动态加速溶剂萃取技术用于更快速地测定油砂中的油、水和固体成分，并实现固体分离与清洁

《Canadian Journal of Chemical Engineering》：Dynamic accelerated solvent extraction for faster oil sands oil, water, and solids determination and solids cleaning

本研究评估动态加速溶剂萃取（dASE）技术替代传统Dean-Stark提取法在油砂分析中的应用。通过优化溶剂流速（8 mL/min）、温度（180°C）等参数，dASE在5-60分钟内实现高效含油量测定，与传统方法相关性达R2>0.98，且溶剂消耗减少80%，提取时间缩短90%，同时无需烘干步骤。实验表明dASE在保证分析精度的前提下显著提升油砂处理效率，为工业现场提供快速检测方案。

　　油砂是一种复杂的混合物，主要由水、固体和沥青（bitumen）组成。沥青是一种高密度、高粘度的原油形式，其含量决定了油砂的品位，而水和固体含量则对油砂的处理效率和尾矿管理有着重要影响。在加拿大，油砂资源主要集中在阿尔伯塔省的阿萨巴卡沉积层，其中阿萨巴卡油砂的典型成分约为4%–18%的沥青、55%–80%的矿物固体以及2%–15%的水分。这些成分的准确测定对于优化采矿计划、矿石混合以及提取工艺至关重要。从操作角度来看，精准测量各组分含量有助于最大化沥青回收率，同时影响尾矿的处理效果，进而影响整个加工流程的效率和经济效益。

目前，行业标准的油砂沥青含量测定方法是Dean和Stark提取法，该方法自1920年引入以来一直被广泛使用。这种方法通过将样品与甲苯进行回流提取，利用甲苯与水不混溶的特性，使水被冷凝收集，而沥青则溶解于甲苯中。通过这种方式，可以分别测定水和沥青的含量，而固体则通过烘干后称重确定。尽管Dean和Stark方法具有较高的可靠性和准确性，且能够适应不同成分的油砂样品，但其显著的缺点是提取时间长，需要6–8小时以上，且还需要额外的烘干时间，这使得在实际操作中难以及时获得分析结果，从而影响反馈和问题解决的效率。此外，该方法需要大量的溶剂和玻璃器皿，操作过程中也存在一定的劳动强度和安全风险。

为了应对这些挑战，研究者们开发了多种替代方法，其中核磁共振（NMR）技术被用于测量微波干燥后的油砂样品中的沥青含量。这种方法不需要破坏样品，能够更快地进行测量，但其主要缺点是无法对固体进行清洗，这在需要全面分析油砂成分时存在限制。另外，冷溶剂清洗法也被提出，该方法通过使用一种溶剂混合物（如Unisol，74%甲苯和26%异丙醇）反复摇晃、离心和吸滤，以去除沥青和水分。虽然这种方法相比Dean和Stark方法大大缩短了提取时间，但其溶剂用量大、操作步骤繁琐，对实验室空间和人力需求较高，限制了其应用的广泛性。

近年来，加速溶剂提取（ASE）技术被引入，旨在提高提取效率并减少操作时间。ASE技术通过在高温高压下进行溶剂提取，能够在传统方法的十分之一时间内完成提取过程。高温提高了溶质的扩散速度，降低了溶剂的粘度，增强了分析物的溶解性，同时削弱了溶质与基质之间的相互作用，如偶极相互作用、范德华力和氢键等，从而提高提取效率。然而，最初的ASE技术是静态提取模式，即每个样品单独进行提取，导致整体处理效率受限。为了进一步提升ASE的性能，动态加速溶剂提取（dASE）技术被开发出来，其特点是溶剂在提取过程中持续流动，并通过限制器维持所需的压力，从而实现更高效的提取。此外，dASE技术还具有完全自动化的特点，减少了人工干预，提升了数据的稳定性和可重复性。

