筛分新材料“吸”出高纯丙烯曾恒在实验室测试气体吸附性

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曾恒在实验室测试气体吸附性能。受访者供图
采访人员张双虎朱汉斌
丙烯是全球产量最高的化工原料之一，在防护口罩、医疗器械、塑料制品制造中不可或缺。丙烷裂解是工业生产丙烯的重要技术路线。然而，这一技术却无法直接获得高纯度丙烯，往往需要消耗大量能源来去除残留丙烷。因此，寻求绿色的丙烯/丙烷分离方案成为当前工业界的重大需求。
近日，暨南大学化学与材料学院教授陆伟刚和李丹团队提出一种新的分离机制——正交阵列动态筛分，并构筑出一类拥有三维网格结构的金属—有机框架材料，可以在节能的同时高效吸附丙烯分子，获得了迄今为止最佳的丙烯/丙烷分离效果。
该研究成功解决了传统分子筛吸附动力学缓慢和吸附量低的问题，也为设计下一代分离材料指明新方向。相关论文已在线发表于《自然》。
【筛分新材料“吸”出高纯丙烯】传统分子筛的“局限”
丙烯主要通过石油催化裂解或丙烷脱氢来制备，其中丙烯/丙烷分离被认为是化工领域最重要的分离过程之一。2016年，美国佐治亚理工学院两名学者在《自然》撰文，归纳出七大能源密集型化学分离过程，其中就包括丙烯/丙烷分离。
低温精馏技术将丙烯从丙烯/丙烷的混合物中提取出来，需要将丙烯/丙烷混合气体通过冷却、降温到零下数十摄氏度，达到丙烷的沸点，从而将其液化，使丙烯气体分离。由于降温过程能耗巨大，并且丙烷、丙烯这两种气体分子具有非常相似的尺寸和相近的沸点，低温精馏提纯的效率很低。
全球在制备高纯度丙烯和乙烯过程中，一年的能源消耗量可达486太瓦时（合4860亿度电）。因此，化学分离技术的进步不但有利于节约能源消耗，而且能够降低污染、减少二氧化碳排放，甚至能开辟获取世界关键资源的新途径。
“丙烷脱氢制备丙烯技术不能直接得到聚合级的丙烯（纯度≥99.5 %）。为提取高纯度丙烯，工业上采用的低温精馏技术不但需要昂贵的设备投入，也需要巨大的能量消耗。”陆伟刚告诉《中国科学报》。
分子筛分离是一项很有前景的技术，已被广泛应用于石油化工、煤化工、空气分离与净化、环境治理等多个领域。
“传统分子筛吸附剂是一类含硅氧结构的无机多孔材料，其分离应用面临许多挑战。”陆伟刚说， “例如，精确的孔径设计就很困难，因为扩散通道和分离窗口是通过串联连接，气体分子从孔道外扩散到孔道内，或从孔道内扩散到孔道外，必须多次经过狭窄的窗口或通道，就像旅客下飞机要通过登机桥一样，这导致它的吸附/脱附动力学非常缓慢。”
获得最佳分离效果
金属—有机框架材料（MOF）是一类新兴的晶态多孔材料。和传统的多孔材料（分子筛、活性炭等）相比， MOF由有机配体配位的金属原子或原子簇构成一维、二维或三维的结构，可用于气体吸附、气体储存、气体分离、催化剂等领域。开发具有功能多样性的MOF以及复合MOF ，并应用于不同领域，将极大促进学科间的相互发展。
在前期研究基础上，该团队针对MOF ，首次提出正交阵列动态筛分机制，成功构筑了一例基于该分离机制的框架材料JNU-3a（JNU为暨南大学简称）。
该材料拥有三维网格结构，沿着晶体a轴有4.5×5.3埃（长度单位， 1埃相当于0.1纳米）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3.7埃的动态“葫芦形”窗口相连。气体可以在一维通道中快速扩散，而分子口袋则通过“葫芦形”窗口选择性地捕获丙烯分子，从而达到分离丙烯/丙烷的效果。