Advanced Materials:多孔芳香骨架(PAF)薄膜的乙炔高效分离

轻质烃是一种重要的化工原料,尤其是乙炔和乙烯;乙炔被誉为“有机化工之母”,乙烯是石油化工行业中的核心原料。在高纯乙炔或乙烯的生产过程中(纯度≥99%),乙炔/乙烯分离是整个过程中一个至关重要环节。因此,发展高效分离技术是获取高纯乙炔气体的前提,也是推动乙炔工业发展的源动力。

传统乙炔分离方法(低温蒸馏、溶剂吸收、固体吸附)存在潜在劣势,例如:能耗高、操作复杂、安全性差等。薄膜分离是有望实现乙炔高效分离的新型低碳技术,其中复合基质膜因其有机结合了分散质与基质的优点,成为薄膜分离中的杰出代表。然而,目前使用的高分子膜在乙炔乙烯分离方面普遍存在一个选择性与通量难以兼备的trade-off效应(选择性高通量则低,反之亦然),这严重限制了薄膜技术的发展和应用。

针对上述问题,东北师范大学邹小勤教授和朱广山教授团队凭借在多孔芳香骨架材料(Porous Aromatic Framework,PAF)中的研究经验,提出了离子置换策略可控调节PAF薄膜的孔道性质,实现了乙炔分离性能的突破。以iPAF-1为研究平台,以离子置换的方式将OH-和F-碱性阴离子引入至iPAF-1孔道中。该方法较其他途径具有明显优势:置换后的iPAF-1-OH和iPAF-1-F保持了iPAF-1-Cl母体材料的孔道结构与高比表面积;限域离子改变了材料孔道内部微观环境,优化了骨架与乙炔分子的结合力,增强了乙炔分子的专一识别。静态吸附实验与DFT理论计算证实了材料对乙炔的选择性识别并阐明了其作用机理。

得益于结构上的独特性质,以iPAF-1-OH为代表分散质制备的iPAF-1-OH/6FDA-ODA复合基质薄膜具有优异的乙炔分离性能:iPAF-1-OH的引入不仅大幅提高了复合膜的气体渗透率,而且显著提升了乙炔的渗透选择性。iPAF-1-OH/6FDA-ODA复合膜在乙炔通量以及乙炔/乙烯分离选择性较纯基质6FDA-ODA分别提高了七倍和五倍。这种增强效应在乙炔/乙烷体系中也得到了充分体现。另外,该薄膜还表现出了较好的稳定性,在连续工作三天后其分离性能没有任何改变;此膜同样适用于低乙炔浓度的混合气体体系,保持着高效分离性能。

该项研究不仅为功能导向多孔材料的设计合成提供了新思路,也为薄膜分离技术的发展奠定了基础。相关论文发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201907449)上。

该项研究得到了国家自然科学基金委重点项目和面上项目(21531003,21971035),“111”计划(B18012),吉林省科技厅面上和优秀青年项目(20170101198JC,20190103017JH)的资助。