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浙大Science发文:乙烯乙炔分离技术获重大进展

发布时间:2016-05-20来源:浙大新闻办作者:夏平 周炜浏览次数:16133


(此视频只是简单演示分离机理,事实上一个晶胞吸附4个乙炔分子。)
    

图1:杂化多孔材料分离乙炔乙烯示意图及实验穿透曲线


    美国当地时间5月19日,Science杂志在线发表浙江大学化学工程生物工程学院邢华斌实验室与国际合作者的研究进展:采用杂化多孔材料分离乙炔和乙烯,可兼具高分离选择性与高吸附容量。这一研究被认为是气体吸附分离技术领域的一大突破,为相关气体分离技术的发展提供了新的思路。
    
    
相关论文 Pore chemistry and size control in hybrid porous materials for acetylene capture from ethylene(杂化多孔材料孔化学和尺寸控制实现乙炔乙烯分离)中,浙江大学为论文第一完成单位,邢华斌教授、利莫瑞克大学MichaelJ.Zaworotko教授、德克萨斯大学圣安东尼奥分校陈邦林教授为论文共同通讯作者;浙大化工学院博士生崔希利和利莫瑞克大学陈凯杰为共同第一作者。
    
    
近年来,随着天然气、页岩气和乙烯等气体成为越来越重要的能源和化工原料,研发高效节能的气体分离技术就越迫切。但是,气体分离过程中普遍存在选择性和容量难以兼具的现象(trade-off效应)。选择性好的材料,往往吸附的容量不高;吸附容量高的,又在选择性上差强人意。邢华斌说:“这就像一个跷跷板,一头沉下去,另一头就得翘起来。”
    
    
邢华斌教授与合作者选取化学工业重要气体—乙烯和乙炔作为分离对象,他们是非常重要的化工原料。乙烯生产的技术水平、产量和规模标志着一个国家石油化工业的发展水平,乙炔则被誉为“有机化工之母”。在聚合级乙烯和乙炔的生产过程中,至关重要的一步是乙炔和乙烯的分离。课题组首次提出了离子杂化多孔材料吸附分离乙炔和乙烯的方法。
    
    
该材料拥有三维网格结构,网格上嵌有的无机阴离子通过氢键作用可专一性的识别乙炔分子,获得迄今为止最佳的乙炔乙烯分离选择性(39.7-44.8)。与此同时,调控阴离子的空间几何分布和孔径大小,促使被吸附的乙炔分子之间或乙炔-多孔材料之间形成协同作用,获得极高的乙炔吸附容量(0.025bar时达2.1mmol/g)。从而解决了传统气体吸附过程选择性和容量难以兼具的巨大挑战。与美国NIST的周伟研究员合作,采用中子衍射验证了杂化多孔材料吸附乙炔的结构和机理。“我们使用的材料不但‘专一’,而且‘胃口’很大。”邢华斌教授说,“令人感兴趣的是,我们第一次发现每四个乙炔分子可以手拉手,形成团簇,这样材料的‘胃口’就更大了。”
    
    
针对乙烯中痕量乙炔脱除这一工业重要过程,文章所报道的杂化多孔材料的动态吸附容量是目前已知最佳吸附剂的5.7倍,且吸附穿透曲线十分陡峭,表明该材料具有优秀的扩散传递性能,这对未来的工业应用十分关键。文章第一作者崔希利博士向记者展示了实验室中应用该材料分离乙烯和乙炔的过程:将杂化多孔材料装填入吸附柱中,混合气体以一定流速通入吸附柱,乙炔被完全吸附,得到高纯度乙烯。
    
    
该研究成果不仅为乙烯和乙炔的高效分离与过程的节能降耗提供解决方法,而且也为其它重要气体的分离提供了新的思路。Science杂志的三位审稿专家对这篇文章均给予很高评价。认为文章报道的吸附分离性能非常令人惊讶,在乙炔分离领域设立了新的标杆。
    
    
该项研究得到了国家自然科学基金优秀青年基金项目、重点项目和面上项目,以及中组部“万人计划”青年拔尖人才、教育部新世纪优秀人才、浙江省杰出青年基金和中央高校基本科研业务费优秀青年人才计划的资助。浙江大学杨启炜副研究员、鲍宗必副教授和任其龙教授是论文的作者之一。
    
    
邢华斌教授在离子材料分离乙炔乙烯领域进行了长期研究,采用分子模拟揭示了乙炔和乙烯选择性分离中的氢键识别机理及阴离子的关键作用(J. Phys. Chem. B, 2012, 116, 3944、Ind. Eng. Chem. Res, 2013,52, 9308)。在吸收分离方向,设计离子液体获得了文献报道最高的乙炔吸收容量(AIChE J. 2015, 61, 2016)。
    

    (夏平 周炜)