2.4.3密度泛函理论的计算方法及基组

3模型油的分离与分析

3.1离子液体的选取及分析

3.1.1阴离子取代基对萃取效果的影响

3.1.2阳离子结构对萃取效果的影响

3.2实验条件的探索及分析

3.2.1实验时间的影响

3.2.2实验温度的影响

3.2.3离子液体/模型油质量比的影响

3.2.4咔唑初始浓度的影响

3.3本章小结

4蒽油的分离与分析

4.1萃取溶剂的选取

4.2中压制备色谱分离及分析

4.2.1 F-1馏分

4.2.2 F-2馏分

4.2.3 F-3馏分

4.2.4 F-4馏分

4.2.5 F-5馏分

4.2.6 F-6馏分

4.2.7 F-7馏分

4.3离子液体萃取及分析

4.4本章小结

5萃取机理的探索

5.1现代仪器分析氢键

5.2离子液体与咔唑形成氢键结构模拟

5.3密度泛函理论模拟氢键

5.4本章小结

6离子液体的回收与循环

6.1回收离子液体的稳定性测试

6.2回收离子液体的循环性能测试

6.3本章小结

7结论与创新点

7.1结论

7.2创新点

参考文献

附录1

附录2

作者简历

学位论文原创性声明

学位论文数据集