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煤焦油作为富含高价值芳香化学品的复杂混合物，其分离技术需兼顾结构完整性与选择性。本文系统综述了传统方法（蒸馏、色谱等）与新兴绿色技术（深熔盐溶剂），揭示分子间弱相互作用主导的分离机制，并探讨计算化学指导的溶剂设计策略，提出分子工程与绿色分离技术融合路径，推动煤焦油向可持续高附加值化学品转化。
贝鹏志|赵家银|徐行堂|易兰|邓莉莉|李文英
中国辽阳沈阳工业大学石油化工工程学院
摘要
煤焦油是煤炭焦化过程中的复杂副产品，富含多环芳烃、酚类化合物和含氮/硫杂环等高价值芳香族化合物，但这一资源目前尚未得到充分利用。传统的处理方法（主要是加氢处理）不仅消耗大量氢气，还会破坏这些化合物的天然分子结构，从而降低其内在的高价值。因此，开发针对煤焦油中高价值化合物天然结构的分离和纯化技术具有重要的科学和实际意义。本文系统地回顾了现有的分离技术，包括蒸馏、柱色谱、结晶和膜分离等方法，并重点介绍了溶剂辅助的分离技术，尤其是新兴的深共晶溶剂。讨论的核心是分子间相互作用在实现选择性提取中的关键作用。通过总结最新进展、阐明基本原理并识别研究空白，本文旨在为从煤焦油中分离高附加值化学品提供全面且具有前瞻性的观点。最终，我们倡导将分子级工程与绿色分离技术相结合，将煤焦油从工业副产品转变为可持续的高价值化学品原料，为循环经济做出贡献。
引言
作为炼焦和煤气化行业的重要副产品，煤焦油在中国煤化工领域具有不可替代的地位。其年产量约为2700万吨[1]。其中，高温煤焦油占比约73%，中温和低温煤焦油各占27%（见图1）。这一持续增长的产量不仅凸显了煤炭在全球能源格局中的战略重要性，也巩固了中国在煤化工领域的领先地位。从消费角度来看，高温煤焦油的应用更为广泛。在国内，它主要用于煤化工产品的深加工，占总消费量的45.6%，生产出工业萘、粗蒽和洗涤油等关键产品。炭黑行业是另一个主要消费者，占消费量的33.2%，煤焦油是生产粘合剂、浸渍剂、针状焦、碳纤维和介观相沥青等先进碳材料的重要原料[2],[3],[4],[5]。剩余的21.2%用于加氢过程和出口等特殊用途[6],[7],[8]。这种多样化的消费结构体现了煤焦油的显著多功能性及其稳固的市场需求。除了在中国国内的应用外，煤焦油在全球范围内也具有重要的战略潜力。作为预形成的多环和杂原子芳香族化合物的浓缩来源，它是一种有吸引力的替代品，可替代石油衍生的催化重整油或蒸汽裂解油。在原油价格波动和化学供应链多样化努力的背景下，利用地区丰富的资源（如煤焦油）可以提高能源和化学安全。此外，其价值化符合向循环碳经济转型的趋势，即利用复杂的富碳副产品生产高价值材料，而非将其燃烧用于低价值能源。因此，推进煤焦油的分离技术不仅有助于优化国内产业，也为全球芳香族化学品生产的更具韧性、分散化和可持续性的发展路径做出贡献。
然而，在全球日益重视环境保护和可持续发展的背景下，人们正将重点转向这种资源的清洁利用和高效转化。实现这些目标对于提升整个煤化工行业的环境和经济可持续性至关重要。煤焦油是一种极其复杂且成分丰富的混合物，包含数千种化学物质；迄今为止，仅约有500种化合物被明确鉴定出来。对其轻组分的分析显示，芳香族化合物占其组成的近70%，主要是多环芳烃（PAHs），如萘、蒽、菲和荧蒽。该混合物还含有大量的杂原子化合物，包括含氧化合物（主要是酚类）、含氮芳香族杂环（如咔唑、吡啶和喹啉）以及含硫芳香族化合物（如苯并噻吩和二苯并噻吩），但这些成分的含量相对较少[9]。煤焦油的复杂性源于其生成过程。决定其成分的主要因素是前体煤的类型（如烟煤、次烟煤）以及热解方式（低温（500–700°C）、中温（700–900°C）或高温（>900°C）。较高温度有利于形成较轻的芳香族化合物和PAHs，而较低温度则产生更多的酚类和烷烃。图1展示了低阶煤的热解过程，所得焦油被称为低温煤焦油。煤焦油中的PAHs和杂环化合物具有独特的分子结构和性质，这些结构在传统石油化工原料中难以获得。这种结构独特性使其在下游加工中具有重要的工业价值。因此，高效分离和利用这些天然分子结构至关重要。这不仅是煤化工行业可持续发展的关键驱动力，也是优化全球能源结构和促进该行业多元化、高价值增长的关键策略。
