1-甲基萘1-mn熱溶殘煤氧化水解蛋白的研究

1-甲基萘1-mn熱溶殘煤氧化水解蛋白的研究

溶劑提取和氧化反應(yīng)是實(shí)現(xiàn)低碳等級(jí)轉(zhuǎn)化和高效使用的重要途徑。采用熱溶的方法從煤中分離有機(jī)質(zhì)是日本近10余年來(lái)致力開(kāi)發(fā)的重要潔凈煤利用技術(shù)[1~6]。中國(guó)煤的高溫?zé)崛芟嚓P(guān)研究報(bào)道較少[7~9]。文獻(xiàn)[4~7]研究表明,高溫?zé)崛芸梢蕴岣呙旱某樘崧?促進(jìn)有機(jī)質(zhì)分離,但褐煤共價(jià)鍵交聯(lián)度高、交聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,高溫溶劑抽提率明顯低于煙煤。斷裂褐煤分子交聯(lián)結(jié)構(gòu),降低分子間共價(jià)鍵交聯(lián)密度是高效熱溶和分級(jí)利用的關(guān)鍵所在。氧化可以斷裂褐煤分子交聯(lián),生產(chǎn)腐植酸等高附加值產(chǎn)品,但褐煤反應(yīng)性高,容易完全氧化,有機(jī)質(zhì)利用率低。通過(guò)熱溶分離褐煤中反應(yīng)性高的有機(jī)質(zhì)后再進(jìn)行氧化解聚,可以提高褐煤利用效率,實(shí)現(xiàn)褐煤分級(jí)轉(zhuǎn)化和高附加值利用。此外,通過(guò)褐煤熱溶和殘煤氧化解聚產(chǎn)物的分離表征,可以探索褐煤分子結(jié)構(gòu)與組成,從分子水平上認(rèn)識(shí)和反演褐煤的結(jié)構(gòu)。煤在溫和條件下控制性氧化主要有O2和空氣氣相氧化、O2和空氣液相氧化、H2O2氧化[11~16]、氧化性酸氧化等[17~22]。世界各國(guó)學(xué)者對(duì)此已經(jīng)開(kāi)展了較多的研究,主要考察了氧化溫度、時(shí)間、介質(zhì)及酸堿性等因素影響,分析氧化產(chǎn)物并探討了氧化解聚機(jī)理。Miura等在溫和條件下用H2O2氧化低階煤,可以高收率、高選擇性地得到小分子脂肪酸,如丙二酸、乙醇酸、甲酸、乙酸和乙二酸,并對(duì)氧化機(jī)理進(jìn)行了描述。Mae等利用13C-NMR分析澳大利亞褐煤H2O2氧化前后的碳分布認(rèn)為,H2O2氧解使褐煤中部分共價(jià)鍵如Ar-OH和Ar-O-Ar發(fā)生斷鍵,生成-COOH、C-O-C以及R-OH。馮波等對(duì)褐煤的H2O2氧化產(chǎn)物進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物中的脂肪羧酸主要為含9~18個(gè)碳的脂肪羧酸,酚酸主要是水楊酸。以上的研究主要關(guān)注的是原煤的氧化,研究表明,煤結(jié)構(gòu)中含有一些游離的和通過(guò)非共價(jià)鍵作用嵌布其中的小分子有機(jī)質(zhì),它們?cè)谘趸^(guò)程中可能易被氧化得到各種產(chǎn)物,使得從產(chǎn)物出發(fā)反演煤的大分子結(jié)構(gòu)受到干擾。陳虹等用H2O2氧化經(jīng)分級(jí)萃取得到的黑岱溝萃余煤,并對(duì)氧化產(chǎn)物進(jìn)行族組分分離和分析,以期得到萃余煤的大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)信息。Huang等通過(guò)比較釕催化氧化神府煤的原煤、液化殘?jiān)癈S2/THF萃余煤,發(fā)現(xiàn)神府煤中含有大量易于加氫液化和溶于CS2/THF混合溶劑中的長(zhǎng)鏈芳基烷烴和α,ω-二芳基烷烴,稠環(huán)芳烴基本不能被CS2/THF萃取。本課題組用H2O2對(duì)先鋒褐煤的1-甲基萘(1-MN)熱溶殘煤進(jìn)行氧化,發(fā)現(xiàn)氧解水溶性產(chǎn)物選擇性很高,并在此基礎(chǔ)上探討了先鋒褐煤的大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但相同條件下先鋒褐煤原煤的氧解有待進(jìn)一步考察。