作者:邢华斌等 来源:《科学》 发布时间:2016/5/20 9:01:08
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科学家在乙烯乙炔分离技术中获突破

 

近年来,人类社会的能源和资源越来越依赖于天然气、页岩气和乙烯等气体,这对高效节能的气体分离技术提出了迫切需求。然而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)。由于这一限制,工业界往往以高昂的设备投资和巨大的能量消耗作为代价,来实现高纯气体制备。

浙江大学化学工程与生物工程学院邢华斌实验室,联合6个国家科研人员,采用离子杂化多孔材料,突破了气体分离选择性和容量之间的trade-off效应,实现了乙炔乙烯的高效分离。这一研究被认为是气体吸附分离技术领域的一大突破,研究论文由《科学》杂志在5月20日在线发表(DOI: 10.1126/science.aaf2458)。

论文选取化工重要原料乙烯和乙炔气体为研究对象。乙烯是目前人类制造的最大量的化学品(1.6亿吨/年),乙烯生产的技术水平和规模标志着一个国家石油化学工业的发展水平。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。邢华斌教授与合作者首次提出了离子杂化多孔材料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。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。从而解决了传统气体吸附过程分离选择性和容量难以兼具的巨大挑战。

实验室中应用该材料分离乙烯和乙炔的过程是将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。分离结束后,采用惰性气体吹扫或加热抽真空方法可以实现材料的再生和乙炔气体的回收。整个过程简单、高效和节能。

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。《科学》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。

邢华斌告诉《中国科学报》记者,乙炔乙烯分离这个方向他们组做了约六年时间,而此次《科学》文章报道的研究成果历时近三年。他们下阶段工作有两方面,一是体系拓展,应用到其他气体的分离,二是力争把乙炔乙烯分离技术走向实际工业应用。

邢华斌教授、利莫瑞克大学Michael J. 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;浙江大学博士生崔希利和利莫瑞克大学陈凯杰博士后为共同第一作者。该项研究得到了国家自然科学基金优秀青年基金项目、国家“万人计划”青年拔尖人才、教育部新世纪优秀人才等项目的资助。(来源:科学网 崔雪芹)

 
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