科学家们研制出分离丙烯的创新材料

高选择性分离分子

卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的一位研究人员与合作伙伴共同开发了“多孔液体”：纳米颗粒，它能够将不同大小的气体分子分离开来，并在溶剂中精细分布。这是因为这些颗粒具有空孔，只有一定大小的分子才能穿透其开口。这些多孔液体可直接使用或加工成膜，有效地将丙烯从气体混合物中分离出来。丙烯是一种广泛使用的塑料材料。这将取代目前普遍采用的能量密集型蒸馏法。研究小组在《自然材料》上报告了研究结果。

丙烯，是化学工业最重要的原料之一，全世界每年消耗的丙烯总量约为1亿吨。以丙烯为原料生产的聚丙烯，是真正的“大众塑料”，主要用于包装，也可用于建筑、汽车等行业。丙烯主要通过加工原油或天然气获得。在这一过程中，它通过蒸馏与其他气体分离，然后进行提纯。

“在技术文献中，假设在石油化学中使用膜气体分离的成本仅为蒸馏所需能量的五分之一。考虑到所需的大量丙烯，这意味着可以避免大量温室气体二氧化碳的释放。”来自KIT功能界面研究所的初级研究小组组长Alexander Knebel博士说，直到2019年他还在汉诺威莱布尼兹大学和沙特阿拉伯进行研究。

这位化学家是一个研究项目的主要贡献者，该项目首次提高了石化行业对使用膜分离丙烯的兴趣。Knebel的合作伙伴是来自汉诺威莱布尼兹大学、阿卜杜拉国王科技大学和德国技术研究所的科学家。

首次在液体中分布金属有机框架

研究人员从固体材料ZIF-67（沸石咪唑框架）开始工作，其原子形成一个金属有机框架，孔宽0.34nm。在这样做的过程中，他们系统地修饰了ZIF-67纳米颗粒的表面。“这使我们能够在环己烷、环辛烷或均三甲苯等液体中精细地分散金属有机框架。”Knebel高兴地说。科学家们将由此产生的分散体称为“多孔液体”。

例如，气态丙烯需要花费比甲烷更长的时间才能通过充满多孔液体的柱体。这是因为丙烯被保留在纳米颗粒的孔隙中，而较小的甲烷分子则顺利通过。“我们希望将来利用这种分散性来生产液体分离膜。”Knebel说。

改良后的分离膜

多孔液体也可用于生产具有特别优越性能的固体分离膜。研究人员用一种塑料材料和化学改性的ZIF-67制成了薄膜。他们成功地将改性ZIF-67在膜中的比例提高到47.5%，而不会使其在机械性能上不稳定。当科学家们将等量的丙烯和丙烷组成的混合气体通过两个串联排列的膜时，即使两种气体分子的大小相差不超过0.2纳米，也能得到纯度至少为99.9%的丙烯。

除了它的分离效率外，在一定时间内可以通过的气体混合物的数量对这种膜的实际使用具有决定性意义。与以前的材料相比，新膜的流速至少高出三倍。凭借所达到的分离值，Knebel深信，石化行业首次使用膜代替传统的蒸馏工艺进行气体分离，将会得到回报。

尽可能多的金属有机颗粒能够均匀分布在塑料中，并且纳米颗粒中的孔隙在制膜过程中不会被溶剂堵塞，即保持在空洞状态，这对膜的性能至关重要。Knebel解释道：“我们之所以能够达到这两个目标，是因为我们没有将固体颗粒直接并入膜中，而是通过多孔液体进行，尽管这看起来像是走了一个弯路。”