Один

Nature Communications, том 13, номер статьи: 2955 (2022) Цитировать эту статью

2741 Доступов

13 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Нефтеперерабатывающие заводы обычно используют несколько энергоемких дистилляционных/адсорбционных колонн для разделения и очистки сложных химических смесей. Альтернативой могут стать такие материалы, как многофункциональные молекулярные сепараторы, объединяющие различные модули, способные одновременно разделять молекулы по их форме и химическим свойствам. Здесь мы решаем эту проблему в контексте одноэтапного удаления алкинов и пропадиена из газов крекинга (до 10 компонентов) с использованием многофункционального и быстро реагирующего материала ZU-33 посредством стратегии регулирования с двойным откликом «гость/температура». Чувствительные и адаптивные свойства ZU-33 обеспечивают оптимизированную энергию связи для алкинов и пропадиена и позволяют избежать конкурентной адсорбции олефинов и парафинов, что подтверждено революционными тестами, экспериментами по дифракции рентгеновских лучей на монокристаллах и симуляционными исследованиями. . Свойства реагирования на различные стимулы наделяют материалы множеством методов регулирования и расширяют границы применимости пористых материалов для сложных задач разделения.

Открытие синтетических цеолитов1,2,3, металлоорганических каркасов (МОФ)4,5,6 и других специально разработанных пористых материалов7,8,9,10,11 открывает двери для успешного адсорбционного разделения химических смесей, в зависимости от молекулярной структуры, а не от температуры кипения12,13,14,15,16,17. Недавние достижения в области адаптации химического состава пор в пористых материалах расширили диапазон их разделения в зависимости от разницы в размере/форме молекул18,19,20, физико-химических свойствах21,22,23,24,25 или диффузии26,27,28 между компоненты. Однако процессы промышленного разделения обычно содержат сложные многокомпонентные смеси с близкими, даже перекрывающимися размерами и свойствами молекул, что представляет собой серьезную проблему для точного регулирования и управления химией пор пористых материалов. Например, олефины (этилен, пропилен, 1,3-бутадиен) получают путем разделения и очистки от продуктов парового пиролиза или крекинга, в состав которых входят водород (Н2), метан (СН4), этан (С2Н6), этилен (С2Н4). , ацетилен (C2H2), пропилен (C3H6), пропин (C3H4), пропадиен (C3H4 (PD)), 1,3-бутадиен (C4H6), н-бутен (n-C4H8), изобутен (i-C4H8) и т. д.29,30. Для получения олефинов полимерного качества необходимо удалить из крекинг-газов примеси алкинов (ацетилена и пропина) и пропадиена. В настоящее время используются сложные процессы многоступенчатой ​​дистилляции и установок каталитического гидрирования (дополнительный рисунок 1), которые вызывают большие энергозатраты31,32. Для энергоэффективных методов адсорбции большинство предыдущих адсорбентов ограничивались разделением моделируемых двухкомпонентных (C2H2/C2H433,34,35, C3H4/C3H636,37,38) или трехкомпонентных смесей (C3H4/C3H4 ( ПД)/С3Н6)39,40. Все эти адсорбенты не смогли решить сложную задачу одностадийного удаления алкинов и пропадиена из сложных смесей углеводородов (более десяти компонентов). Одностадийная очистка целевого компонента от сложных смесей является наиболее желательным способом снижения энергозатрат и упрощения процесса разделения. Недавно было исследовано одностадийное получение C2H4 полимерного качества из четвертичной газовой смеси (CO2/C2H2/C2H6/C2H4), но с использованием ряда адсорбентов, каждый из которых обладает селективностью по отношению к одной из примесей41. Поэтому необходимо срочно разработать новые стратегии разделения и новые функциональные материалы для работы со сложными химическими смесями.

Многообещающей стратегией могла бы стать разработка своего рода многофункционального молекулярного сепаратора, который объединяет несколько модулей, способных одновременно разделять молекулы по их размеру/форме и физическим свойствам. Основными препятствиями при удалении алкинов и пропадиена из газов крекинга являются: (i) промежуточные размеры молекул целевых пропина и пропадиена делают молекулярное просеивание неприспособленным; (ii) аналогичная структура ненасыщенной связи, например, пропадиен и 1,3-бутадиен демонстрируют сходный эффект π-π-конъюгации, что ставит серьезную задачу достижения разделения за счет разницы в аффинности связывания (рис. 1a); 3) глубокое и одновременное удаление всех трех примесей (ацетилена, пропина и пропадиена) с различной структурой и свойствами с использованием одного пористого материала.