塑料、家電、醫(yī)療器械、合成纖維、化妝品……生活中很多化工產(chǎn)品的原料都是丙烯。丙烯是世界上產(chǎn)量最大的化工品之一，也是重要的基礎(chǔ)化工原料。

然而在工業(yè)生產(chǎn)中，丙烯與丙烷就像是一對(duì)好朋友總是在一起，很難簡單分離?！蹲匀弧冯s志曾指出，發(fā)展高效節(jié)能的烯烴烷烴分離技術(shù)被譽(yù)為七項(xiàng)可以改變世界的化工分離過程之一。

浙江大學(xué)新聞網(wǎng)12月15日消息，日前，浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院、杭州國際科創(chuàng)中心邢華斌教授、楊立峰研究員團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種新型陰離子功能化多孔材料ZU-609，通過調(diào)控孔口大小和孔腔尺寸，實(shí)現(xiàn)了丙烯丙烷的精準(zhǔn)篩分與高丙烯擴(kuò)散速率。這對(duì)于丙烯的低碳分離具有積極影響。

相關(guān)論文于北京時(shí)間2023年12月15日以“First Release”形式在線發(fā)表在國際頂級(jí)期刊《科學(xué)》（Science）。

丙烯與丙烷為何“難舍難分”？

丙烯與丙烷通過石油提煉而成，相互共存。它們兩個(gè)長得像“雙胞胎”，只有兩個(gè)氫原子的差別，而且大小也非常接近，兩者分子尺寸差異僅為0.4 ?，相當(dāng)于百分之四個(gè)納米，正因如此，要把丙烯與丙烷精準(zhǔn)而快速地分離開來極具挑戰(zhàn)。

分子篩分是實(shí)現(xiàn)尺寸相似物質(zhì)高選擇性識(shí)別的關(guān)鍵機(jī)理。其基本原理就是僅允許尺寸比吸附劑孔口小的分子進(jìn)入孔道，尺寸大的分子被阻擋。

理論很完美，現(xiàn)實(shí)很殘酷。由于狹窄的孔道會(huì)限制分子在內(nèi)部的擴(kuò)散，分子篩分材料長期以來面臨著擴(kuò)散傳質(zhì)差、吸附容量低、脫附難度大等問題，從而嚴(yán)重影響分離效率。

“為了提高烯烴通過速率，工業(yè)中常用高溫來‘驅(qū)趕’氣體快點(diǎn)‘跑’?！毙先A斌說，但是這種方式降低了吸附劑的工作容量，也增加了分離過程能耗，不利于工業(yè)的大規(guī)模推廣，“熱驅(qū)動(dòng)的烯烴生產(chǎn)過程的碳排放約占到全球總碳排放量的1%，是非常耗能的?！?

如何在有限的空間里實(shí)現(xiàn)物質(zhì)快速傳遞，即化學(xué)工程的“限域擴(kuò)散傳質(zhì)”難題，一直是前沿研究領(lǐng)域。邢華斌說，在實(shí)驗(yàn)室的小瓶小罐里實(shí)現(xiàn)烯烴/烷烴精準(zhǔn)分離，放到工廠里幾百方幾千方大小的裝置設(shè)備里就不一定管用了，因此讓分離過程更“快”，是提高化工過程效率的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，對(duì)于工業(yè)應(yīng)用具有重要意義。

新型分子篩“快準(zhǔn)狠”

由此，浙大科研人員精準(zhǔn)調(diào)控，研發(fā)出快速、高效、低碳的分子篩材料ZU-609。這個(gè)新型分子篩材料通過對(duì)孔口的精準(zhǔn)控制，僅允許丙烯分子進(jìn)入，阻擋丙烷分子的通過，達(dá)到快速精準(zhǔn)識(shí)別的效果。

圖1. 分子篩材料ZU-609的局部篩分孔道結(jié)構(gòu)圖及丙烯擴(kuò)散系數(shù)和丙烯丙烷分離能耗（來自于變壓吸附模擬計(jì)算）

為了讓分離過程更快速，浙大研究人員采用了“兩頭小中間大”的篩分孔道，在孔道的進(jìn)口和出口分別有“隔離墩”來阻擋丙烷分子，丙烯進(jìn)入之后，又能在“中間寬”的孔道中快速通過，擴(kuò)散系數(shù)相比于之前的分子篩材料提高了1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。

分離的高效則表現(xiàn)在，通過ZU-609分子篩，可從等摩爾丙烯丙烷混合氣中分離得到99.97%純度丙烯。同時(shí)材料還表現(xiàn)出優(yōu)異的脫附再生能力，常溫下通過氮?dú)獯祾呋蛘叱檎婵諟p壓就可以實(shí)現(xiàn)材料完全再生。

“我們研制的新型分子篩，既能夠快速拉住通過其中的丙烯分子，同時(shí)還能夠快速放手，這為高效低碳分離丙烯奠定了基礎(chǔ)?！睏盍⒎逭f。

變壓吸附計(jì)算結(jié)果表明，ZU-609丙烯分離能耗相較于之前報(bào)道的篩分材料降低2倍、丙烯生產(chǎn)效率提高2倍?！拔覀兊难芯繛槲⒖讛U(kuò)散傳質(zhì)強(qiáng)化這一化學(xué)工程核心問題提供了新思路，為低碳分離技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)?！毙先A斌介紹，這也有利于超高純電子化學(xué)品的國產(chǎn)化制備。

浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院2019級(jí)博士生崔稷宇為論文第一作者，邢華斌和楊立峰為論文通訊作者。研究得到了國家自然科學(xué)基金（22122811、22227812和22108240）、浙江省自然科學(xué)基金（LR20B060001）的資助。