当前的研究主要集中在全馏分加氢处理上，但这种方法往往忽略了一个重要机会：即针对煤焦油中独特的多环芳烃及其复杂的分子结构进行有针对性的利用[10]。这种资源利用不足导致了严重的回收效率低下，进而加剧了能源短缺问题。因此，先进的分离技术成为将这种复杂混合物转化为高性能燃料和特种化学品的关键机制，成为未来研究的基石[11],[12]。通过优化这些过程以保留高价值多环化合物的结构完整性，将实现范式的转变，为基于原料的增值制造策略奠定基础。这些进展的意义在于：从技术角度来看，它们可以减少煤焦油处理对环境的影响，同时显著提高煤化工行业的资源效率和经济效益[13]；从科学角度来看，这种方法有助于揭示控制芳香族化合物在复杂体系中的行为的分子间相互作用机制，从而实现精确分离并最大化这些高价值组分的回收率。
虽然从传统蒸馏到先进溶剂萃取的各种分离技术为煤焦油处理提供了多样的工具，但选择和优化这些方法需要深入理解煤焦油的复杂成分以及目标化合物与分离剂之间的相互作用。本文不仅详细介绍了这些技术，还探讨了决定其效率和选择性的分子级机制，为选择和设计下一代提取系统提供了战略框架。这种综合技术调查与深入分析相结合的方法使本文成为宝贵的资源，有望加速精准分离技术的发展，充分发挥煤焦油作为高价值芳香族化学品可持续来源的潜力，推动煤化工行业的更高效和环保发展。
节选内容
酚类化合物
酚类化合物是从煤焦油中提取的重要且不可或缺的产品，在众多工业领域发挥着多方面的关键作用。虽然它们在水果和蔬菜中自然存在，但其工业规模的应用主要来源于煤炭的直接转化，尤其是在煤焦油处理过程中[14],[15]。表1总结了代表性酚类化合物的结构特征和应用。
蒸馏
蒸馏是煤焦油处理行业的核心分离技术，以其广泛应用和操作稳定性而闻名。图2展示了典型的煤焦油蒸馏流程。脱水后，焦油被分离成不同的馏分，如轻质油、酚油、萘油、洗涤油和蒽油。
用于煤焦油分离的深共晶溶剂
虽然传统的溶剂萃取为煤焦油分离提供了灵活的平台，但因其依赖挥发性有机化合物，常常引发关于环境影响、工艺安全性和可持续性的担忧。为解决这些问题，出现了深共晶溶剂（DESs）这一新型溶剂。深共晶溶剂具有可调的物理化学性质、生物相容性，并且通常具有环保特性，代表了新的分离方法。
基本原理与计算-实验协同作用
溶剂萃取是一种基于精确识别和利用分子间弱相互作用的高级分离方法。分子间相互作用可分为两类：强相互作用（包括共价键和离子键，提供主要的结构稳定性）和弱相互作用（尽管能量较低，但在指导分子组装过程中不可或缺）。
结论与未来展望
本文系统地分析了煤焦油的分子复杂性及其价值化的技术进展。作为多环芳烃、杂原子化合物和酚类衍生物的丰富来源，煤焦油既带来了挑战，也带来了可持续化学生产的巨大机遇。虽然传统的蒸馏和溶剂萃取技术在工业上仍占主导地位，但
作者贡献声明
贝鹏志：撰写——初稿、方法论、实验设计。赵家银：撰写——初稿。徐行堂：撰写——审稿与编辑。易兰：资料收集、概念构思。邓莉莉：方法论。李文英：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理和资金申请。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢辽宁省科学技术联合计划（2024-BSLH-201, 2024JH2/102600215）、太原理工大学清洁高效煤炭利用国家重点实验室（MJNYSKL202509）、北京怀柔实验室计划（ZD2023012A）以及国家自然科学基金（22038008, 22308241）和辽宁省教育厅（LJ212510142013）的财政支持。
