Advanced Materials:用于乙炔乙烯选择性分离的离子型超微孔聚合物的制备

乙烯是石油化学工业的基础原料,通过烃类物质裂解产生的乙烯中不可避免地存在少量乙炔。然而,乙炔和乙烯分子结构和理化性质十分相似。因此,实现二者高效分离在石化工业中至关重要,且极具挑战,其在分子动力学尺寸和酸性上存在的微小差异为分离提供了可能。目前,金属有机框架材料等虽实现了乙烯乙炔的高效分离,但仍面临难以长期稳定使用的挑战。多孔有机聚合物具有高稳定性的突出优点,适于工业应用,但现有多孔聚合物难以辨识乙烯乙炔的微小差异,分离选择性较低。因此,针对乙烯乙炔分离的课题,亟需发展高稳定性和高选择性的多孔分离材料。

浙江大学化学工程与生物工程学院低碳烃与药物分离课题组邢华斌教授团队针对这一问题,利用超支化两亲性离子液体,采用共价和离子双交联的策略,制备了具有高阴离子密度和窄孔径分布的IUPs,并第一次采用多孔聚合物实现了乙烯乙炔的高选择性分离, IUP表现出优异的固定床分离性能、高稳定性和优秀的循环使用性能。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201907601)上。

通过引入刚性的苯环骨架,调节超支化结构和阴离子种类,研究人员合成一系列不同结构和性质的IUPs。该类IUPs具有出色的乙炔乙烯分离能力。性能最佳的IUP为阴离子为SiF62-的P(Ph-3MVIm-SiF6) ,298 K下,P(Ph-3MVIm-SiF6) 对乙炔吸附量高达29.5 cm3 g−1,而乙烯吸附量仅为3.09 cm3 g−1。利用理想溶液吸附理论(IAST)计算出其对乙炔/乙烯的选择性高达286.1-474.4,远高于已报道的多孔聚合物和大多数MOFs。并且超支化程度越高,IUPs对乙炔的吸附容量越高。此外,阴离子的碱性越强,IUPs对乙炔的吸附容量越高,选择性也越高。分子模拟的结果也阐明了IUPs的成孔机理,验证了阴离子强氢键识别作用和尺寸筛分机制。同时,研究人员模拟了实际的工业流程, IUPs表现出优秀的固定床分离性能,高稳定性和循环使用性能,使其更有潜力应用于工业生产工程。这项研究给用于其它混合气体的分离的其它超微孔材料的设计提供了思路。