本實(shí)驗(yàn)在320℃條件下用1-MN對(duì)先鋒褐煤進(jìn)行高溫?zé)崛?并用H2O2對(duì)先鋒褐煤及其熱溶殘煤進(jìn)行氧化,結(jié)合FT-IR、元素分析和GC/MS等分析手段對(duì)熱溶產(chǎn)物及氧解產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征,考察先鋒褐煤該條件下的熱溶性能及產(chǎn)物分布,并重點(diǎn)考察原煤與其熱溶殘煤的氧化性能和產(chǎn)物分布的異同,探討先鋒褐煤熱溶和氧解的機(jī)理以及結(jié)構(gòu)組成特征。1實(shí)驗(yàn)部分1.1實(shí)驗(yàn)用煤及菌種1-MN、三氟化硼-乙醚、過(guò)氧化氫(30%)、無(wú)水乙醇、無(wú)水甲醇、無(wú)水硫酸鈉等均系分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。D301樹(shù)脂,上海華震科技有限公司;實(shí)驗(yàn)用煤為云南先鋒煤(XL),實(shí)驗(yàn)前將原煤研磨、粉碎至200目,80℃真空干燥24h,放置于干燥器中貯存?zhèn)溆?。先鋒煤工業(yè)分析及元素分析見(jiàn)表1。1.2實(shí)驗(yàn)方法1.2.1tr-te的表征1-MN作為溶劑,在氮?dú)獗Ｗo(hù),320℃條件下于自制的反應(yīng)器中對(duì)煤樣進(jìn)行熱溶。熱溶操作具體步驟見(jiàn)文獻(xiàn)。熱溶物(TE)和熱溶殘煤(TR)經(jīng)洗滌后于80℃真空干燥48h后稱量至恒重,用于分析表征。實(shí)驗(yàn)流程示意圖見(jiàn)圖1。熱溶殘煤收率(wTR,daf)按下式計(jì)算:式中,MXL—干燥基原煤質(zhì)量,g;MTR—干燥基熱溶殘煤質(zhì)量,g;AXL—原煤干燥基灰分,%;ATR—熱溶殘煤干燥基灰分,%。1.2.2氧解殘煤收率fc稱取6.0g(m0)干燥好的樣品(原煤或熱溶殘煤),置于250mL圓底燒瓶,加入180mL5%的過(guò)氧化氫溶液,水浴加熱至40℃,通氮?dú)獗Ｗo(hù),磁力攪拌下反應(yīng)4h,并用鈉石灰吸收CO2。反應(yīng)結(jié)束后流水冷卻至室溫,反應(yīng)混合液過(guò)濾,用100mL去離子水多次洗滌,水溶液(F)pH值約等于4,待處理。氧解殘煤(FC)于80℃真空干燥48h后稱量至恒重,計(jì)算收率并做分析表征。相應(yīng)的原煤氧解殘煤收率、熱溶殘煤氧解殘煤收率以及CO2收率按下式計(jì)算:對(duì)于熱溶殘煤的氧解,若轉(zhuǎn)化成以原煤計(jì)算的收率,則w*=w×wTR。式中,MXL—干燥基原煤質(zhì)量,g;MTR—干燥基熱溶殘煤質(zhì)量,g;—干燥基原煤氧解殘煤質(zhì)量,g;—干燥基熱溶殘煤的氧解殘煤質(zhì)量,g;—原煤氧解殘煤灰分,%;—熱溶殘煤的氧解殘煤灰分,%;—生成CO2質(zhì)量,g;c—氧化前樣品的含碳量,無(wú)灰基,%。1.2.3水、無(wú)水甲醇淋洗利用離子交換樹(shù)脂D301分別對(duì)氧解得到的水溶液(F1和F2)進(jìn)行分離富集,并依次用水、無(wú)水甲醇淋洗。然后將樹(shù)脂放入150mL圓底燒瓶中,加入12mL無(wú)水甲醇,投入少許沸石,加入3mLBF3-乙醚溶液,在70℃水浴條件下加熱回流1h,待冷卻后過(guò)濾,無(wú)水硫酸鈉干燥處理得到甲酯化樣品溶液(E1和E2),GC-MS分析用。1.2.4紅外分析pmtVarioELⅢ元素分析儀,德國(guó)ELementarAnalysensysTDFmeGmbH公司,操作模式:CHNS;O的含量用差減法得到。NICOLET6700FT-IR紅外光譜儀,美國(guó)ThermoScientific公司,紅外分析采用KBr壓片法,掃描分辨率4cm-1,掃描32次,4000~400cm-1掃描。