丙烷|筛分新材料“吸”出高纯丙烯( 二 ) 筛分|三维网格|空气分离|吸附

“该材料的分离机理是，将扩散通道和分离窗口分开来，气体分子在扩散通道内可以快速扩散，扩散孔道两侧是具有动态的分子口袋。在分离丙烷/丙烯的过程中，丙烷和丙烯可以在一维通道中快速扩散，而动态的分子口袋可以选择性地捕获丙烯分子。”李丹对《中国科学报》解释道。
研究人员通过原位单晶衍射和计算模拟，解析了丙烯和丙烷分子与JNU-3a相互作用的筛分机制和动态过程。结果发现，丙烯/丙烷（50/50）混合物在25摄氏度下，以每分钟1毫升的总流速流过填充床，丙烷首先通过，未被丙烯污染，收集到的丙烷纯度不低于99.99% 。一段时间后，吸附剂达到饱和，丙烯发生穿透，出口气流中的丙烯和丙烷迅速达到等摩尔浓度，表现出JNU-3a材料的优异突破性。
在丙烯的脱附过程中，根据丙烯的解吸曲线，混合气体流速为每分钟1毫升、6毫升时，丙烯的生产能力分别为34.2 升/公斤和53.5升/公斤，纯度均达到99.5% 。即使在50%相对湿度的潮湿条件下，流速为每分钟6毫升等摩尔丙烯/丙烷混合气，丙烯分离的生产能力也高达44.9升/公斤（99.5%）。
“实验表明，JNU-3a材料的可回收性和防潮性均明显优于文献报道的材料，获得了迄今为止最佳的丙烯/丙烷分离效果。”李丹说。
指引分离材料设计方向
“这些优异的分离特性归因于潜在的分离机制，即正交阵列动态分子筛。”李丹说，“这种全新的筛分机制，可能指引下一代分离材料的设计方向。它不仅有可能实现大的分离容量，还有可能实现快速的吸附—解吸，这两者都将有助于吸附分离中的节能。”
实验过程中，研究人员以纯丙烯为例，用氦气吹扫作为再生方法，进行了连续突破实验。证明了JNU-3a可以在氦气吹扫下完全再生，并且在50次吸附—解吸循环后，没有明显的吸附容量损失。
“我们还对等摩尔丙烯和丙烷混合物进行了连续穿透测量，在8个连续的吸附—解吸循环中，观察到丙烯和丙烷的保留时间几乎相同，表明丙烯吸附能力和丙烯/丙烷分离能力没有损失。”该论文第一作者、暨南大学博士研究生曾恒对《中国科学报》说，“该实验可以分为两个部分，首先是吸附，将不同流速的丙烯/丙烷混合气通过吸附柱至吸附饱和。然后是脱附，用每分钟10 毫升的氦气将吸附在柱子上的气体清扫出来。”
脱附过程中，研究人员主要关注吸附在柱子上的气体组分，并未尝试不同流速的氦气。在吸附分离过程中，实验结果表明，该材料可以适应较大的流速，一次吸附脱附过程就可以从等摩尔丙烯/丙烷混合气得到聚合级的丙烯，分离容量和丙烯纯度都远远高于对比材料。
陆伟刚表示，目前通过吸附材料来分离丙烯/丙烷还处在实验室阶段，在一些工艺指标上和现在通用的低温精馏技术不太好比较。但可以确定的是，正交阵列动态分子筛具备材料再生容易等多个特点。
“在实际应用中，能够用正交阵列动态分子筛直接替换常用分子筛材料。和传统分子筛材料相比，正交阵列动态分子筛的预处理（活化）过程不需要特别高的温度，其水/空气稳定性以及热稳定性都能满足工业分离的要求。”李丹说。
【丙烷|筛分新材料“吸”出高纯丙烯】寻求绿色的分离方案，是未来实现碳达峰、碳中和的重大需求。下一步，该研究团队将继续开发优先吸附丙烷的材料，希望这样的“反转选择性”技术能够从丙烷/丙烯混合物中一步得到高纯丙烯，进一步提高能源和分离工艺的效率。

丙烷|筛分新材料“吸”出高纯丙烯( 二 )

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