芳烴-脂肪烴分離是一個具有挑戰(zhàn)性但重要的工業(yè)過程，滲透蒸發(fā)膜技術(shù)具有分離這些混合物的潛力。
在此，北京工業(yè)大學(xué)安全福教授和王乃鑫教授等人開發(fā)了一種定向單層多面體（OMP）膜，它由單層有序多面體顆粒組成，并由超支化聚合物錨定。它包含高密度的直接選擇性納米通道，能夠優(yōu)先傳輸芳香族分子。與傳統(tǒng)的隨機取向混合基質(zhì)膜相比，OMP膜提高了C6和 C7化合物，性能比現(xiàn)有膜高出3到10倍，這種高性能證明了OMP膜在烴類分子分離方面的潛力及其在石腦油原料增值分離中的應(yīng)用。
相關(guān)文章以“Aromatic-aliphatic hydrocarbon separation with oriented monolayer polyhedral membrane”為題發(fā)表在Science上。
乙烯等輕質(zhì)烯烴是重要的石化產(chǎn)品，全球年產(chǎn)量達到數(shù)億噸，石腦油蒸汽裂解用于生產(chǎn)>50%的輕質(zhì)烯烴。然而，裂解工藝是石化工業(yè)中能源最密集的單一工藝。石腦油中不能參與裂解反應(yīng)的芳烴會給爐內(nèi)結(jié)焦，降低收率，增加成本?！胺肿泳珶挕碧峁┝艘环N最大化所有補料分子價值的方法，通過重構(gòu)石腦油的成分，分離芳烴和脂肪烴，可以獲得理想的蒸汽裂解原料和高附加值的芳烴產(chǎn)品原料。據(jù)報道，吸附方法（包括模擬移動床）對于從多組分模型混合物中分離芳香族-脂肪族是有效的。作為一種替代技術(shù)，滲透蒸發(fā)膜技術(shù)也顯示出在液相分子分離方面的潛力，因為它的能耗低、效率高，并且可以集成到其他工藝中，這為石腦油中芳香族-脂肪族碳氫化合物的高效分離提供了理論可能性。
然而，分離芳香族-脂肪族碳氫化合物具有挑戰(zhàn)性，因為它們具有相似的物理化學(xué)性質(zhì)和易共沸物。它們具有相似的動力學(xué)直徑和糾纏的分子構(gòu)型，因此尺寸篩分效應(yīng)無法確保這兩種類型的分子的精確分離。大多數(shù)關(guān)于芳烴-脂肪族碳氫化合物滲透蒸發(fā)的研究都是基于芳香族友好型聚合物膜。這些膜依賴于芳香族分子的極化與極性官能團誘導(dǎo)的離域π電子，導(dǎo)致芳香族和脂肪族分子在膜中的擴散行為不同，從而實現(xiàn)分離。然而，聚合物膜的無序交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有曲折的納米通道，孔徑分布相對較大，這抑制了滲透性和選擇性的提高?；旌匣|(zhì)膜基于具有規(guī)則多面體形態(tài)的多孔晶體材料，可以通過在膜內(nèi)創(chuàng)建多個低電阻選擇性傳輸通道來改善其性能。不幸的是，由于填料的低負載和無序團聚，高性能傳輸路徑經(jīng)常被多段聚合物基質(zhì)阻塞。優(yōu)化晶體顆粒的空間排列可以創(chuàng)建明確的路徑，從而增強快速和選擇性的分子傳輸。
基于這種理解，本文的方法旨在充分合理地利用多孔晶體材料規(guī)則多面體的結(jié)構(gòu)特性來構(gòu)建有序、密集分布和互連的選擇性分子傳遞通道。作者提出了一種使用金屬有機框架 （MOF）材料創(chuàng)建定向單層多面體（OMP）膜的分步旋涂方法，將具有規(guī)則八面體結(jié)構(gòu)的 MOF 顆粒組裝在多孔襯底上，然后用聚合物密封顆粒之間的間隙。這些膜具有相互連接的直通道，非常適合通過滲透蒸發(fā)超快速分離芳烴-脂肪烴（圖1A?）。OMP膜包含高密度分布的定向單層MOF顆粒，提供主導(dǎo)分子轉(zhuǎn)運過程的快速和選擇性通道，錨定MOF相的聚合物賦予膜出色的柔韌性和耐用性。作為概念驗證，設(shè)計了一種兩級級聯(lián)分離工藝，以證明 OMP 膜在石腦油系統(tǒng)中分離碳氫化合物的高穩(wěn)定性。
圖2：OMP膜結(jié)構(gòu)的調(diào)控。
圖4：模型石腦油系統(tǒng)的分離性能和膜的耐久性的評價。
YHao Sun, Naixin Wang*, Yinghui Xu, Fengkai Wang, Jun Lu, Huanting Wang, Quan-Fu An*,?Aromatic-aliphatic hydrocarbon separation with oriented monolayer polyhedral membrane, Science,
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