高選擇性分離分子

卡爾斯魯厄理工學院（KIT）的一位研究人員與合作伙伴共同開發了“多孔液體”：納米顆粒，它能夠將不同大小的氣體分子分離開來，并在溶劑中精細分布。這是因為這些顆粒具有空孔，只有一定大小的分子才能穿透其開口。這些多孔液體可直接使用或加工成膜，有效地將丙烯從氣體混合物中分離出來。丙烯是一種廣泛使用的塑料材料。這將取代目前普遍采用的能量密集型蒸餾法。研究小組在《自然材料》上報告了研究結果。

丙烯，是化學工業最重要的原料之一，全世界每年消耗的丙烯總量約為1億噸。以丙烯為原料生產的聚丙烯，是真正的“大眾塑料”，主要用于包裝，也可用于建筑、汽車等行業。丙烯主要通過加工原油或天然氣獲得。在這一過程中，它通過蒸餾與其他氣體分離，然后進行提純。

“在技術文獻中，假設在石油化學中使用膜氣體分離的成本僅為蒸餾所需能量的五分之一。考慮到所需的大量丙烯，這意味著可以避免大量溫室氣體二氧化碳的釋放。”來自KIT功能界面研究所的初級研究小組組長Alexander Knebel博士說，直到2019年他還在漢諾威萊布尼茲大學和沙特阿拉伯進行研究。

這位化學家是一個研究項目的主要貢獻者，該項目首次提高了石化行業對使用膜分離丙烯的興趣。Knebel的合作伙伴是來自漢諾威萊布尼茲大學、阿卜杜拉國王科技大學和德國技術研究所的科學家。

首次在液體中分布金屬有機框架

研究人員從固體材料ZIF-67（沸石咪唑框架）開始工作，其原子形成一個金屬有機框架，孔寬0.34nm。在這樣做的過程中，他們系統地修飾了ZIF-67納米顆粒的表面。“這使我們能夠在環己烷、環辛烷或均三甲苯等液體中精細地分散金屬有機框架。”Knebel高興地說。科學家們將由此產生的分散體稱為“多孔液體”。

例如，氣態丙烯需要花費比甲烷更長的時間才能通過充滿多孔液體的柱體。這是因為丙烯被保留在納米顆粒的孔隙中，而較小的甲烷分子則順利通過。“我們希望將來利用這種分散性來生產液體分離膜。”Knebel說。

改良后的分離膜

多孔液體也可用于生產具有特別優越性能的固體分離膜。研究人員用一種塑料材料和化學改性的ZIF-67制成了薄膜。他們成功地將改性ZIF-67在膜中的比例提高到47.5%，而不會使其在機械性能上不穩定。當科學家們將等量的丙烯和丙烷組成的混合氣體通過兩個串聯排列的膜時，即使兩種氣體分子的大小相差不超過0.2納米，也能得到純度至少為99.9%的丙烯。

除了它的分離效率外，在一定時間內可以通過的氣體混合物的數量對這種膜的實際使用具有決定性意義。與以前的材料相比，新膜的流速至少高出三倍。憑借所達到的分離值，Knebel深信，石化行業首次使用膜代替傳統的蒸餾工藝進行氣體分離，將會得到回報。

盡可能多的金屬有機顆粒能夠均勻分布在塑料中，并且納米顆粒中的孔隙在制膜過程中不會被溶劑堵塞，即保持在空洞狀態，這對膜的性能至關重要。Knebel解釋道：“我們之所以能夠達到這兩個目標，是因為我們沒有將固體顆粒直接并入膜中，而是通過多孔液體進行，盡管這看起來像是走了一個彎路。”