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浙江大學邢華斌教授、楊立峰研究員團隊Science！實現了丙烯丙烷的精準篩分與高丙烯擴散速率
來源：浙江大學 2023-12-15
導讀：浙江大學化學工程與生物工程學院、杭州國際科創中心邢華斌教授、楊立峰研究員團隊研發出一種超快吸附動力學分子篩ZU-609，通過調控孔口大小和孔腔尺寸，實現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。這一重要成果于北京時間2023年12月15日以“First Release" 形式在線發表在《科學》上。
塑料、家電、醫療器械、合成纖維、化妝品……生活中很多化工產品的原料都是丙烯。丙烯是世界上產量最大的化工品之一，也是重要的基礎化工原料。
然而在工業生產中，丙烯與丙烷就像是一對好朋友總是在一起，很難簡單分離。《自然》雜志曾指出，發展高效節能的烯烴烷烴分離技術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、杭州國際科創中心邢華斌教授、楊立峰研究員團隊研發出一種新型陰離子功能化多孔材料ZU-609，通過調控孔口大小和孔腔尺寸，實現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。相關論文于北京時間2023年12月15日以“First Release”形式在線發表在《科學》。
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。分子篩分是實現尺寸相似物質高選擇性識別的關鍵機理。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，現實很殘酷。由于狹窄的孔道會限制分子在內部的擴散，分子篩分材料長期以來面臨著擴散傳質差、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，工業中常用高溫來‘驅趕’氣體快點‘跑’。”邢華斌說，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，不利于工業的大規模推廣，“熱驅動的烯烴生產過程的碳排放約占到全球總碳排放量的1%，是非常耗能的。”如何在有限的空間里實現物質快速傳遞，即化學工程的“限域擴散傳質”難題，一直是前沿研究領域。邢華斌說，在實驗室的小瓶小罐里實現烯烴/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鍵技術挑戰，對于工業應用具有重要意義。
由此，浙大科研人員精準調控，研發出快速、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。分子篩材料ZU-609的局部篩分孔道結構圖及丙烯擴散系數、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，擴散系數相比于之前的分子篩材料提高了1-2個數量級。分離的高效則表現在，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。同時材料還表現出優異的脫附再生能力，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。”楊立峰說。變壓吸附計算結果表明，ZU-609丙烯分離能耗相較于之前報道的篩分材料降低2倍、丙烯生產效率提高2倍。“我們的研究為微孔擴散傳質強化這一化學工程核心問題提供了新思路，為低碳分離技術發展奠定了基礎。”邢華斌介紹，這也有利于超高純電子化學品的國產化制備。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。
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