作者:邢华斌等 来源:《科学》 发布时间:2023/12/15 13:32:41
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丙烯丙烷高纯分离技术迈出重要一步

 

丙烯是世界上产量最大的化工品之一,也是重要的基础化工原料。在工业生产中,丙烯与丙烷就像是一对好朋友总是在一起,很难简单分离。

日前,浙江大学化学工程与生物工程学院、杭州国际科创中心教授邢华斌、研究员杨立峰研究团队研发出一种新型阴离子功能化多孔材料ZU-609,通过调控孔口大小和孔腔尺寸,实现了丙烯丙烷的精准筛分与高丙烯扩散速率。这对于丙烯的低碳分离具有积极影响。成果论文在12月15日在线发表于《科学》。

分子筛材料ZU-609的局部筛分孔道结构图及丙烯扩散系数和丙烯丙烷分离能耗(来自于变压吸附模拟计算)(浙大供图)

 

丙烯与丙烷通过石油提炼而成,它们只有两个氢原子的差别,而且大小也非常接近,两者分子尺寸差异仅为0.4 ?,相当于百分之四个纳米,正因如此,要把丙烯与丙烷精准而快速地分离开来极具挑战。

分子筛分是实现尺寸相似物质高选择性识别的关键机理。其基本原理就是仅允许尺寸比吸附剂孔口小的分子进入孔道,尺寸大的分子被阻挡。

“为了提高烯烃通过速率,工业中常用高温来‘驱赶’气体快点‘跑’。”邢华斌说,但是这种方式降低了吸附剂的工作容量,也增加了分离过程能耗,不利于工业的大规模推广,“热驱动的烯烃生产过程的碳排放约占到全球总碳排放量的1%,是非常耗能的。”

如何在有限的空间里实现物质快速传递,即化学工程的“限域扩散传质”难题,一直是前沿研究领域。

为了让分离过程更快速,浙大研究人员采用了“两头小中间大”的筛分孔道,在孔道的进口和出口分别有“隔离墩”来阻挡丙烷分子,丙烯进入之后,又能在“中间宽”的孔道中快速通过,扩散系数相比于之前的分子筛材料提高了1-2个数量级。

分离的高效则表现在,通过ZU-609分子筛,可从等摩尔丙烯丙烷混合气中分离得到99.97%纯度丙烯。同时材料还表现出优异的脱附再生能力,常温下通过氮气吹扫或者抽真空减压就可以实现材料完全再生。

“我们研制的新型分子筛,既能够快速拉住通过其中的丙烯分子,同时还能够快速放手,这为高效低碳分离丙烯奠定了基础。”杨立峰说。

变压吸附计算结果表明,ZU-609丙烯分离能耗相较于之前报道的筛分材料降低2倍、丙烯生产效率提高2倍。“我们的研究为微孔扩散传质强化这一化学工程核心问题提供了新思路,为低碳分离技术发展奠定了基础。”邢华斌介绍,这也有利于超高纯电子化学品的国产化制备。

该研究得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金的资助。(来源:中国科学报 崔雪芹)

相关论文信息:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn8418

 
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