暨南大学的丙烯/丙烷分离技术获突破

近日，暨南大学研究团队基于金属-有机框架材料(MOF)吸附分离技术，首次提出正交阵列动态筛分机制，成功构筑一例基于该分离机制的框架材料(JNU-3)，可用于丙烯/丙烷吸附分离。相关研究成果发表于《自然》杂志。

丙烯是全球产量最高的基础有机化工原料之一，年产量超过100 Mt。丙烷裂解生产丙烯是工业界重要的技术路线，但该技术不能直接得到高纯度丙烯。为去除残留的丙烷，往往需要高昂的设备投资和巨大的能量消耗，因此开发更环保的分离技术势在必行。

MOF是一类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。和传统多孔材料(分子筛、活性碳等)相比，MOF具有可设计剪裁的框架和丰富多样的孔道结构。MOF用于烯烃/烷烃混合物分离主要是基于裸露金属位点的π电子络合作用和孔道尺寸的筛分作用两种常见策略。裸露金属位点在一定程度上能共吸附烷烃，但难以分离出高纯度烯烃，且还具有水分敏感性。基于刚性分子筛效应能够将烷烃共吸附最小化，烯烃/烷烃选择性最大化。但由于尺寸匹配的分子必须穿过许多小孔，难以达到吸附平衡，导致吸附-解吸动力学缓慢，能量效率低。

为解决上述问题，该研究团队成功构筑拥有三维网格结构的JNU-3材料，沿着晶体学a轴是0.45 nm×0.53 nm的一维通道，在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一个约0.37 nm的动态“葫芦形”窗口相连。气体可在一维通道中快速扩散，分子口袋则通过“葫芦形”窗口选择性地捕获丙烯分子，丙烯/丙烷分离效果较好。该研究团队通过原位单晶衍射和模拟计算解析了丙烯和丙烷分子与JNU-3相互作用的筛分机制和动态过程。

研究发现，丙烯/丙烷等摩尔比混合物在温度298 K下以1 mL/min的流速流过填充床，丙烷先通过，未被丙烯污染，收集到的丙烷纯度不低于99.99%。一段时间后吸附剂达到饱和，丙烯发生穿透，出口气流中的丙烯和丙烷迅速达到等摩尔比。在丙烯脱附过程中，根据解吸曲线，当混合气体流速分别为1 mL/min和6 mL/min时，丙烯分离产能分别为34.2 L/kg和53.5 L/kg，丙烯纯度均为99.5%。即使在相对湿度为50%的条件下，丙烯/丙烷等摩尔比混合气流速为6 mL/min时，丙烯分离产能也可达44.9 L/kg，丙烯纯度为99.5%。表明JNU-3材料对丙烯/丙烷的分离性能优异。