纯度高达99.5%!我国丙烯丙烷分离获新突破登《Nature》

2021年08月06日 阅读量:4

8月2日,从暨南大学化学与材料学院传出消息,该院陆伟刚教授和李丹教授研究团队在丙烯/丙烷分离技术研究中获得新突破。他们针对金属—有机框架材料(MOF)材料,首次提出正交阵列动态筛分机制,构筑了基于该分离机制的框架材料(JNU-3),为高效分离丙烯/丙烷提供了绿色方案。

据该研究团队成员、暨南大学博士研究生曾恒介绍:“该材料拥有三维网格结构,其内部的一维通道两侧是排列整齐的分子口袋,分子口袋和一维通道通过动态葫芦形窗口相连。当气体在一维通道中快速扩散时,分子口袋通过葫芦形窗口选择性地捕获丙烯分子,从而获得较佳的丙烯/丙烷分离效果。”

 

团队的研究数据显示,应用JNU-3材料时,丙烯/丙烷(50/50)混合物在298K下以1毫升/分的总流速流过填充床,收集到的丙烷纯度不低于99.99%,出口气流中的丙烯和丙烷迅速达到等摩尔浓度。在丙烯的脱附过程中,根据丙烯的解吸曲线,混合气体流速分别为1毫升/分、6毫升/分时,丙烯的生产能力和纯度分别为34.2升/千克(99.5%)、53.5升/千克(99.5%)。即使在50%相对湿度的潮湿条件下,流速为6.0毫升/分等摩尔丙烯/丙烷混合气,丙烯分离的生产能力和纯度也可达44.9升/千克(99.5%)。

工业上,实现丙烯和丙烷的高效分离具有重要意义。由于两组分的沸点极为相近,目前使用的传统精馏法能耗相当高。该研究提出一种电化学制备ZIF-8膜的方法,通过施加毫安级的微小电流,首次实现了室温下ZIF-8膜在多孔基底上的快速生长,耗时仅需数分钟,制备过程极为简单快捷,具有良好的应用前景。这项工作在一步电合成过程中,同时解决了ZIF-8材料的柔性、晶界缺陷、膜层厚度控制等多个复杂难题,为膜分离技术的发展带来了新的思路。

图1. 串联和正交阵列筛分机制示意图(左:刚性,右:动态)。图片来源:Nature

 

丙烯是最基础的有机化工原料之一,年产量超过1亿吨。丙烷裂解是丙烯生产的传统技术路线。然而,这一技术不能直接得到高纯度丙烯。为去除残留的丙烷,工业上往往以高昂的设备投资和巨大的能量消耗作为代价。寻求绿色的分离方案,是未来实现碳达峰、碳中和的重大需求。

图2. JNU-3的晶体结构:(a) 沿b轴观察的孔结构显示分子口袋(蓝绿色)和一维通道(黄色)。(b) 空腔的康诺利表面横截面图。(c) 连接口袋和通道的“葫芦形”窗口图。图片来源:Nature

 

MOF是一类新兴的由金属节点和有机配体通过自组装形成的具有确定组成与结构的晶态多孔材料。和传统的多孔材料相比,MOF凭借其可设计剪裁的框架和丰富多样的孔道结构吸引了科研工作者的广泛兴趣。

图3. 气体吸附性能和DSC曲线。(a) 在87 K下的低压Ar吸附/解吸等温线。(b)、(c)和(d) C3H8、C3H6和50:50 C3H6/C3H8的吸附等温线。(e)和(f) C3H8和C3H6的差示扫描量热曲线。图片来源:Nature

 

为此,研究团队在前期研究基础上,针对MOF材料提出正交阵列动态筛分机制,实现了对框架材料组装和物理性能的精准调控。据曾恒介绍,该框架材料具有结构精确和分离性能显著的优势。

 

下一步,该研究团队将继续开发优先吸附丙烷的材料,希望这样的“反转选择性”技术能够从丙烷/丙烯混合物中一步得到高纯丙烯,进一步提高能源和分离工艺的效率。

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