GCMS-QP2010Plus氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀,島津公司,GC-MS條件:Rtx-5MS毛細(xì)管色譜柱(30m,0.25mm×0.25μm),N2(載氣)流量1.2mL/min,進(jìn)樣口溫度280℃,進(jìn)樣量0.5μL;色譜柱初始溫度80℃,保持1min,20℃/min升至120℃,保持1min,然后以10℃/min升至250℃,恒溫保持到?jīng)]有色譜峰流出為止。離子源溫度:200℃;接口溫度:250℃;50~350amu掃描。2結(jié)果與討論2.1先鋒褐煤熱溶熱溶劑fc1的元素分析基于前期研究,先鋒褐煤在350℃左右顯著熱解,以非極性的1-MN作為熱溶溶劑,考察其在320℃(低于顯著熱解溫度)的熱溶,主要是煤結(jié)構(gòu)中小分子化合物溶解和解締合過(guò)程。結(jié)果表明,該溫度條件下熱溶殘煤(TR)收率為81.01%,說(shuō)明XL主要以共價(jià)鍵交聯(lián)的大分子結(jié)構(gòu)為主,非共價(jià)鍵締合小分子含量較低。元素分析顯示,與原煤相比,TR的氧含量降低,H/C原子比減小,而N、S含量都增加,表明先鋒褐煤熱溶主要脫除的是H/C原子比較高、含氧官能團(tuán)較多的小分子化合物。N、S雜原子主要存在于熱溶殘煤的大分子結(jié)構(gòu)中。由圖1通過(guò)比較FC1和FC2收率可以發(fā)現(xiàn),wFC2小于wFC1(以原煤計(jì)w*FC2也小于wFC1),說(shuō)明TR較XL難氧解。比較XL和FC1的元素分析,H/C原子比基本不變,O/C原子比從0.34下降到0.24。TR和FC2的H/C原子比也基本不變,但O/C原子比從0.24增加到0.30。表明原煤中含氧官能團(tuán)的小分子化合物容易被氧化和溶出,并生成一定量的CO2,導(dǎo)致FC1氧含量下降。而TR的氧解主要發(fā)生在其大分子結(jié)構(gòu)中,比XL較難氧化,CO2的收率較低,氧化過(guò)程在FC2的分子結(jié)構(gòu)中引入了含氧官能團(tuán),氧含量增加。2.2tr、fc2的紅外光譜圖2為XL、TE、TR及FC1、FC2的紅外光譜圖。其中,3400cm-1可以歸屬為羥基,2920和2850cm-1是飽和碳原子上的C-H伸縮振動(dòng)峰,1710和1600cm-1附近分別為羰基和芳環(huán)骨架的吸收峰。由圖2可知,XL含有大量的芳香結(jié)構(gòu)、羥基以及一定量的羰基和脂肪結(jié)構(gòu)。比較XL、TR和TE的紅外光譜圖可知,TR與XL的主體結(jié)構(gòu)基本相似,相應(yīng)脂肪氫、羰基及羥基官能團(tuán)的吸收峰減弱。而TE在2920和2850cm-1處吸收明顯較強(qiáng),3400和1710cm-1吸收明顯較弱,1600cm-1吸收也較弱,說(shuō)明熱溶析出的組分與煤的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在較大的差別,熱溶物主要以脂肪結(jié)構(gòu)為主,含一定量的羰基以及少量的羥基和芳香結(jié)構(gòu)。比較TR和FC2紅外光譜,FC2的羥基、羰基吸收峰增強(qiáng),飽和碳?xì)渖炜s振動(dòng)峰也增強(qiáng)。由此表明,以大分子結(jié)構(gòu)為主的TR在溫和條件下氧化主要發(fā)生在芳香結(jié)構(gòu)上,并在FC2的大分子結(jié)構(gòu)上引入了羧基官能團(tuán),從而使得FC2的O/C原子比升高,飽和碳?xì)?、羥基和羰基峰吸收強(qiáng)度增強(qiáng)。上述結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)了前文所推測(cè)的氧化反應(yīng)機(jī)理。