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 高選擇性分離分子

卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）的一位研究人員與合作伙伴共同開發(fā)了“多孔液體”：納米顆粒，它能夠?qū)⒉煌笮〉臍怏w分子分離開來，并在溶劑中精細(xì)分布。這是因?yàn)檫@些顆粒具有空孔，只有一定大小的分子才能穿透其開口。這些多孔液體可直接使用或加工成膜，有效地將丙烯從氣體混合物中分離出來。丙烯是一種廣泛使用的塑料材料。這將取代目前普遍采用的能量密集型蒸餾法。研究小組在《自然材料》上報(bào)告了研究結(jié)果。

丙烯，是化學(xué)工業(yè)最重要的原料之一，全世界每年消耗的丙烯總量約為1億噸。以丙烯為原料生產(chǎn)的聚丙烯，是真正的“大眾塑料”，主要用于包裝，也可用于建筑、汽車等行業(yè)。丙烯主要通過加工原油或天然氣獲得。在這一過程中，它通過蒸餾與其他氣體分離，然后進(jìn)行提純。

“在技術(shù)文獻(xiàn)中，假設(shè)在石油化學(xué)中使用膜氣體分離的成本僅為蒸餾所需能量的五分之一。考慮到所需的大量丙烯，這意味著可以避免大量溫室氣體二氧化碳的釋放。”來自KIT功能界面研究所的初級(jí)研究小組組長(zhǎng)Alexander Knebel博士說，直到2019年他還在漢諾威萊布尼茲大學(xué)和沙特阿拉伯進(jìn)行研究。

這位化學(xué)家是一個(gè)研究項(xiàng)目的主要貢獻(xiàn)者，該項(xiàng)目首次提高了石化行業(yè)對(duì)使用膜分離丙烯的興趣。Knebel的合作伙伴是來自漢諾威萊布尼茲大學(xué)、阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)和德國(guó)技術(shù)研究所的科學(xué)家。

首次在液體中分布金屬有機(jī)框架

研究人員從固體材料ZIF-67（沸石咪唑框架）開始工作，其原子形成一個(gè)金屬有機(jī)框架，孔寬0.34nm。在這樣做的過程中，他們系統(tǒng)地修飾了ZIF-67納米顆粒的表面。“這使我們能夠在環(huán)己烷、環(huán)辛烷或均三甲苯等液體中精細(xì)地分散金屬有機(jī)框架。”Knebel高興地說。科學(xué)家們將由此產(chǎn)生的分散體稱為“多孔液體”。

例如，氣態(tài)丙烯需要花費(fèi)比甲烷更長(zhǎng)的時(shí)間才能通過充滿多孔液體的柱體。這是因?yàn)楸┍槐Ａ粼诩{米顆粒的孔隙中，而較小的甲烷分子則順利通過。“我們希望將來利用這種分散性來生產(chǎn)液體分離膜。”Knebel說。

改良后的分離膜

多孔液體也可用于生產(chǎn)具有特別優(yōu)越性能的固體分離膜。研究人員用一種塑料材料和化學(xué)改性的ZIF-67制成了薄膜。他們成功地將改性ZIF-67在膜中的比例提高到47.5%，而不會(huì)使其在機(jī)械性能上不穩(wěn)定。當(dāng)科學(xué)家們將等量的丙烯和丙烷組成的混合氣體通過兩個(gè)串聯(lián)排列的膜時(shí)，即使兩種氣體分子的大小相差不超過0.2納米，也能得到純度至少為99.9%的丙烯。

除了它的分離效率外，在一定時(shí)間內(nèi)可以通過的氣體混合物的數(shù)量對(duì)這種膜的實(shí)際使用具有決定性意義。與以前的材料相比，新膜的流速至少高出三倍。憑借所達(dá)到的分離值，Knebel深信，石化行業(yè)首次使用膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蒸餾工藝進(jìn)行氣體分離，將會(huì)得到回報(bào)。

盡可能多的金屬有機(jī)顆粒能夠均勻分布在塑料中，并且納米顆粒中的孔隙在制膜過程中不會(huì)被溶劑堵塞，即保持在空洞狀態(tài)，這對(duì)膜的性能至關(guān)重要。Knebel解釋道：“我們之所以能夠達(dá)到這兩個(gè)目標(biāo)，是因?yàn)槲覀儧]有將固體顆粒直接并入膜中，而是通過多孔液體進(jìn)行，盡管這看起來像是走了一個(gè)彎路。”