论文标题：Zeolites for the separation of ethylene, ethane, and ethyne

期刊：Frontiers of Chemical Science and Engineering

作者：Binyu Wang, Qiang Li, Haoyang Zhang, Jia-Nan Zhang, Qinhe Pan, Wenfu Yan

发表时间：15 Sept 2024

DOI：10.1007/s11705-024-2459-4

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乙烯（C₂H₄）作为合成塑料、聚酯、橡胶等大宗化学品的核心原料，其全球需求量预计在2030年将达到2.87亿吨。在工业生产中，乙烯产物常伴随乙烷（C₂H₆）、乙炔（C₂H₂）等杂质，需要提纯至99.95%以上才能满足下游工艺要求。目前主流的低温精馏技术虽然成熟但是能耗极高，因此开发低能耗的替代方案成为研究热点。沸石作为一类具有规则微孔结构的硅铝酸盐晶体，其可调的孔道尺寸与阳离子位点可通过物理吸附与化学相互作用实现分子识别，在C₂烃分离领域展现出显著的潜力。

吉林大学化学学院闫文付教授等在《Frontiers of Chemical Science and Engineering》发表了题为“Zeolites for the separation of ethylene, ethane, and ethyne”（用于乙烯、乙烷和乙炔分离的沸石）的综述论文，系统梳理了沸石基吸附剂在C₂H₄/C₂H₆/C₂H₂分离中的研究进展，涵盖分离原理、材料设计、性能优化及工业应用前景，为低能耗分离技术开发提供了理论与实验依据。

沸石的分离性能源于其独特的物理化学特性：其骨架由TO₄（t = Si/Al）四面体构成周期性孔道（< 2 nm），孔内可交换阳离子（如Na⁺、Ca²⁺、Ag⁺），通过阳离子-π相互作用或π络合增强对不饱和烃的吸附亲和性。例如，C₂H₂（7.2×10^-26esu·cm²）和C₂H₄（1.5×10^-26 esu·cm²）的四极矩显著高于C₂H₆（0.65×10^-26 esu·cm²），这使得前两者更易与阳离子结合形成稳定吸附。

图1 C₂H₆、C₂H₄和C₂H₂的结构。

在分离机制方面，研究重点分析了多种沸石的性能：13X沸石通过Na⁺与C₂H₄的阳离子-π作用实现优先吸附，其C₂H₄吸附热达37.5 kJ·mol^-¹，显著高于C₂H₆的25 kJ·mol^-¹；纯硅沸石ITQ-55则利用孔道柔性机制，在吸附C₂H₄时孔径从2.38 Å扩张至3.08 Å，从而实现了对C₂H₆的分子筛分。另一方面，Ag⁺或Cu⁺改性沸石（如AgA、Cu(I)Y）通过π络合进一步提升了选择性，例如AgA沸石中Ag⁺与C₂H₄能够形成稳定的π络合物，同时Ag₂O纳米颗粒将孔径缩小至4.3 Å，通过空间位阻排斥C₂H₆（4.4 Å）。此外，Ca²⁺交换的LTA沸石（5A）在6元环位点形成高能吸附中心，其C₂H₄吸附容量达2.94 mmol·g^-¹，且粒径优化可进一步提升选择性。

图2 ITQ-55沸石的结构描述。

图3 （左） A型沸石（LTA）的结构和（右）X型沸石（FAU）的结构。

图4 Ag改性LTA沸石的阳离子位置及位点定义示意图。

综上所述，沸石基吸附剂凭借高热稳定性、低成本及可调控的孔结构与化学位点，在C₂烃分离中展现出优于金属有机框架（MOFs）等材料的工业应用潜力。目前研究已实现C₂H₄纯度 > 99.5%、C₂H₆纯度 > 99.99%的动态分离，但仍面临材料性能优化、成型工艺及规模化应用等挑战。未来的研究需要聚焦在阳离子位点精准调控、拓扑结构创新及工业级验证，以推动沸石吸附分离技术的产业化进程。

引用信息

Binyu Wang, Qiang Li, Haoyang Zhang, Jia-Nan Zhang, Qinhe Pan, Wenfu Yan. Zeolites for the separation of ethylene, ethane, and ethyne. Front. Chem. Sci. Eng., 2024, 18(9): 108 https://doi.org/10.1007/s11705-024-2459-4

本文来自

Porous materials for catalysis and separation

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