煤炭在中国的能源结构中始终占有十分重要的地位,如何对其进行清洁、合理、高效的综合利用格外重要。煤热解作为煤炭高效利用的一种方法,热解过程中产生的热解油是重要的高附加值产品来源,含有吲哚、咔唑、吡啶、喹啉、噻吩等石化产品所不能替代的杂原子化合物,因此研究煤热解油的分级高效利用方法对煤炭的深度加工具有重要意义。但是煤热解油的分离技术限制了其深度开发利用,针对我国煤热解油资源化深度利用现状,本论文以煤热解油中杂环含氮组分的高效分离为目的,采用绿色的离子液体(ILs)作为分离媒介,开展了 ILs萃取剂的设计选择和杂环含氮组分的萃取分离研究,解决了因ILs阴、阳离子种类及组合方式众多而引起的萃取剂选择问题。主要研究内容如下:(1)从分子微观角度,对ILs与煤热解油杂环含氮组分间的萃取过程进行研究。选取具有代表性的[Bmim][Cl]和[Bmim][H2PO4]两种ILs为例,分别对煤热解油中中性和碱性氮化物的微观结构及体系间的相互作用机理进行了研究。通过分子模拟分别对ILs与中性氮化物(吲哚/咔唑),ILs与碱性氮化物(吡啶/喹啉)进行构型分析、基组重叠误差(BSSE)校正后的相互作用能分析和电荷密度分析,确定了两种ILs与相应含氮组分之间存在分子间氢键作用的机理。同时探究影响ILs萃取过程的主要因素,为含氮组分萃取分离用ILs的设计提供理论依据。(2)基于COSMO-SAC模型,建立了针对煤热解油杂环含氮组分分离用的含39种阳离子、29种阴离子及杂环含氮组分的σ-谱图数据库,提出含氮组分萃取用ILs设计选择方法,解决了以往萃取剂选择主要停留在经验准则水平上的问题。还通过σ-谱图分析探讨了含氮组分、阳离子结构主体种类、取代基支链长度、取代基种类及阴离子种类的不同,对分子、离子的极性及官能团对屏蔽电荷分布的影响。同时,针对中性氮和碱性氮的不同,初步筛选了 22种阳离子和19种阴离子作为中性氮组分分离的初始结构;15种阳离子和8种阴离子作为碱性氮分离的初始结构,依据建立的方法计算预测了 298.15K下,由22种阳离子和19种阴离子组合成的418种ILs对中性氮化物代表物质吲哚、由15种阳离子和8种阴离子组合成的120种对ILs对碱性氮化物代表物质吡啶的分配系数(D)、选择性系数(S)、萃取剂损耗(SL)及溶剂溶解能力(SP)参数值,作为萃取剂筛选的评判标准进行萃取剂的筛选,最终选择出10中ILs用于后续萃取分离实验研究。(3)依据本课题建立的方法确定出10种不同结构的萃取剂,分别对中性和碱性含氮组分进行萃取分离实验,对分离过程中的萃取温度、萃取时间、ILs萃取剂与模型油质量比和模型油氮初始浓度等关键影响因素进行了考察,得到所采用ILs萃取剂的最佳萃取工艺条件,并对分离过程的机理进行分析。针对中性氮选择出的7种包括不同阴离子的咪唑类、吡啶类及吡咯烷类ILs对中性氮组分均有极高的萃取分离能力,其中对吲哚的萃取效率几乎都在98%以上,对咔唑而言不同ILs的萃取效率虽有所差异,最低也在80%以上,同时7种ILs对中性氮组分表现出高选择性;针对碱性氮选出的3种具有不同取代基及阴离子的咪唑类ILs同样具有很高的萃取分离能力。除此之外,还对ILs萃取剂的再生及循环使用性能进行研究,萃取剂经过多次循环使用仍保持良好的萃取能力。最后基于上述实验过程提出了两个分离工艺流程,为煤热解油杂环含氮组分的绿色分离提供参考。(4)以甲苯为模型油溶剂,吲哚、吡啶分别为代表性的中性和碱性氮物质,使用设计选择出的具有代表性的6种ILs萃取剂,对含ILs体系的液液相平衡进行实验研究。测定了 6组三元体系的液液相平衡数据,获得了相应体系的三元相图,并对数据的可靠性进行校验;通过量子化学计算的方法计算得到所采用6种离子液体的UNIQUAC模型r、q参数值;使用NRTL和UNIQUAC活度系数模型对相应体系进行相平衡计算,关联得到模型参数及交互作用参数,为萃取分离工艺的设计与优化提供可靠的模型参数值。