暨南大學的丙烯/丙烷分離技術獲突破

近日，暨南大學研究團隊基于金屬-有機框架材料(MOF)吸附分離技術，首次提出正交陣列動態篩分機制，成功構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。相關研究成果發表于《自然》雜志。

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

MOF是一類由金屬節點和有機配體通過自組裝形成的具有確定組成與結構的晶態多孔材料。和傳統多孔材料(分子篩、活性碳等)相比，MOF具有可設計剪裁的框架和豐富多樣的孔道結構。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能夠將烷烴共吸附最小化，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，導致吸附-解吸動力學緩慢，能量效率低。

為解決上述問題，該研究團隊成功構筑擁有三維網格結構的JNU-3材料，沿著晶體學a軸是0.45 nm×0.53 nm的一維通道，在一維通道兩側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“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過程。

研究發現，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，根據解吸曲線，當混合氣體流速分別為1 mL/min和6 mL/min時，丙烯分離產能分別為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/丙烷的分離性能優異。