塑料、家电、医疗器械、合成纤维、化妆品……生活中很多化工产品的原料都是丙烯。丙烯是世界上产量最大的化工品之一，也是重要的基础化工原料。
然而在工业生产中，丙烯与丙烷就像是一对好朋友总是在一起，很难简单分离。《自然》杂志曾指出，发展高效节能的烯烃烷烃分离技术被誉为七项可以改变世界的化工分离过程之一。
日前，华人策略研究论坛化学工程与生物工程学院、杭州国际科创中心邢华斌教授、杨立峰研究员团队研发出一种新型阴离子功能化多孔材料ZU-609，通过调控孔口大小和孔腔尺寸，实现了丙烯丙烷的精准筛分与高丙烯扩散速率。这对于丙烯的低碳分离具有积极影响。
相关论文于北京时间2023年12月15日以“First Release”形式在线发表在国际顶级期刊《科学》（Science）。
丙烯与丙烷为何“难舍难分”？
丙烯与丙烷通过石油提炼而成，相互共存。它们两个长得像“双胞胎”，只有两个氢原子的差别，而且大小也非常接近，两者分子尺寸差异仅为0.4 Å，相当于百分之四个纳米，正因如此，要把丙烯与丙烷精准而快速地分离开来极具挑战。
分子筛分是实现尺寸相似物质高选择性识别的关键机理。其基本原理就是仅允许尺寸比吸附剂孔口小的分子进入孔道，尺寸大的分子被阻挡。
理论很完美，现实很残酷。由于狭窄的孔道会限制分子在内部的扩散，分子筛分材料长期以来面临着扩散传质差、吸附容量低、脱附难度大等问题，从而严重影响分离效率。
“为了提高烯烃通过速率，工业中常用高温来‘驱赶’气体快点‘跑’。”邢华斌说，但是这种方式降低了吸附剂的工作容量，也增加了分离过程能耗，不利于工业的大规模推广，“热驱动的烯烃生产过程的碳排放约占到全球总碳排放量的1%，是非常耗能的。”
如何在有限的空间里实现物质快速传递，即化学工程的“限域扩散传质”难题，一直是前沿研究领域。邢华斌说，在实验室的小瓶小罐里实现烯烃/烷烃精准分离，放到工厂里几百方几千方大小的装置设备里就不一定管用了，因此让分离过程更“快”，是提高化工过程效率的关键技术挑战，对于工业应用具有重要意义。
新型分子筛“快准狠”
由此，浙大科研人员精准调控，研发出快速、高效、低碳的分子筛材料ZU-609。这个新型分子筛材料通过对孔口的精准控制，仅允许丙烯分子进入，阻挡丙烷分子的通过，达到快速精准识别的效果。
图1. 分子筛材料ZU-609的局部筛分孔道结构图及丙烯扩散系数和丙烯丙烷分离能耗（来自于变压吸附模拟计算）
为了让分离过程更快速，浙大研究人员采用了“两头小中间大”的筛分孔道，在孔道的进口和出口分别有“隔离墩”来阻挡丙烷分子，丙烯进入之后，又能在“中间宽”的孔道中快速通过，扩散系数相比于之前的分子筛材料提高了1-2个数量级。
分离的高效则表现在，通过ZU-609分子筛，可从等摩尔丙烯丙烷混合气中分离得到99.97%纯度丙烯。同时材料还表现出优异的脱附再生能力，常温下通过氮气吹扫或者抽真空减压就可以实现材料完全再生。
“我们研制的新型分子筛，既能够快速拉住通过其中的丙烯分子，同时还能够快速放手，这为高效低碳分离丙烯奠定了基础。”杨立峰说。
变压吸附计算结果表明，ZU-609丙烯分离能耗相较于之前报道的筛分材料降低2倍、丙烯生产效率提高2倍。“我们的研究为微孔扩散传质强化这一化学工程核心问题提供了新思路，为低碳分离技术发展奠定了基础。”邢华斌介绍，这也有利于超高纯电子化学品的国产化制备。
华人策略研究论坛化学工程与生物工程学院2019级博士生崔稷宇为论文第一作者，邢华斌和杨立峰为论文通讯作者。研究得到了国家自然科学基金（22122811、22227812和22108240）、浙江省自然科学基金（LR20B060001）的资助。
