论文标题： Robust Metal–Organic Frameworks with High Industrial Applicability in Efficient Recovery C3H8 and C2H6 from Natural Gas Upgrading

期刊：Engineering

作者：咸士凯, 彭俊杰, Haardik Pandey, Timo Thonhauser, 王浩, 李静

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.07.017

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随着城市化、工业化和人口的快速增长，化石燃料的消耗量也不断快速增长。天然气是最常用的能源之一，不仅因为它有丰富的自然储量，而且因为它比石油和煤炭更环保。一般来说，天然气中除主要成分CH₄之外，还同时存在C₂H₆（0~20%）和C₃H₈（0~5%），为提高天然气质量，应分别对其充分回收。回收的C₂H₆和C₃H₈可以通过催化脱氢生产C₂H₄和C₃H₆，这是生产各种塑料（如聚乙烯、聚氯乙烯和聚丙烯）的原料。然而，开发具有高吸收和选择性的高效吸附剂用于从天然气中分离和回收C₂H₆和C₃H₈是一项重要但具有挑战性的任务。

深职院霍夫曼先进材料研究院王浩团队与罗格斯大学李静研究团队合作在中国工程院院刊《Engineering》2023年4月刊发表了题目为“Robust Metal–Organic Frameworks with High Industrial Applicability in Efficient Recovery C₃H₈ and C₂H₆ from Natural Gas Upgrading”（天然气提质过程中可有效回收丙烷和乙烷的高工业应用潜力金属有机框架材料）的研究性文章，分析了两种高度稳定的铝基金属有机框架（MOF），即MOF-303和MIL-1600（MIL：拉瓦锡材料研究所），用于从天然气中高效地分离和回收C₂H₆和C₃H₈。文章采用体积法测定了CH₄、C₂H₆和C₃H₈的吸附等温线，计算了不同比例下C₂H₆/CH₄、C₃H₈/CH₄和C₃H₈/C₂H₆的理想吸附溶液理论选择性以及所有三种气体的等效吸附热。为进一步证实其在实际应用中的潜力，文章还进行了三元固定床突破实验。最后，应用密度泛函理论（DFT）计算方法研究了CH₄、C₂H₆和C₃H₈的吸附机理。

图1 关于MOF的高极性表面和合适的孔径如何协同增强框架对C₃H₈的亲和力以使C₃H₈和CH₄高效分离的示意图。

值得注意的是，MOF-303在298 K和5 kPa下对C3H8的吸收高达3.38mmol•g⁻¹，C₃H₈/CH₄（5:85, V/V）理想吸附溶液理论选择性为5114，在所有已报道的MOF中创下新高。此外，MOF-303也显示出很高的C₂H₆吸收能力（在10 kPa时）和C₂H₆/CH₄（10:85, V/V）选择性，分别达到1.59 mmol•g⁻¹和26。与MOF-303相比，MIL-160的孔径更大，一维（1D）通道内杂原子密度更低，因此其具有明显较低的吸收和选择性，但其值超过了大多数报道的MOF。

此外，DFT的计算结果表明，高表面极性和合适的孔径能协同增强框架对C₃H₈和C₂H₆的亲和力，从而产生了对C3H8和C2H6的高负载能力和选择性。在95%的相对湿度（RH）下暴露一个月后，两种MOF均具有显著的湿度稳定性，且结构没有变化。而且，这两种化合物的合成都可以很容易地通过一锅反应来放大规模，从而获得约5 g的高结晶度样品。总之，MOF-303和MIL-160作为先进的吸附剂在高效分离C₃H₈/C₂H₆/CH₄方面的巨大潜力，其优异的分离性能、高稳定性、低成本和良好的可扩展性，是天然气净化和回收C₂H₆和C₃H₈的理想吸附剂。

文章信息：Shikai Xian, Junjie Peng, Haardik Pandey, Timo Thonhauser, Hao Wang, Jing Li. Robust Metal–Organic Frameworks with High Industrial Applicability in Efficient Recovery C₃H₈ and C₂H₆ from Natural Gas Upgrading [J]. Engineering, 2023, 23(4): 56-63.

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原文链接：https://www.engineering.org.cn/engi/EN/10.1016/j.eng.2022.07.017

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