日期：
2023-03-03 21:35:50
来源：化学与材料科学收集 编辑：化学与材料科学
烯烃/烷烃分离是石油化工领域关键分离过程。目前烯烃烷烃分离主要通过深冷精馏技术进行分离，由于烯烃烷烃沸点接近、分子结构性质相近，精馏存在能耗高、物耗大等不足，仅烯烃烷烃分离能耗就占到全球总能耗的0.3%，开发高效节能的吸附分离技术具有重要意义。吸附剂作为吸附分离技术的核心，满足高效变压吸附过程要求的吸附剂至少需要同时满足具有高烯烃工作容量和烯烃/烷烃吸附剂选择参数，容易再生，具有良好的稳定性和杂质耐受性，容易放大，且具有工业适用的成本的要求，设计制备同时满足上述条件的烯烃/烷烃吸附剂一直是烯烃/烷烃分离领域的研究重点和难点。
近日，浙江大学邢华斌教授课题组和中国石油石油化工研究院龚奇菡团队在《Angewandte Chemie International Edition 》期刊上发表了题为“A Robust Metal-Organic Framework with Scalable Synthesis and Optimal
Adsorption and Desorption for Energy-Efficient Ethylene Purification ”的文章（DOI：10.1002/anie.202218027）。基于配体工程，通过协同调控孔径/孔化学环境和框架动态柔性，设计了一种新型乙烯/乙烷分离吸附剂ZU-901，其具有理想的“S”型乙烯吸附等温线，无滞后环的解吸曲线，以及可忽略的乙烷吸附量，表现出高的乙烯/乙烷吸附剂选择参数和低乙烯吸附热。通过绿色水相合成工艺实现规模化制备，通过母液循环收率达到99%；同时ZU-901具有良好的酸碱稳定性，在50次循环穿透实验过程中性能保持稳定，具有良好的工业应用前景。模拟了以ZU-901为吸附剂的双塔变压吸附分离工艺，过程可得到聚合物级乙烯（99.51%）；在相同乙烯收率和纯度情况下，变压吸附过程能耗仅为传统精馏过程的1/10，展示了吸附分离技术良好的潜力。ZU-901有望应用于烯烃/烷烃变压吸附分离工艺，突破目前烯烃/烷烃精馏分离能耗高的技术瓶颈。 图1 （A）吸附曲线模型用于说明高工作能力和易于再生之间的关系（B）ZU-901、CPL-1和CPL-1-NH2 的三维骨架结构（C）材料孔道的内部结构（D-F）CPL-1、CPL-1-NH2 和ZU-901的静电势图 图2 （A）273 K下ZU-901、CPL-1和CPL-1-NH2 的乙烯吸脱附等温线（B）273 K下ZU-901的乙烯和乙烷吸附等温线（C）在不同温度和高压下ZU-901的乙烯乙烷吸附等温线（D）不同MOFs的吸附剂选择参数和材料成本的比较（E）不同材料的乙烯吸附热计算值（F）ZU-901母液循环工艺示意图及乙烯的保留容量数值（G）对ZU-901不同处理后的乙烯吸附等温线（H）ZU-901的五个标准雷达图 图3 （A）新鲜样品和真空解吸再生样品的穿透曲线（B）ZU-901和Ag4A的循环乙烯乙烷穿透实验的乙烯回收率比较（C）50次循环穿透实验的乙烯动态吸附容量（D）ZU-901在干燥和潮湿条件下乙烯乙烷穿透曲线（E）克级和百克级合成样品的乙烯乙烷穿透曲线（F）（G）建立的简化双塔变压吸附过程的原理模型和仿真结果（H）基于相同的乙烯纯度和回收率模拟的变压吸附工艺和传统低温精馏技术的能耗比较 图4 （A）乙烯分子在ZU-901通道内的排列（B）乙烯分子的优先结合位点 文章的第一作者是浙江大学博士生喻聪和硕士生郭正东，通讯作者为浙江大学杨立峰博士、邢华斌教授和中国石油何盛宝教授级高级工程师，中国石油石油化工研究院的龚奇菡、张上和薄雅文为共同作者。