福建師范大學(xué)的低能耗高純度乙烯分離研究獲進(jìn)展

2021年7月13日，福建師范大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用簡單有機(jī)分子自組裝氫鍵有機(jī)框架材料(HOFs)，首次實(shí)現(xiàn)在工況溫度下乙烯/乙烷高效分離，推動氫鍵有機(jī)框架材料在高效、低能耗工業(yè)分離中的實(shí)際應(yīng)用。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然化學(xué)》雜志。

乙烯是石化產(chǎn)業(yè)的核心，預(yù)計到2023年全球乙烯產(chǎn)能將超過200 Mt/a。在乙烯生產(chǎn)過程中，利用低溫精餾技術(shù)分離乙烷來實(shí)現(xiàn)乙烯提純，將消耗大量能量，超過全球年能源消耗的0.3%。

利用晶態(tài)多孔材料，如金屬有機(jī)框架、共價有機(jī)框架和氫鍵有機(jī)框架材料等，實(shí)現(xiàn)碳?xì)浠衔锏母咝椒蛛x已取得諸多進(jìn)展。然而，孔道柔性往往成為阻礙低能耗、高純度乙烯分離的主要原因。一方面，乙烯與乙烷分子尺寸差別極小，要求多孔材料需具有很高的尺寸匹配度。但有機(jī)組分具有一定的結(jié)構(gòu)柔性，晶態(tài)多孔材料孔道尺寸在吸附過程中容易發(fā)生改變，難以實(shí)現(xiàn)分子篩分離乙烯和乙烷；另一方面，隨著壓力增加，柔性孔道逐漸變大，導(dǎo)致乙烯/乙烷的共吸附現(xiàn)象嚴(yán)重。

該研究團(tuán)隊(duì)利用骨架柔性，提出溫度和壓力協(xié)同調(diào)控的“門控機(jī)制”策略，實(shí)現(xiàn)對乙烯/乙烷的高效分離。在設(shè)計合成新型有機(jī)小分子的基礎(chǔ)上，通過自組裝制備了一例具有獨(dú)特“剛?cè)岵?jì)”孔道特性的氫鍵有機(jī)框架材料，其三重穿插氫鍵網(wǎng)絡(luò)形成了可選擇性篩分乙烯/乙烷的孔道結(jié)構(gòu)。氣體吸附和粉末衍射數(shù)據(jù)表明，弱的非經(jīng)典氫鍵(C—H…N)有利于骨架保持一定的柔性，而連續(xù)的π…π作用可以增強(qiáng)骨架的剛性。

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度升高，吸附氣體所需的閾值壓力增加，在工況溫度(333 K)時最大程度上減少了共吸附現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)的乙烯分離效果。單晶結(jié)構(gòu)表明，乙烯分子通過弱的C—H…π相互作用吸附在孔道中。同時，這種微孔HOF材料具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，在水、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及一些極性有機(jī)溶劑中都能保持骨架穩(wěn)定，為實(shí)現(xiàn)氣體分離純化的實(shí)際應(yīng)用提供了必要條件。