我院邢華斌、崔希利成果Nature Communications:新型二甲苯異構(gòu)體分離吸附劑取得重要進(jìn)展
? ? 芳烴是有機(jī)化學(xué)工業(yè)最基本的原料，其市場規(guī)模僅次于乙烯和丙烯。目前，全球僅碳八芳烴的產(chǎn)能就高達(dá)5500萬噸，年均增長速度達(dá)15%。其中，對二甲苯是合成聚酯（滌綸）的主要原料。然而，C8芳烴包含鄰、間、對等多種同分異構(gòu)體，且具有相同的分子式，僅原子排列不同，混合物之間沸點、極性等性質(zhì)接近，因此分離純化難度大。近日，浙江大學(xué)的崔希利研究員及合作者在混合二甲苯異構(gòu)體高效分離方向取得重要進(jìn)展，通過制備具有客體響應(yīng)性的吸附劑通過形狀識別機(jī)理可以高效識別二甲苯異構(gòu)體。
隨著合成樹脂、合成纖維和合成橡膠的飛速發(fā)展，二甲苯的需求量不對增加。C8芳烴主要含鄰（OX）、間（MX）、對（PX）位二甲苯異構(gòu)體和乙苯（EB），對二甲苯與間二甲苯的沸點相差僅為0.65 °C，采用常規(guī)精餾技術(shù)難以分離出高純度產(chǎn)品。吸附分離是一種高效節(jié)能的分離技術(shù)，在烴類同分異構(gòu)體分離中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，工業(yè)上主要采用模擬移動床技術(shù)，吸附劑為傳統(tǒng)的八面沸石X型及Y型分子篩，以K+或Ba2+交換的Y型分子篩可選擇性吸附尺寸相對較小的PX，實現(xiàn)二甲苯異構(gòu)體的分離，但沸石分子篩的吸附容量較低。在吸附劑改性方面，UOP公司在2004年推出的ADS-37的吸附容量比上一代ADS-27提高了6%，隨后2011年推出的ADS-47在吸附容量和傳質(zhì)性能得到了一定的改善。中國石化推出的第二代吸附劑RAX-3000A的吸附容量比第一代RAX-2000A 提高了8%，并于2011年首次應(yīng)用于中國石化開發(fā)的SorPX模擬移動床吸附分離成套工藝。
圖1. 二甲苯異構(gòu)體電子密度差異以及ZU-61結(jié)構(gòu)示意圖
上述吸附劑都基于八面沸石分子篩材料，經(jīng)過十幾年不斷改進(jìn)，其吸附性能已接近極限，因此，如何設(shè)計篩選新材料以突破傳統(tǒng)八面沸石材料的局限具有重要意義。本研究設(shè)計制備了具有客體響應(yīng)性的陰離子柱撐框架材料（ZU-61），其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)八面沸石材料分子篩，對于MX吸附容量為3.4 mmol g-1，高于NaY的吸附容量（1.7 mmol g-1）。尤為重要的，框架中NbOF52-陰離子位點具有轉(zhuǎn)動柔性，可以根據(jù)不同二甲苯異構(gòu)體客體分子進(jìn)行不同程度的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而識別異構(gòu)體之間的微小差異。三組分氣相穿透實驗也驗證了ZU-61對于二甲苯異構(gòu)體優(yōu)異的分離性能以及循環(huán)穩(wěn)定性。吸附劑始終是吸附分離技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵因素，該工作為探索新型分離材料和新型分離機(jī)理提供了重要的思路。
圖2. 對二甲苯吸附位點（左）和二甲苯異構(gòu)體固定床分離性能（右）
這一成果近期發(fā)表在Nature Communications上，文章的第一和通訊作者是浙江大學(xué)崔希利研究員，邢華斌教授和北德克薩斯大學(xué)Shengqian Ma教授為共同通訊作者。
?Efficient separation of xylene isomers by a guest-responsive metal–organic framework with rotational anionic sites, Nature Communications, 2020, 11:5456 | https://doi.org/10.1038/s41467-020-19209-7
課題組簡介
浙江大學(xué)低碳烴與藥物分離課題組主要從事分離科學(xué)與技術(shù)、高純化學(xué)品制造等方向的研究工作，在Science, Science Advances等期刊上發(fā)表論文150余篇，授權(quán)中國發(fā)明專利40余項，多項技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎、中國百篇最具國際影響力學(xué)術(shù)論文、浙江省科技進(jìn)步一等獎、中國石化聯(lián)合會青年科技突出貢獻(xiàn)獎等榮譽(yù)。
崔希利研究員：浙江大學(xué)百人計劃研究員、博士生導(dǎo)師，兼任中國化工學(xué)會化工過程強(qiáng)化青年委員會委員，獲浙江省杰出青年基金資助。2016年獲浙江大學(xué)博士學(xué)位， 2018-2019年在美國南佛羅里達(dá)大學(xué)從事博士后研究，2019年3月入選浙江大學(xué)百人計劃研究員。主要從事功能分離材料、低碳烴吸附分離和膜分離等方向的研究，以一作/通訊作者在Science、Nature Commun.、Adv. Mater.、AIChE J.等期刊發(fā)表論文20篇，曾獲評中國百篇最具影響力國際學(xué)術(shù)論文、首屆中國石油和化工聯(lián)合會CPCIF-Clariant可持續(xù)發(fā)展青年創(chuàng)新獎-卓越獎、浙江省優(yōu)秀博士學(xué)位論文等。主持國家自然科學(xué)基金-石油化工聯(lián)合基金培育項目、國家自然科學(xué)基金重大項目子課題等多項省部級課題。
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