利用[N4441][Cl]热处理和烷基化反应制备煤的结块成分

《Carbon Trends》：Preparation of caking components of coal using [N 4441][Cl] thermal treatment and alkylation reaction

煤清洁高效利用的关键在于提升结焦成分活性。本研究通过离子液体[N4441][Cl]提取神府煤低分子量组分，经β沸石分子筛催化热碱化反应（190℃最佳）引入烷基侧链，FT-IR证实成功修饰芳香环，Py-GC/MS显示产物富含多环芳烃（占比39.4%）和长链烷烃（占比44.9%），结焦指数达47.9（提升115%），揭示了烷基侧链增强煤结焦活性的机理。

　　煤的结焦特性是其在炼焦过程中形成优质焦炭的关键因素之一。焦炭作为高炉炼铁过程中不可或缺的原料，其透气性支撑功能无法被其他材料替代。结焦性能的提升不仅有助于提高炼焦效率，还能减少对优质炼焦煤资源的依赖，这对于资源丰富但优质炼焦煤稀缺的中国尤为重要。本研究围绕如何通过人工合成方法提高煤的结焦性能，提出了一种基于离子液体和分子筛催化烷基化反应的新型合成路径，旨在为优化炼焦煤配比和提高资源利用率提供理论依据和技术支持。

在煤的结焦过程中，其化学结构的变化直接影响结焦性能。研究表明，长链脂肪族化合物（Als）和多环芳香族化合物（PArs）在煤的结焦过程中发挥重要作用。Als在煤热解过程中能够生成氢自由基，这些自由基有助于稳定芳香族自由基，从而促进塑性层的形成，提高结焦性能。此外，PArs的分子结构也对结焦性能产生显著影响，其分子量和环数的适当配置能够增强煤的粘结性。因此，提高Als和PArs的含量以及改善其分子结构，是提升煤结焦性能的重要方向。

为了有效提取这些关键成分，研究采用了离子液体[N₄₄₄₁][Cl]进行热处理。离子液体作为一种新型的绿色溶剂，具有良好的溶解性和选择性，能够有效地从煤中提取低分子量的化合物。研究发现，通过[N₄₄₄₁][Cl]热处理，能够显著提高煤的结焦指数，表明提取出的物质具有较强的结焦性能。然而，仅通过离子液体提取并不能完全满足结焦性能提升的需求，因此引入了β分子筛催化的烷基化反应，以在芳香环上引入更多的烷基侧链。

烷基化反应的温度是影响其效果的重要因素。研究中，分别在170?°C、190?°C和210?°C条件下进行烷基化反应，发现190?°C是最佳反应温度。在该温度下，提取物的结焦性能得到了显著提升，其结焦指数达到了47.9，明显高于其他温度下的结果。这一结果表明，190?°C的烷基化反应能够更有效地引入烷基侧链，从而改善煤的结焦性能。此外，热重分析（TG）和差示扫描量热分析（DTG）结果显示，在190?°C条件下，烷基化后的提取物具有更高的热稳定性，进一步验证了其结焦性能的提升。

通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析，研究还发现烷基化后的提取物在芳香环上成功引入了烷基侧链。这体现在不同波数下的吸收峰变化上，尤其是2922?cm^?1和2854?cm^?1处的吸收峰强度显著增加，表明脂肪族甲基和亚甲基基团的含量上升。这些烷基侧链的引入不仅提高了提取物的热稳定性，还增强了其在煤热解过程中形成塑性层的能力，从而提升了结焦性能。

进一步的热解–气相色谱–质谱（Py-GC/MS）分析揭示了烷基化提取物的分子组成特征。结果显示，烷基化后的提取物含有丰富的多环芳香族化合物和长链脂肪族化合物，这些化合物在煤的结焦过程中起着关键作用。此外，烷基化后的提取物中还检测到了多种含氧化合物，如酚类、醇类、酮类和酯类，这些物质虽然对塑性层的形成有一定抑制作用，但其在提取物中的存在表明，通过优化烷基化反应，可以在不显著降低含氧化合物含量的情况下，提高结焦性能。

研究还发现，随着烷基化温度的升高，脂肪族化合物的释放主要发生在400–700?°C之间，而芳香族化合物的释放则更倾向于在高温条件下发生。这表明，烷基化反应不仅提高了脂肪族化合物的含量，还优化了其分子结构，使其在煤热解过程中更容易形成塑性层。此外，热解过程中产生的氢自由基对芳香族自由基的稳定作用，进一步促进了塑性层的形成，从而提升了结焦性能。

综上所述，本研究通过离子液体提取和β分子筛催化的烷基化反应，成功合成了一种具有优异结焦性能的煤提取物。该提取物在190?°C下表现出最佳的结焦性能，其热解过程中形成的多环芳香族化合物和长链脂肪族化合物是提升结焦性能的关键成分。这一研究成果不仅加深了对煤结焦成分的理解，还为优化炼焦工艺、提高炼焦煤的利用率提供了新的思路和方法。未来，可以进一步探索不同离子液体和分子筛的组合对结焦性能的影响，以期开发出更高效、更环保的煤结焦技术。