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|新型二甲苯异构体分离吸附剂取得重要进展


本文来自微信公众号：X-MOLNews
芳烃是有机化学工业最基本的原料 ， 其市场规模仅次于乙烯和丙烯 。 目前 ， 全球仅碳八芳烃的产能就高达5500万吨 ， 年均增长速度达15% 。 其中 ， 对二甲苯是合成聚酯（涤纶）的主要原料 。 然而 ， C8芳烃包含邻、间、对等多种同分异构体 ， 且具有相同的分子式 ， 仅原子排列不同 ， 混合物之间沸点、极性等性质接近 ， 因此分离纯化难度大 。 近日 ， 浙江大学的崔希利研究员及合作者在混合二甲苯异构体高效分离方向取得重要进展 ， 通过制备具有客体响应性的吸附剂通过形状识别机理可以高效识别二甲苯异构体 。
随着合成树脂、合成纤维和合成橡胶的飞速发展 ， 二甲苯的需求量不对增加 。 C8芳烃主要含邻（OX）、间（MX）、对（PX）位二甲苯异构体和乙苯（EB） ， 对二甲苯与间二甲苯的沸点相差仅为0.65 °C ， 采用常规精馏技术难以分离出高纯度产品 。 吸附分离是一种高效节能的分离技术 ， 在烃类同分异构体分离中得到了广泛的应用 。 目前 ， 工业上主要采用模拟移动床技术 ， 吸附剂为传统的八面沸石X型及Y型分子筛 ， 以K+或Ba2+交换的Y型分子筛可选择性吸附尺寸相对较小的PX ， 实现二甲苯异构体的分离 ， 但沸石分子筛的吸附容量较低 。 在吸附剂改性方面 ， UOP公司在2004年推出的ADS-37的吸附容量比上一代ADS-27提高了6% ， 随后2011年推出的ADS-47在吸附容量和传质性能得到了一定的改善 。 中国石化推出的第二代吸附剂RAX-3000A的吸附容量比第一代RAX-2000A 提高了8% ， 并于2011年首次应用于中国石化开发的SorPX模拟移动床吸附分离成套工艺 。
|新型二甲苯异构体分离吸附剂取得重要进展
本文插图

图1. 二甲苯异构体电子密度差异以及ZU-61结构示意图
上述吸附剂都基于八面沸石分子筛材料 ， 经过十几年不断改进 ， 其吸附性能已接近极限 ， 因此 ， 如何设计筛选新材料以突破传统八面沸石材料的局限具有重要意义 。 本研究设计制备了具有客体响应性的阴离子柱撑框架材料（ZU-61） ， 其拓扑结构不同于传统八面沸石材料分子筛 ， 对于MX吸附容量为3.4 mmol g-1 ， 高于NaY的吸附容量（1.7 mmol g-1） 。 尤为重要的 ， 框架中NbOF52-阴离子位点具有转动柔性 ， 可以根据不同二甲苯异构体客体分子进行不同程度的旋转 ， 进而识别异构体之间的微小差异 。 三组分气相穿透实验也验证了ZU-61对于二甲苯异构体优异的分离性能以及循环稳定性 。 吸附剂始终是吸附分离技术进步的关键因素 ， 该工作为探索新型分离材料和新型分离机理提供了重要的思路 。
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图2. 对二甲苯吸附位点（左）和二甲苯异构体固定床分离性能（右）
这一成果近期发表在Nature Communications 上 ， 文章的第一和通讯作者是浙江大学崔希利研究员 ， 邢华斌教授和北德克萨斯大学Shengqian Ma教授为共同通讯作者 。
Efficient separation of xylene isomers by a guest-responsive metal–organic framework with rotational anionic sites
Xili Cui, Zheng Niu, Chuan Shan, Lifeng Yang, Jianbo Hu, Qingju Wang, Pui Ching Lan, Yijian Li, Lukasz Wojtas, Shengqian Ma, Huabin Xing
【|新型二甲苯异构体分离吸附剂取得重要进展】Nat. Commun.,2020,11, 5456, DOI: 10.1038/s41467-020-19209-7
课题组简介
浙江大学低碳烃与药物分离课题组主要从事分离科学与技术、高纯化学品制造等方向的研究工作 ， 在Science, Science Advances等期刊上发表论文150余篇 ， 授权中国发明专利40余项 ， 多项技术实现产业化应用 ， 获国家技术发明二等奖、中国百篇最具国际影响力学术论文、浙江省科技进步一等奖、中国石化联合会青年科技突出贡献奖等荣誉 。
崔希利研究员：浙江大学百人计划研究员、博士生导师 ， 兼任中国化工学会化工过程强化青年委员会委员 ， 获浙江省杰出青年基金资助 。 2016年获浙江大学博士学位 ， 2018-2019年在美国南佛罗里达大学从事博士后研究 ， 2019年3月入选浙江大学百人计划研究员 。 主要从事功能分离材料、低碳烃吸附分离和膜分离等方向的研究 ， 以一作/通讯作者在Science、Nature Commun.、Adv. Mater.、AIChE J.等期刊发表论文20篇 ， 曾获评中国百篇最具影响力国际学术论文、首届中国石油和化工联合会CPCIF-Clariant可持续发展青年创新奖-卓越奖、浙江省优秀博士学位论文等 。 主持国家自然科学基金-石油化工联合基金培育项目、国家自然科学基金重大项目子课题等多项省部级课题 。


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