本研究评估了dASE技术作为油砂成分分析和固体清洗的潜在替代方法。研究通过系统优化提取参数，包括溶剂流速、提取温度、气体辅助流速以及提取时间，以确定最佳的提取条件。优化实验使用了来自Syncrude不同矿区的油砂样品，这些样品的沥青含量从0.07%到17.25%不等，水分含量在0.70%到13.96%之间，固体含量则在82.28%到93.59%之间。这些样品涵盖了不同类型的油砂，包括低品位、中等品位和高品位油砂，以确保研究结果具有广泛适用性。

在溶剂流速的优化实验中，测试了0.5、3、6和8 mL/min四种流速，结果表明随着流速的增加，沥青的回收率也随之提高，其中8 mL/min的流速在5分钟内达到了最高的回收效率。这表明在油砂成分分析中，较高的流速有助于提高沥青的提取效率，但同时也可能带来更高的溶剂消耗。因此，流速的优化需要在提取效率和资源消耗之间找到平衡。

在提取温度的优化中，测试了90°C、150°C、180°C和200°C四个温度点。结果显示，随着温度的升高，沥青回收率呈上升趋势，但达到180°C后，回收率略有下降。因此，180°C被确定为最佳提取温度。这一温度不仅能够提高提取效率，还能确保样品在提取过程中被充分干燥，从而避免后续的额外烘干步骤，提高整体操作效率。此外，高温还可能影响沥青的物理性质，因此在某些情况下，较低的温度（如150°C）可能更适合进一步的沥青表征工作。

气体辅助（Gas Assist）在提取过程中的作用也被评估。测试了0、5和10 mL/min三种气体流速，结果显示气体辅助对沥青回收率的影响较小，因此在优化方法中未采用气体辅助。这表明在当前的dASE系统中，气体辅助并非提高提取效率的关键因素，因此可以省略以减少操作复杂性和资源消耗。

在提取时间的优化过程中，研究测试了不同油砂样品在不同时间下的沥青回收情况。结果显示，大多数样品在30分钟内即可达到完全回收，而对于高沥青含量的样品，可能需要更长时间，例如60分钟。这表明提取时间与样品的组成密切相关，特别是沥青含量和细颗粒含量。细颗粒含量较高的油砂样品由于其较低的孔隙率，导致溶剂渗透困难，从而延长了提取时间。因此，优化提取时间需要综合考虑样品的物理性质和提取条件。

通过将dASE方法与Dean和Stark方法进行对比，研究发现两种方法在沥青和固体含量测定方面具有高度的一致性，其相关系数均超过0.98，表明dASE在分析精度上能够达到与传统方法相当的水平。同时，dASE方法在操作时间上显著优于Dean和Stark方法，每个样品的提取时间仅需60分钟，而Dean和Stark方法则需要6–8小时。这种时间上的巨大差异使得dASE方法在实际应用中更具优势，特别是在需要快速反馈的工业场景中。此外，dASE方法在溶剂使用上也更加高效，每个样品仅需约180 mL的溶剂，而Dean和Stark方法则需要200–300 mL的溶剂，从而降低了成本和对环境的影响。

在固体清洗效率方面，dASE方法与冷溶剂清洗法进行了对比。冷溶剂清洗法需要多次重复操作，包括摇晃、离心和吸滤，通常需要7–10次循环，耗时2–3小时。相比之下，dASE方法能够在约12分钟内完成固体清洗，这大大缩短了时间，同时减少了溶剂用量。这种方法不仅提高了操作效率，还减少了劳动强度和对环境的影响，使实验室工作更加安全和环保。

综上所述，dASE方法在油砂成分分析和固体清洗方面展现出了显著的优势。它不仅能够在较短时间内完成提取，还减少了溶剂的使用和人工操作的依赖，从而提高了整体的分析效率和操作安全性。此外，dASE方法的自动化特性使其能够处理多个样品，提升实验室的处理能力。尽管在某些情况下，如需要进一步的沥青表征，可能需要调整提取温度以确保沥青的物理性质不受影响，但总体而言，dASE技术为油砂行业提供了一种高效、可靠且环保的替代方案，有望在未来的工业应用中发挥重要作用。