凭多孔结构“吸”出丙烯制备能耗降至传统工艺的60%

新型的孔道中裸露羧基的微孔HOF材料示意图 受访者供图

洪恒飞 石丛珊 科技日报记者 江耘

2016年在《自然》刊出的题为“改变世界的七种化学分离”一文曾指出，全球在制备高纯度丙烯和乙烯过程中，一年的能源消耗量相当于新加坡全年的能源消耗量，可达486太瓦时（合4860亿度电）。丙烯和丙烷的分离被认为是化工领域最重要的分离过程之一。

7月4日，浙江理工大学材料科学与工程学院特聘教授高俊阔在化学顶级期刊《应用化学-国际版》上发表了一项研究成果，通过采用一种新型氢键-有机框架材料（HOF），对丙烯和丙烷气体分子进行吸附分离，可大幅降低提取丙烯/丙烷混合物的能耗，为这项困扰全球化工行业半个多世纪的难题提供一种新的选择。

构筑多孔结构 高效吸附丙烯

丙烯是石油化工的主要原料，在化工、服饰、电器、建材、汽车等各个行业均有着广泛的应用。作为化纤大国，我国丙烯产能近年来不断扩大。据行业统计，2020年，我国丙烯总产能增长至4407万吨，环比上涨14.12%。

长期以来，传统的高纯度丙烯制备工艺主要是将丙烯/丙烷混合气体通过冷却、降温到零下45-70度，达到丙烷的沸点从而将其液化，使得丙烯气体分离出来。

“由于降温过程本身能耗巨大，并且丙烷、丙烯这两种气体分子具有非常相似的分子尺寸和相近的沸点，所以提纯的效率非常低。“高俊阔介绍，从原油里催化得出的并非化工产业所需的高纯度丙烯，而是丙烯/丙烷的混合物。通过低温精馏技术将丙烯从丙烯/丙烷的混合物中提取出来是目前工业上最耗能的工艺之一。

近年来，采用多孔材料对目标气体分子进行选择性吸附从而实现气体分离的吸附分离方法，因其能耗低、流程操作简单等特点而备受学界、业界关注。

高俊阔介绍道，吸附分离技术的核心在于构建适合待吸附分子大小的微孔通道，或是在孔表面建立识别位点以此来筛分不同气体分子，该技术已成功应用于空气分离、天然气提纯等工业规模的任务中。

其中，氢键-有机框架材料（HOF）作为一类新兴的晶态多孔材料，由有机配体分子通过氢键作用构筑形成多孔结构，在气体吸附和分离领域展现出广阔的应用前景。

显著减低能耗 助力双碳目标

历经六年多的研究，高俊阔团队借助于晶体工程和溶剂诱导自组装的方式，制备出一种新型的孔道中裸露羧基的微孔HOF材料（简称为HOF-16），实现了丙烯/丙烷混合物的有效分离。

“这种新型材料的优点在于，它能在室温条件下吸附丙烯，保留丙烷，并通过简单的真空抽气、吹入氮气等方式，将吸附在材料里的丙烯迅速释放还原。”高俊阔解释说。

他告诉记者，团队成员经过实验检测，将丙烯/丙烷混合气体充进封闭容器，仅吸附一次后的丙烯气体纯度即可达95%，两三次后就可以提纯到99%以上。

气体吸附和分离结果显示，得益于合适的孔道尺寸和功能吸附位点形成的孔道限域效应，HOF-16对丙烯/丙烷的选择性远优于一些典型的羧酸类氢键-有机框架材料。

“HOF-16的制备非常简单。只需把低成本的原材料三苯胺三羧酸在甲醇溶剂中进行重结晶，在实验室条件下就可以方便地获得20克级的HOF-16。”高俊阔表示，无论是原材料还是制备过程，都无须苛刻的实验条件和昂贵的实验器材。更为重要的是，这项研究成果在实验条件下可以将制备丙烯的总体能耗降至传统工艺的60%。

 “我国已明确碳达峰、碳中和目标，一场广泛而深刻的系统性变革已在能源、材料等领域拉开大幕。通过优化制备工艺从而降低能耗，是实现‘双碳’目标的有效途径。”高俊阔表示，接下来，团队将致力于研究氢键-有机框架材料的孔道尺寸和孔吸附位点的调节，进一步实现丙烯/丙烷的高效分离，推进这一新型材料的量产和工业化应用。