暨南大學(xué)的丙烯/丙烷分離技術(shù)獲突破

近日，暨南大學(xué)研究團隊基于金屬-有機框架材料(MOF)吸附分離技術(shù)，首次提出正交陣列動態(tài)篩分機制，成功構(gòu)筑一例基于該分離機制的框架材料(JNU-3)，可用于丙烯/丙烷吸附分離。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》雜志。

丙烯是全球產(chǎn)量最高的基礎(chǔ)有機化工原料之一，年產(chǎn)量超過100 Mt。丙烷裂解生產(chǎn)丙烯是工業(yè)界重要的技術(shù)路線，但該技術(shù)不能直接得到高純度丙烯。為去除殘留的丙烷，往往需要高昂的設(shè)備投資和巨大的能量消耗，因此開發(fā)更環(huán)保的分離技術(shù)勢在必行。

MOF是一類由金屬節(jié)點和有機配體通過自組裝形成的具有確定組成與結(jié)構(gòu)的晶態(tài)多孔材料。和傳統(tǒng)多孔材料(分子篩、活性碳等)相比，MOF具有可設(shè)計剪裁的框架和豐富多樣的孔道結(jié)構(gòu)。MOF用于烯烴/烷烴混合物分離主要是基于裸露金屬位點的π電子絡(luò)合作用和孔道尺寸的篩分作用兩種常見策略。裸露金屬位點在一定程度上能共吸附烷烴，但難以分離出高純度烯烴，且還具有水分敏感性。基于剛性分子篩效應(yīng)能夠?qū)⑼闊N共吸附最小化，烯烴/烷烴選擇性最大化。但由于尺寸匹配的分子必須穿過許多小孔，難以達到吸附平衡，導(dǎo)致吸附-解吸動力學(xué)緩慢，能量效率低。

為解決上述問題，該研究團隊成功構(gòu)筑擁有三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的JNU-3材料，沿著晶體學(xué)a軸是0.45 nm×0.53 nm的一維通道，在一維通道兩側(cè)是排列整齊的分子口袋，分子口袋和一維通道通過一個約0.37 nm的動態(tài)“葫蘆形”窗口相連。氣體可在一維通道中快速擴散，分子口袋則通過“葫蘆形”窗口選擇性地捕獲丙烯分子，丙烯/丙烷分離效果較好。該研究團隊通過原位單晶衍射和模擬計算解析了丙烯和丙烷分子與JNU-3相互作用的篩分機制和動態(tài)過程。

研究發(fā)現(xiàn)，丙烯/丙烷等摩爾比混合物在溫度298 K下以1 mL/min的流速流過填充床，丙烷先通過，未被丙烯污染，收集到的丙烷純度不低于99.99%。一段時間后吸附劑達到飽和，丙烯發(fā)生穿透，出口氣流中的丙烯和丙烷迅速達到等摩爾比。在丙烯脫附過程中，根據(jù)解吸曲線，當(dāng)混合氣體流速分別為1 mL/min和6 mL/min時，丙烯分離產(chǎn)能分別為34.2 L/kg和53.5 L/kg，丙烯純度均為99.5%。即使在相對濕度為50%的條件下，丙烯/丙烷等摩爾比混合氣流速為6 mL/min時，丙烯分離產(chǎn)能也可達44.9 L/kg，丙烯純度為99.5%。表明JNU-3材料對丙烯/丙烷的分離性能優(yōu)異。