FC1紅外光譜圖中1710cm-1附近羰基吸收峰與芳環(huán)骨架峰形成明顯的雙峰結(jié)構(gòu),飽和碳?xì)渖炜s振動(dòng)峰也明顯增強(qiáng),元素分析結(jié)果顯示FC1的氧含量下降,可能是氧解過(guò)程含氧官能團(tuán)取代的芳環(huán)被破壞,大量氧元素轉(zhuǎn)移到水相和CO2中,而脂肪結(jié)構(gòu)的小分子不易被氧化保留在氧解殘煤中,使得其飽和碳?xì)涞奈辗逶鰪?qiáng)比TR的氧解更明顯。2.3氧解機(jī)理及熱溶殘煤的熱溶特性圖3為對(duì)XL和TR氧解水溶性產(chǎn)物酯化后的樣品進(jìn)行GC/MS分析得到的總離子流圖。由圖3可知,,原煤的氧解產(chǎn)物種類較多,這也反映出原煤中小分子化合物的氧解導(dǎo)致產(chǎn)物更復(fù)雜。結(jié)合NIST05標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)總離子流圖中含量較高的峰進(jìn)行計(jì)算機(jī)檢索,相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和面積歸一化得到的相對(duì)含量見(jiàn)表2。很明顯,在檢出的物質(zhì)中,兩者得到的結(jié)果比較一致。其中,相對(duì)含量較高的化合物以α,ω-二羧基烷酸的酯化產(chǎn)物為主,尤其是丙二酸二甲酯和丁二酸二甲酯含量很高,乙酰丙酸甲酯和甲基丁二酸二甲酯等的含量也較高,戊二酸和己二酸的酯化產(chǎn)物含量較丙二酸和丁二酸少得多。根據(jù)前文推測(cè)的氧解機(jī)理認(rèn)為,先鋒褐煤的大分子結(jié)構(gòu)之間的橋鍵主要為-CH2-和-CH2-CH2-。而三元烷酸的酯化產(chǎn)物的檢出證明存在一定量連接三個(gè)芳香簇結(jié)構(gòu)的橋鍵,并且烷鏈的長(zhǎng)度仍然以C2和C3為主。含芳環(huán)的物質(zhì)除了少量四氫萘和甲基萘以外,主要檢出了苯甲酸和苯甲酸甲酯,說(shuō)明對(duì)應(yīng)水溶性產(chǎn)物中芳香酸主要有苯甲酸,并且原煤的氧化得到苯甲酸的含量明顯大于熱溶殘煤的氧解,可能是原煤中的小分子芳香化合物氧化得到。值得一提的是,比較原煤及其熱溶殘煤的氧解水溶性產(chǎn)物衍生化樣品的GC/MS結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn),在檢出的物質(zhì)中,XL的氧化產(chǎn)物中化合物8、14、28、31的含量明顯較TR的高,它們都含有丁烯二酸的結(jié)構(gòu),應(yīng)該就是原煤中小分子芳香結(jié)構(gòu)氧化開(kāi)環(huán)后的產(chǎn)物。據(jù)此推測(cè)熱溶和氧解的機(jī)理見(jiàn)圖4。在低于先鋒褐煤顯著熱解溫度條件下,非極性1-MN對(duì)其熱溶主要是煤大分子結(jié)構(gòu)中小分子化合物的溶解和解締合過(guò)程。原煤直接氧化時(shí)部分小分子也易被氧化,并且氧解率較高。如含氧官能團(tuán)的小分子芳香化合物被氧化生成相對(duì)較高含量的苯甲酸,含羥基取代的芳環(huán)則開(kāi)環(huán)生成含丁烯二酸結(jié)構(gòu)的水溶性產(chǎn)物。而熱溶殘煤主要由大分子骨架構(gòu)成,氧化同樣容易發(fā)生在含氧官能團(tuán)的芳環(huán)上,并導(dǎo)致連接芳香結(jié)構(gòu)的橋鍵的斷裂,根據(jù)氧解產(chǎn)物中二元羧酸和三元羧酸的組成分布可以探討橋鍵的結(jié)構(gòu)信息。3煤中-二羧基烷酸氧漂應(yīng)發(fā)生的主要有甲醛及其烷基羧酸320℃下先鋒褐煤在1-MN中的熱溶物以脂肪結(jié)構(gòu)為主,含一定量的羰基以及少量的羥基和芳香結(jié)構(gòu)。GC/MS分析結(jié)果表明,溫和條件下先鋒原煤和熱溶殘煤的過(guò)氧化氫氧化水溶性產(chǎn)物基本一致,其中,α,ω