隨著社會(huì)的進(jìn)步和工業(yè)的快速發(fā)展,人類對(duì)能源和資源的利用越來(lái)越依賴于天然氣、氫氣和乙烯等氣體--一個(gè)氣體的時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨,這對(duì)高效節(jié)能的氣體儲(chǔ)存和分離技術(shù)提出了迫切需求。乙烯是目前工業(yè)上使用最多的化工氣體(1.6億噸/年),是石油化工產(chǎn)業(yè)的核心。其生產(chǎn)的技術(shù)水平和規(guī)模標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展水平,被廣泛應(yīng)用于合成纖維、合成橡膠、合成塑料等聚合化工原料的生產(chǎn)。
然而目前生產(chǎn)乙烯原料的過(guò)程中經(jīng)常伴有少量的乙炔雜質(zhì),該雜質(zhì)對(duì)乙烯的聚合具有非常大的毒害作用。如何有效地除去少量的
乙炔氣體并得到高純的乙烯(工業(yè)上要求的純度是99.996%),對(duì)乙烯的聚合過(guò)程和生產(chǎn)至關(guān)重要?,F(xiàn)有的方法包括溶劑吸收和乙炔選擇性催化加氫,存在能耗高和消耗大等不足。吸附分離技術(shù)能克服上述的缺陷,有望實(shí)現(xiàn)低能耗和低成本的分離乙炔/乙烯氣體。如今的分離材料普遍存在選擇性和容量難以兼具的缺陷(簡(jiǎn)稱trade-off效應(yīng)),即分離選擇性好的材料,通常吸附乙炔的容量不高;吸附量高的材料,選擇性又不夠理想,這種現(xiàn)象嚴(yán)重影響了氣體分離技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。
針對(duì)這一問(wèn)題,浙江大學(xué)材料與工程學(xué)院李斌研究員和德州大學(xué)圣安東尼奧分校化學(xué)系陳邦林教授等四個(gè)課題組共同在Advanced Materials雜志上發(fā)表題為“An Ideal Molecular Sieve for Acetylene Removal from Ethylene with Record Selectivity and Productivity”的研究論文。研究人員巧妙的設(shè)計(jì)了一種理想的金屬-有機(jī)框架材料(UTSA-200),該材料具有極小的一維孔道(3.4 Å),這個(gè)孔道大小與乙炔分子(3.3 Å)相當(dāng),而遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于乙烯分子的大?。?.2 Å)。因此,這個(gè)材料的孔道表現(xiàn)出了理想的分子篩效應(yīng),能有效地吸附乙炔氣體,而完全排除乙烯分子不被吸附。同時(shí)孔道周圍排布著大量的無(wú)機(jī)陰離子功能基團(tuán),能進(jìn)一步提高材料對(duì)乙炔氣體的辨識(shí)和吸附能力。研究表明UTSA-200不僅表現(xiàn)了目前最高的分離選擇性(超過(guò)6000,遠(yuǎn)高于之前報(bào)道的最好材料的44.8),而且表現(xiàn)了超強(qiáng)的乙炔捕獲和吸附能力。與美國(guó)NIST的周偉(Wei Zhou)研究員合作,通過(guò)DFT理論計(jì)算和中子衍射實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了該材料的分子篩效應(yīng)和超強(qiáng)的分離能力,并確定了乙炔氣體在材料中的吸附結(jié)構(gòu)和機(jī)理。實(shí)際的穿透實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)混合氣體以一定流速通入裝有UTSA-200的吸附柱,乙炔被完全吸附而被除去,得到高純
乙烯氣體(99.9999%)。得益于其超強(qiáng)的乙炔吸附能力和完全地分子篩效應(yīng),該材料表現(xiàn)出了創(chuàng)記錄高的高純乙烯生產(chǎn)能力(87.5 mol/kg per cycle)及同時(shí)產(chǎn)生高純乙炔(97%)的能力。另外,該材料還表現(xiàn)了較好的穩(wěn)定性,在重復(fù)分離實(shí)現(xiàn)12次后其分離性能沒(méi)有發(fā)生改變;在少量水,CO2和O2等干擾氣體的存在下也能保持分離性能。該研究成果不僅大大提高了乙烯/乙炔的分離能力,實(shí)現(xiàn)了在這個(gè)重要的工業(yè)分離上的新突破,而且也為其它重要?dú)怏w的分離提供了新的設(shè)計(jì)思路。