하나

Nature Communications 13권, 기사 번호: 2955(2022) 이 기사 인용

2741 액세스

13 인용

1 알트메트릭

측정항목 세부정보

정유소에서는 일반적으로 복잡한 화학 혼합물을 분리하고 정제하기 위해 여러 개의 에너지 집약적 증류/흡착 컬럼을 사용합니다. 분자의 모양과 화학적 성질에 따라 동시에 분리할 수 있는 다양한 모듈을 통합한 다기능 분자 분리막과 같은 소재가 대안이 될 수 있다. 여기서 우리는 게스트/온도 이중 반응 조절 전략을 통해 다기능 및 반응성 재료 ZU-33을 사용하여 분해 가스(최대 10개 구성 요소)에서 알킨 및 프로파디엔을 1단계 제거하는 맥락에서 이 문제를 해결합니다. ZU-33의 반응성 및 게스트 적응성 특성은 알킨과 프로파디엔에 최적화된 결합 에너지를 제공하고 올레핀과 파라핀의 경쟁적 흡착을 방지합니다. 이는 획기적인 테스트, 단결정 X선 회절 실험 및 시뮬레이션 연구를 통해 검증되었습니다. . 다양한 자극에 대한 반응 특성은 재료에 여러 조절 방법을 부여하고 다공성 재료를 까다로운 분리에 적용할 수 있는 범위를 넓힙니다.

합성 제올라이트1,2,3, 금속-유기 골격(MOF)4,5,6 및 기타 맞춤형 다공성 물질7,8,9,10,11의 발견은 화학 혼합물의 성공적인 흡착 분리의 문을 엽니다. 끓는점보다는 분자 구조에 따라 결정됩니다12,13,14,15,16,17. 다공성 물질의 기공 화학을 맞춤화하는 능력의 최근 발전으로 분자 크기/모양18,19,20, 물리화학적 특성21,22,23,24,25 또는 확산26,27,28의 차이에 따라 분리 범위가 넓어졌습니다. 구성 요소. 그러나 산업적 분리 공정에는 일반적으로 분자 크기와 특성이 거의 겹치는 복잡한 다성분 혼합물이 포함되어 있어 다공성 물질의 기공 화학을 정밀하게 조절하고 관리하는 데 큰 어려움을 겪습니다. 예를 들어, 수소(H2), 메탄(CH4), 에탄(C2H6), 에틸렌(C2H4) 등을 포함하는 수증기 열분해 또는 분해 생성물을 분리, 정제하여 올레핀(에틸렌, 프로필렌, 1,3-부타디엔)을 생산합니다. , 아세틸렌(C2H2), 프로필렌(C3H6), 프로핀(C3H4), 프로파디엔(C3H4(PD)), 1,3-부타디엔(C4H6), n-부텐(n-C4H8), 이소부텐(i-C4H8) 등29,30. 폴리머급 올레핀을 얻으려면 분해 가스에서 알킨(아세틸렌 및 프로핀)과 프로파디엔의 불순물을 제거해야 합니다. 현재 다단계 증류 및 촉매 수소화 장치(보충 그림 1)의 복잡한 공정이 채택되어 큰 에너지 발자국을 유발합니다. 에너지 효율적인 흡착 방법을 위해 기존 흡착제 대부분은 시뮬레이션된 2성분(C2H2/C2H433,34,35, C3H4/C3H636,37,38) 또는 3성분 혼합물(C3H4/C3H4(C3H4/C3H4( PD)/C3H6)39,40. 이러한 모든 흡착제는 복잡한 탄화수소 혼합물(10개 이상의 구성 요소)에서 알킨과 프로파디엔을 한 번에 제거하는 까다로운 문제를 해결하지 못했습니다. 복잡한 혼합물에서 대상 성분을 1단계로 정제하는 것은 에너지 소비를 줄이고 분리 공정을 단순화하기 위한 가장 바람직한 방법입니다. 최근 4차(CO2/C2H2/C2H6/C2H4) 가스 혼합물로부터 폴리머 등급 C2H4의 1단계 생산이 조사되었지만 각각 불순물 중 하나에 대해 선택성을 갖는 일련의 흡착제를 사용했습니다41. 따라서 복잡한 화학 혼합물을 처리하기 위해서는 새로운 분리 전략과 새로운 기능성 소재를 개발하는 것이 시급합니다.

유망한 전략은 크기/모양 및 물리적 특성에 따라 분자를 동시에 분리할 수 있는 여러 모듈을 통합하는 일종의 다기능 분자 분리기를 설계하는 것입니다. 분해 가스에서 알킨과 프로파디엔을 제거하는 데 있어 주요 장벽은 다음과 같습니다. (i) 대상 프로핀과 프로파디엔의 중간 분자 크기로 인해 분자 체질은 결코 적응할 수 없습니다. (ii) 유사한 불포화 결합 구조, 예를 들어 프로파디엔과 1,3-부타디엔은 유사한 π-π 공액 효과를 나타내며 결합 친화도 차이를 통한 분리를 달성하기 위한 엄격한 과제를 제기합니다(그림 1a). (iii) 하나의 다공성 물질을 사용하여 구조와 특성이 다른 세 가지 불순물(아세틸렌, 프로핀, 프로파디엔)을 모두 동시에 심층적으로 제거합니다.