北京工业大学最新Science: 神奇“膜”力

乙烯等轻质烯烃是关键的石化产品，全球年生产量达数亿吨。石脑油蒸汽裂解用于生产超过 50%的轻质烯烃。然而，该裂解过程是石化工业中能耗最高的单一工艺。石脑油中的芳烃无法参与裂解反应，会使炉内结焦，降低产率并增加成本。“分子精炼”为实现所有进料分子价值最大化提供了一种途径。通过重构石脑油的组分，分离芳烃和脂肪烃，可获得理想的蒸汽裂解原料和高附加值芳烃产品原料。吸附方法，已被报道对多组分模型混合物中的芳烃-脂肪烃分离是有效的。作为一种替代技术，渗透蒸发膜技术由于其能耗低、效率高以及能与其他工艺可集成，在液相分子分离方面也展现出潜力。这为石脑油中芳烃-脂肪烃的高效分离提供了理论可能性。

然而，由于芳烃 - 脂肪烃物理化学性质相似且易形成共沸物，对其进行分离具有挑战性。它们具有相似的动力学直径和缠结分子构型，因此尺寸筛分效应无法确保这两类分子的精确分离。大多数关于芳烃-脂肪烃渗透蒸发的研究基于对芳烃亲和的聚合物膜。这些膜依靠极性官能团诱导具有离域π电子的芳烃分子极化，导致芳烃和脂肪烃在膜中的扩散行为不同，从而实现分离。然而，聚合物膜的无序交联网络结构具有孔径分布相对较大的曲折纳米通道，抑制了渗透率和选择性的提高。基于具有规则多面体形态的多孔晶体材料的混合基质膜的性能可通过在膜内创建多个低电阻选择性传输通道来改善。遗憾的是，由于填料的低负载和无序团聚，高性能传输路径常被多段聚合物基质阻塞。优化晶体颗粒的空间排列能够创建明确的路径，增强快速且选择性的分子传输。近日，北京工业大学材料科学与工程学院安全福教授和王乃鑫教授团队在Science上发表了题为“Aromatic-aliphatic hydrocarbon separation with oriented monolayer polyhedral membrane”的论文，该项工作提出了一种分步旋涂法，用于利用金属-有机框架（MOF）材料制备定向单层多面体（OMP）膜。具有规则八面体结构的 MOF 颗粒在多孔基底上组装，之后颗粒间的间隙用聚合物密封。这些膜包含高密度分布的直选择性纳米通道，可以实现芳烃分子的优先传输。与具有随机取向的传统混合基质膜相比，OMP 膜提高了对含 C6 和 C7 化合物的芳烃-脂肪烃混合物的渗透蒸发分离指数，性能比现有膜高出 3 至 10 倍。将 MOF 相与聚合物锚定赋予了膜出色的柔韧性和耐久性。这种高性能展示了 OMP 膜在烃分子分离中的潜力及其在石脑油原料增值分离中的应用。该项研究成果为石脑油中芳烃-烷烃混合物的分离提供了有效的解决方案，为石化行业的低碳流程再造提供了新思路。

图 1. OMP 膜的设计© 2024 AAAS
图 2. OMP 膜结构的调控© 2024 AAAS
图 3. 分子选择性传输机制© 2024 AAAS图4. 模型石脑油系统分离性能及膜耐久性评价© 2024 AAAS

该项工作通过构建具有相互连通直通道的有序 MOF 单层膜，实现了石脑油中芳烃和脂肪烃的高性能分离。MOF 表现出高吸附选择性，有利于优先吸附芳烃分子。单层 MOF 膜中分子传输通道的定向、相互连通及高密度分布确保了分子的快速扩散。此外，聚合物的使用有助于锚定 MOF 晶体颗粒，同时修复颗粒间的非选择性缺陷，从而获得具有出色柔韧性和耐久性的膜。此项工作突出了膜技术在分离复杂液相烃混合物方面的潜力，并展示了一种设计在分子分离中具有卓越性能的膜的策略。该研究为芳烃与烷烃的高效分离提供了创新解决方案，为高性能膜的设计提供了借鉴。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq5577