浙江理工大學(xué)教授發(fā)表一項研究成果 可大幅降低丙烯丙烷分離能耗

《自然》雜志曾刊出標(biāo)題為“改變世界的七種化學(xué)分離”的文章，文章指出，全球在制備高純度丙烯和乙烯過程中，一年的能源消耗量相當(dāng)于新加坡全年的能源消耗量，可達(dá)486太瓦時(合4860億度電)。其中丙烯和丙烷的分離，是最耗能的過程之一。

科技日報記者9月6日從浙江理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院獲悉，該學(xué)院特聘教授高俊闊在化學(xué)頂級期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》上發(fā)表了一項研究成果，通過采用一種新型氫鍵—有機(jī)框架材料(HOF)，對丙烯和丙烷氣體分子進(jìn)行吸附分離，可大幅降低丙烯/丙烷分離產(chǎn)生的能耗，為這項困擾全球化工行業(yè)半個多世紀(jì)的難題提供了一種新選擇。

構(gòu)筑多孔結(jié)構(gòu)高效吸附丙烯

丙烯是石油化工的主要原料，在化工、服飾、電器、建材、汽車等各個行業(yè)均有著廣泛的應(yīng)用。作為化纖大國，我國丙烯產(chǎn)能近年來不斷擴(kuò)大。據(jù)行業(yè)統(tǒng)計，2020年，我國丙烯總產(chǎn)能增長至4407萬噸，環(huán)比上漲14.12%。

長期以來，傳統(tǒng)的高純度丙烯制備工藝主要是將丙烯/丙烷混合氣體冷卻降溫到丙烷的沸點(diǎn)，從而將丙烷液化，使得丙烯氣體分離出來。

“由于降溫過程本身能耗巨大，并且丙烷、丙烯這兩種氣體分子具有非常相似的分子大小和相近的沸點(diǎn)，所以提純的效率非常低。”高俊闊介紹，從原油里催化得出的并非化工產(chǎn)業(yè)所需的高純度丙烯，而是丙烯/丙烷的混合物。通過低溫精餾技術(shù)將丙烯從丙烯/丙烷的混合物中提取出來，是目前工業(yè)上最耗能的工藝之一。

近年來，采用多孔材料對目標(biāo)氣體分子進(jìn)行選擇性吸附從而實現(xiàn)氣體分離的吸附分離方法，因能耗低、流程操作簡單等特點(diǎn)而備受學(xué)界、業(yè)界關(guān)注。

吸附分離技術(shù)是利用混合物中各組分在吸附劑表面吸附能力的差異來進(jìn)行分離的操作技術(shù)。高俊闊介紹道，吸附分離技術(shù)的核心在于構(gòu)建適合待吸附分子大小的微孔通道，或是在孔表面建立識別位點(diǎn)以此來篩分不同氣體分子，該技術(shù)已成功應(yīng)用于空氣分離、天然氣提純等工業(yè)規(guī)模的任務(wù)中。

其中，HOF作為一類新興的晶態(tài)多孔材料，由有機(jī)配體分子通過氫鍵作用構(gòu)筑形成多孔結(jié)構(gòu)，在氣體吸附和分離領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

顯著降低能耗助力“雙碳”目標(biāo)

歷經(jīng)6年多的研究，高俊闊團(tuán)隊借助晶體工程和溶劑誘導(dǎo)自組裝的方式，制備出一種新型的孔道中裸露羧基的微孔HOF(以下簡稱HOF-16)，實現(xiàn)了丙烯/丙烷混合物的有效分離。

“這種新型材料的優(yōu)點(diǎn)在于，它能在室溫條件下吸附丙烯，保留丙烷，并通過簡單的真空抽氣、吹入氮?dú)獾确绞?，將吸附在材料里的丙烯迅速釋放還原。”高俊闊解釋說。

他告訴記者，團(tuán)隊成員經(jīng)過實驗檢測，將丙烯/丙烷混合氣體充進(jìn)封閉容器，僅吸附一次后的丙烯氣體純度即可達(dá)95%，吸附兩三次后就可以提純到99%以上。

氣體吸附和分離結(jié)果顯示，得益于合適的孔道尺寸和功能吸附位點(diǎn)形成的孔道限域效應(yīng)，HOF-16對丙烯/丙烷的選擇性遠(yuǎn)優(yōu)于一些典型的羧酸類HOF。

“HOF-16的制備非常簡單。只需把低成本的原材料三苯胺三羧酸在甲醇溶劑中進(jìn)行重結(jié)晶，在實驗室條件下就可以方便地獲得20克級的HOF-16。”高俊闊表示，無論是原材料還是制備過程，都無須苛刻的實驗條件和昂貴的實驗器材。更為重要的是，這項研究成果在實驗條件下可以將制備丙烯的總體能耗降至傳統(tǒng)工藝的60%。

“我國已明確碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，一場廣泛而深刻的系統(tǒng)性變革已在能源、材料等領(lǐng)域拉開大幕。通過優(yōu)化制備工藝從而降低能耗，是實現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)的有效途徑。”高俊闊表示，接下來，團(tuán)隊將致力于研究HOF的孔道尺寸和孔吸附位點(diǎn)的調(diào)節(jié)，進(jìn)一步實現(xiàn)丙烯/丙烷的高效分離，推進(jìn)這一新型材料的量產(chǎn)和工業(yè)化應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 浙江理工大學(xué) 教授 降低 能耗