塑料、家電、醫(yī)療器械、合成纖維、化妝品……生活中很多化工產(chǎn)品的原料都是丙烯。丙烯是世界上產(chǎn)量最大的化工品之一，也是重要的基礎(chǔ)化工原料。
然而在工業(yè)生產(chǎn)中，丙烯與丙烷就像是一對好朋友總是在一起，很難簡單分離?！蹲匀弧冯s志曾指出，發(fā)展高效節(jié)能的烯烴烷烴分離技術(shù)被譽為七項可以改變世界的化工分離過程之一。
日前，浙江大學化學工程與生物工程學院、杭州國際科創(chuàng)中心邢華斌教授、楊立峰研究員團隊研發(fā)出一種新型陰離子功能化多孔材料ZU-609，通過調(diào)控孔口大小和孔腔尺寸，實現(xiàn)了丙烯丙烷的精準篩分與高丙烯擴散速率。這對于丙烯的低碳分離具有積極影響。
相關(guān)論文于北京時間2023年12月15日以“First Release”形式在線發(fā)表在國際頂級期刊《科學》（Science）。
丙烯與丙烷為何“難舍難分”？
丙烯與丙烷通過石油提煉而成，相互共存。它們兩個長得像“雙胞胎”，只有兩個氫原子的差別，而且大小也非常接近，兩者分子尺寸差異僅為0.4 ?，相當于百分之四個納米，正因如此，要把丙烯與丙烷精準而快速地分離開來極具挑戰(zhàn)。
分子篩分是實現(xiàn)尺寸相似物質(zhì)高選擇性識別的關(guān)鍵機理。其基本原理就是僅允許尺寸比吸附劑孔口小的分子進入孔道，尺寸大的分子被阻擋。
理論很完美，現(xiàn)實很殘酷。由于狹窄的孔道會限制分子在內(nèi)部的擴散，分子篩分材料長期以來面臨著擴散傳質(zhì)差、吸附容量低、脫附難度大等問題，從而嚴重影響分離效率。
“為了提高烯烴通過速率，工業(yè)中常用高溫來‘驅(qū)趕’氣體快點‘跑’?！毙先A斌說，但是這種方式降低了吸附劑的工作容量，也增加了分離過程能耗，不利于工業(yè)的大規(guī)模推廣，“熱驅(qū)動的烯烴生產(chǎn)過程的碳排放約占到全球總碳排放量的1%，是非常耗能的?！?/span>
如何在有限的空間里實現(xiàn)物質(zhì)快速傳遞，即化學工程的“限域擴散傳質(zhì)”難題，一直是前沿研究領(lǐng)域。邢華斌說，在實驗室的小瓶小罐里實現(xiàn)烯烴/烷烴精準分離，放到工廠里幾百方幾千方大小的裝置設(shè)備里就不一定管用了，因此讓分離過程更“快”，是提高化工過程效率的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，對于工業(yè)應(yīng)用具有重要意義。
新型分子篩“快準狠”
由此，浙大科研人員精準調(diào)控，研發(fā)出快速、高效、低碳的分子篩材料ZU-609。這個新型分子篩材料通過對孔口的精準控制，僅允許丙烯分子進入，阻擋丙烷分子的通過，達到快速精準識別的效果。
圖1. 分子篩材料ZU-609的局部篩分孔道結(jié)構(gòu)圖及丙烯擴散系數(shù)和丙烯丙烷分離能耗（來自于變壓吸附模擬計算）
為了讓分離過程更快速，浙大研究人員采用了“兩頭小中間大”的篩分孔道，在孔道的進口和出口分別有“隔離墩”來阻擋丙烷分子，丙烯進入之后，又能在“中間寬”的孔道中快速通過，擴散系數(shù)相比于之前的分子篩材料提高了1-2個數(shù)量級。
分離的高效則表現(xiàn)在，通過ZU-609分子篩，可從等摩爾丙烯丙烷混合氣中分離得到99.97%純度丙烯。同時材料還表現(xiàn)出優(yōu)異的脫附再生能力，常溫下通過氮氣吹掃或者抽真空減壓就可以實現(xiàn)材料完全再生。
“我們研制的新型分子篩，既能夠快速拉住通過其中的丙烯分子，同時還能夠快速放手，這為高效低碳分離丙烯奠定了基礎(chǔ)。”楊立峰說。
變壓吸附計算結(jié)果表明，ZU-609丙烯分離能耗相較于之前報道的篩分材料降低2倍、丙烯生產(chǎn)效率提高2倍?！拔覀兊难芯繛槲⒖讛U散傳質(zhì)強化這一化學工程核心問題提供了新思路，為低碳分離技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。”邢華斌介紹，這也有利于超高純電子化學品的國產(chǎn)化制備。
浙江大學化學工程與生物工程學院2019級博士生崔稷宇為論文第一作者，邢華斌和楊立峰為論文通訊作者。研究得到了國家自然科學基金（22122811、22227812和22108240）、浙江省自然科學基金（LR20B060001）的資助。
