本研究聚焦于材料科学与化工工艺,特别介绍了一种ZIF-8材料在分离C5烃类化合物方面的应用。该ZIF-8材料制备过程简便,支持大规模生产,并采用去离子水作为溶剂,具有高效分离性能。
背景技术
C5馏分是重要而又具有潜在应用价值的化工原料。裂解C5馏分的产率、组成和含量主要取决于裂解原料的组成,裂解原料越轻,C5产率就越低。C5馏分中含有二十多种沸点接近的组分,主要包括二烯烃(异戊二烯和间戊二烯等)、单烯烃(1-戊烯和2-戊烯等)和烷烃(正戊烷和异戊烷),其中异戊二烯的利用价值较高且含量较多。异戊二烯主要用于生产性能接近天然橡胶的聚异戊二烯橡胶,也是丁基橡胶和苯乙烯—异戊二烯嵌段聚合物(SIS)热塑性弹性体的第二单体。异戊二烯是极其重要的碳五双烯烃,它是合成橡胶的重要单体,主要用于合成异戊二烯橡胶,其产量仅次于丁苯橡胶和顺丁橡胶而居合成橡胶第3位。近年由于天然橡胶价格上涨较快,异戊二烯橡胶产量有所回升,为异戊二烯在橡胶领域的应用提供了机会。异戊二烯也可用作合成丁基橡胶的一种共聚单体,以改进丁基橡胶的硫化性能。
C5馏分组成复杂,组分间沸点接近,相对挥发度较小,彼此之间又容易形成共沸物,而且双烯烃易于聚合,因此要分离出高纯度的异戊二烯产品比较困难。目前工业上普遍采用的方法是多步萃取精馏和共沸精馏的方法来得到聚合级的纯组分。采用萃取精馏或共沸精馏的方法普遍存在分离能耗高、设备投资大、操作过程复杂以及溶剂消耗大,环境不友好等问题。
吸附分离技术因其操作便捷、设备成本经济、生产能耗低等优点,被视为极具潜力的分离技术。传统吸附材料如多孔聚合物、分子筛和活性炭等,虽然已在吸附分离领域得到广泛应用,但这些材料普遍存在孔径调控难度大、对尺寸差异细微的分子识别能力不足的局限性。
金属-有机框架材料已经广泛应用于低碳烃吸附分离的研究领域的。近年来,有很多研究报道了乙烯/乙烷,丙烯/丙烷等气态碳烃的吸附分离,C6-C8等液态碳烃的吸附分离研究也已经非常成熟,但是对碳五化合物的研究非常少。例如,Michael Maes等人首次报道了用吸MIL-96、菱沸石和5A分子筛实现顺/反-间戊二烯的选择性吸附分离,但吸附分离选择性不高。Huabin Xing等人通过离子杂化微孔材料ZU-62和TIFSIX-2-Cu-i用于异戊二烯的分离,虽然该材料的再生性能较好,但是在0.1 bar(298k)下,仍对异戊二烯有较大的吸附量,达不到筛分的效果,分离选择性不高。Zongbi Bao课题组利用沸石5A和没食子酸类MOF组合使用,实现了C5双烯烃的分离,虽然该研究具有较高的选择性,但是无法实现一步分离。
因此,针对金属有机框架材料在多组分C5碳氢化合物中的分离应用,开发新的分离材料和分离方法,实现异戊二烯、1-戊烯、顺式-2-戊烯、反式-2-戊烯和正戊烷五组份混合体系的筛分分离具有重要的研究意义。
实现思路