浙大Science發文:乙烯乙炔分離技術獲重大進展

（此視頻只是簡單演示分離機理，事實上一個晶胞吸附4個乙炔分子。）
    

圖1：雜化多孔材料分離乙炔乙烯示意圖及實驗穿透曲線

    美國當地時間5月19日，Science雜誌在線發表浙江大學化學工程生物工程學院邢華斌實驗室與國際合作者的研究進展：採用雜化多孔材料分離乙炔和乙烯，可兼具高分離選擇性與高吸附容量。這一研究被認為是氣體吸附分離技術領域的一大突破，為相關氣體分離技術的發展提供了新的思路。
    
    相關論文 Pore chemistry and size control in hybrid porous materials for acetylene capture from ethylene（雜化多孔材料孔化學和尺寸控制實現乙炔乙烯分離）中，浙江大學為論文第一完成單位，邢華斌教授、利莫瑞克大學MichaelJ.Zaworotko教授、德克薩斯大學聖安東尼奧分校陳邦林教授為論文共同通訊作者；浙大化工學院博士生崔希利和利莫瑞克大學陳凱傑為共同第一作者。
    
    近年來，隨著天然氣、頁巖氣和乙烯等氣體成為越來越重要的能源和化工原料，研發高效節能的氣體分離技術就越迫切。但是，氣體分離過程中普遍存在選擇性和容量難以兼具的現象（trade-off效應）。選擇性好的材料，往往吸附的容量不高；吸附容量高的，又在選擇性上差強人意。邢華斌說：「這就像一個蹺蹺板，一頭沉下去，另一頭就得翹起來。」
    
    邢華斌教授與合作者選取化學工業重要氣體—乙烯和乙炔作為分離對象，他們是非常重要的化工原料。乙烯生產的技術水平、產量和規模標誌著一個國家石油化工業的發展水平，乙炔則被譽為「有機化工之母」。在聚合級乙烯和乙炔的生產過程中，至關重要的一步是乙炔和乙烯的分離。課題組首次提出了離子雜化多孔材料吸附分離乙炔和乙烯的方法。
    
    該材料擁有三維網格結構，網格上嵌有的無機陰離子通過氫鍵作用可專一性的識別乙炔分子，獲得迄今為止最佳的乙炔乙烯分離選擇性（39.7-44.8）。與此同時，調控陰離子的空間幾何分布和孔徑大小，促使被吸附的乙炔分子之間或乙炔-多孔材料之間形成協同作用，獲得極高的乙炔吸附容量（0.025bar時達2.1mmol/g）。從而解決了傳統氣體吸附過程選擇性和容量難以兼具的巨大挑戰。與美國NIST的周偉研究員合作，採用中子衍射驗證了雜化多孔材料吸附乙炔的結構和機理。「我們使用的材料不但『專一』，而且『胃口』很大。」邢華斌教授說，「令人感興趣的是，我們第一次發現每四個乙炔分子可以手拉手，形成團簇，這樣材料的『胃口』就更大了。」
    
    針對乙烯中痕量乙炔脫除這一工業重要過程，文章所報導的雜化多孔材料的動態吸附容量是目前已知最佳吸附劑的5.7倍，且吸附穿透曲線十分陡峭，表明該材料具有優秀的擴散傳遞性能，這對未來的工業應用十分關鍵。文章第一作者崔希利博士向記者展示了實驗室中應用該材料分離乙烯和乙炔的過程：將雜化多孔材料裝填入吸附柱中，混合氣體以一定流速通入吸附柱，乙炔被完全吸附，得到高純度乙烯。
    
    該研究成果不僅為乙烯和乙炔的高效分離與過程的節能降耗提供解決方法，而且也為其它重要氣體的分離提供了新的思路。Science雜誌的三位審稿專家對這篇文章均給予很高評價。認為文章報導的吸附分離性能非常令人驚訝，在乙炔分離領域設立了新的標杆。
    
    該項研究得到了國家自然科學基金優秀青年基金項目、重點項目和面上項目，以及中組部「萬人計劃」青年拔尖人才、教育部新世紀優秀人才、浙江省傑出青年基金和中央高校基本科研業務費優秀青年人才計劃的資助。浙江大學楊啟煒副研究員、鮑宗必副教授和任其龍教授是論文的作者之一。
    
    邢華斌教授在離子材料分離乙炔乙烯領域進行了長期研究，採用分子模擬揭示了乙炔和乙烯選擇性分離中的氫鍵識別機理及陰離子的關鍵作用（J. Phys. Chem. B, 2012, 116, 3944、Ind. Eng. Chem. Res, 2013,52, 9308）。在吸收分離方向，設計離子液體獲得了文獻報導最高的乙炔吸收容量（AIChE J. 2015, 61, 2016）。
    
    （夏平 周煒）