평행 파라핀 나노와 확장 파라핀 나노 기반의 초미세다공성 물질

Nature Communications 13권, 기사 번호: 4928(2022) 이 기사 인용

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올레핀/파라핀 혼합물로부터 선택적 파라핀 포집은 고순도 올레핀을 직접적으로 얻을 수 있지만, 낮은 분리 선택성 및 올레핀 생산성 문제를 안고 있습니다. 본 연구에서는 1차원 채널을 따라 선형으로 확장된 이소프탈산 단위가 평행하게 정렬되어 초고순도 C2H4 및 C3H6(99.99%)의 효율적인 생산을 실현한 초미세다공성 물질(PCP-IPA)을 보고합니다. 시뮬레이션 연구에서 입증된 바와 같이 주기적으로 확장되고 평행하게 정렬된 방향족 기반 단위는 C2H6 및 C3H8의 노출된 수소 원자와 접촉하는 파라핀 나노 트랩 역할을 했습니다. PCP-IPA는 C3H8/C3H6(50/50) 혼합물에 대해 2.48의 분리 선택도와 1.20mol/L의 분리 전위를 기록하는 동시에 우수한 C2H6/C2H4 혼합물 분리 성능을 나타냅니다. 초고순도 C3H6(99.99%) 및 C2H4(99.99%)는 각각 C3H8/C3H6 및 C2H6/C2H4 혼합물로부터 고정층 컬럼을 통해 직접 얻을 수 있습니다. 기록적인 C3H6 생산성은 C3H8/C3H6의 등몰에서 최대 15.23L/kg으로, 이는 이전 벤치마크 물질의 3.85배이며, 이는 중요한 산업 분리에 대한 큰 잠재력을 보여줍니다.

프로필렌(예: 프로필렌 및 ​​에틸렌)은 석유화학 산업에서 중요한 화학 공급원료이며, 첨단 정밀화학제품 및 폴리머 제조에는 최소한 폴리머 등급 또는 심지어 초고순도(99.99%) 올레핀이 필요합니다1,2. 올레핀/파라핀 분리는 고순도 올레핀을 생산하는 핵심 공정이지만 주로 고에너지 발자국과 관련된 극저온 증류 또는 다단계 증류를 통해 수행됩니다3,4,5. 탄소 배출이 적은 비열 구동 대안의 개발은 과제에 대한 잠재적인 해결책입니다5,6.

다공성 물질을 기반으로 한 흡착분리 기술은 이러한 딜레마를 해결할 수 있는 실현 가능한 방안을 제공하며, 맞춤형 다공성 물질의 지속적인 발전으로 이 기술은 더욱 매력적인 전망을 보여줍니다7,8,9,10,11,12,13,14. 올레핀-선택적 흡착제는 올레핀/파라핀 분리를 위해 널리 연구되어 상당한 성과를 거두었습니다15,16,17,18,19,20,21,22,23,24. 그러나 이상적으로 무한한 올레핀/파라핀 선택성을 갖춘 현재의 벤치마크 분자체 물질조차도 파라핀의 불가피한 공동 채택으로 인해 순도 99.1%의 올레핀만 제공할 수 있으며 올레핀이 폴리머 등급 순도에 도달하려면 추가 흡탈착 주기가 필요합니다. . 초고순도(99.99%)25,26의 올레핀을 생산하려면 정제 단계가 더 복잡할 것이라고 합리적으로 추측됩니다. 대조적으로, 파라핀 선택적 흡착제는 단일 흡착 사이클을 통해 고순도 올레핀을 직접 제공하고 분리 공정을 단순화하며 점차 관심을 끌 수 있다는 장점이 있습니다27,28,29,30. 예를 들어, Hartmann et al. 두 개의 Zeolite imidazolate 프레임워크(ZIF-4 및 ZIF-8)가 알켄보다 알칸에 대해 더 강한 친화력을 보였다고 보고했습니다31,32, Jorge et al. ZIF-7은 게이트 개방 효과를 통해 알켄보다 알칸을 선택적으로 흡착할 수 있음을 입증했으며 Anne et al. 예측된 Silicalite-1은 파라핀 선택적 흡착 성능을 가지고 있습니다. 보고된 파라핀 선택적 흡착제에 대한 증거로 알칸의 선택적 흡착을 실현하는 방법에는 두 가지가 있습니다. (1) Fe(O2)(dobdc)35의 철-과산화 부위와 같은 파라핀과 다중 수소 결합을 형성하기 위한 특정 기능 부위의 구축 및 기능 부위 분포의 조절을 통해 파라핀의 정확한 N 및 O 분포 MAF-4936 및 JNU-237 등38,39은 C2H4보다 C2H6에 더 높은 친화성을 나타냅니다. (2) BUT-1040, PCN-25041, Cu(Qc)242, HOF-7643 등과 같은 사중극자 모멘트의 파라핀 및 올레핀 특성 차이를 인식하기 위해 기공 구조의 비극성 표면을 강화합니다.44,45,46 ,47. 그러나 이러한 파라핀 선택성 흡착제 설계 접근법의 대부분은 파라핀의 크기와 일치하도록 기공의 3차원을 기반으로 하며, 이는 역으로 단일 물질이 서로 다른 분자 크기의 C2H6 및 C3H8을 동시에 식별하는 비효율성을 초래합니다(그림 1a). 또한, 현재의 파라핀 선택성 흡착제의 설계, 분리 선택성 및 올레핀 생산성 모두 눈에 띄는 진전이 있었지만 여전히 개선되어야 하며, 특히 C3H8/C3H6 혼합물의 경우 파라핀/올레핀 선택성이 2 미만이고, 올레핀 생산성이 여전히 개선되지 않고 있습니다. 4.0L/kg40,48,49,50보다 낮습니다.