Новости

Jun 26, 2023

Эффективное разделение изомеров бутана с помощью ZIF

Том «Природные коммуникации»

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4792 (2022) Цитировать эту статью

2726 Доступов

7 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

н-бутан и изобутан являются важным нефтехимическим сырьем. Их разделение является сложной задачей из-за схожих свойств, включая температуру кипения. Здесь мы сообщаем о суспензии цеолитового имидазолата каркаса-8 (ЗИФ-8)/N,N-диметилпропиленмочевины (ДМПУ)-воды в качестве сорбционного материала для разделения смесей бутана. Селективность изобутана/н-бутана в суспензиях ZIF-8/DMPU-вода достигает 890 с высокими кинетическими характеристиками, что превышает верхний предел различных разделительных материалов или мембран, описанных в литературе. Еще более обнадеживает то, что было создано пилотное устройство непрерывного разделения, и результаты испытаний показывают, что степень чистоты и степень извлечения изобутана составляют 99,46 мол.% и 87% соответственно, что превосходит соответствующие характеристики (98,56 мол.% и 54%). промышленной дистилляционной башни. Насколько нам известно, использование металлоорганических каркасов (МОФ) для разделения газов в пилотном масштабе остается недостаточно изученным, и, таким образом, эта работа представляет собой шаг вперед к коммерческому применению МОФ при разделении газов.

И н-бутан, и изобутан являются важным нефтехимическим сырьем, используемым для непосредственного применения или для синтеза других нефтехимических продуктов. Изомеры обычно сосуществуют в виде сжиженных нефтяных газов, получаемых путем конденсации природного газа или при переработке нефти, например, при каталитическом крекинге с флюидом (FCC). Следовательно, становится критически важным эффективно и экономично разделить изомеры бутана. Например, изобутан высокой чистоты можно использовать для1 (1) реакций с олефинами с получением алкилированного высокооктанового бензина, (2) совместного окисления с пропиленом с образованием оксида пропилена и трет-бутанола и (3) дегидрирования с получением изобутена. . С другой стороны, н-бутан можно использовать в качестве хладагента или для (1) окисления с получением малеинового ангидрида2 и (2) дегидрирования с получением бутадиена3. Однако разделение изомеров бутана считается сложным процессом4,5, поскольку их физические и химические свойства, такие как температуры кипения, давление паров и поляризуемость, схожи6. На сегодняшний день энерго- и дорогостоящие методы дистилляции по-прежнему широко применяются для разделения изомеров бутана в промышленности из-за отсутствия более эффективных альтернатив.

Адсорбционное разделение с селективным исключением размера/формы, обеспечиваемое неорганическими пористыми материалами, такими как цеолиты и активированный уголь, считается привлекательной альтернативой нынешним энергоемким и дорогостоящим разделениям на основе дистилляции7,8. Например, цеолиты типа MFI (силикалит-1 и ZSM-5) с многомерными эллиптическими порами диаметром 5,5 Å, наиболее широко используемые для разделения изомеров бутана9, позволяют отличить н-бутан от изобутана. Применение цеолитов MFI для мембранного разделения достаточно изучено10,11,12,13. Селективность мембран MFI по н-бутану/изобутану, испытанная при 20–100 °C, находилась в диапазоне от 4 до 705,12. Кроме того, Ву и др.14 подготовили мембрану со смешанной матрицей на основе MFI для улучшения проницаемости н-бутана, но самый высокий коэффициент разделения н-бутан/изобутан составил всего 6,64. В дополнение к мембранам на основе MFI, Лю и его коллеги15 синтезировали мембраны с металлоорганическим каркасом (MOF) с гранецентрированным кубическим (fcu) типом на подложках из стеклообразного полимера (6FDA-DAM), которые имели коэффициент разделения н-бутан/изобутан ~30 при 75 °С. Чжоу и др.5 подготовили высококачественные углеродные молекулярные ситовые мембраны на подложках из γ-оксида алюминия, и коэффициент разделения н-бутан/изобутан достиг 74. Тем не менее, несмотря на то, что во многих исследованиях утверждается об эффективном использовании мембранных технологий разделения изомеров бутана, разделения, коммерческое применение в этой области еще не наблюдалось. Причины заключаются в следующем: (1) производство мембран трудоемко и дорого15, а мембранные конструкции склонны к растрескиванию10. (2) Селективность разделения линейных/разветвленных изомеров низкая, а поглощающая способность адсорбентов низкая16. (3) Непрерывное многоступенчатое разделение трудно реализовать с помощью мембранной технологии.