利用基于铝的金属有机框架（Al-based metal–organic framework）技术，直接从三元碳二（C2）气体混合物中生产高纯度乙烯

《Microporous and Mesoporous Materials》：Direct production of high-purity ethylene from ternary C 2 gas mixtures with a robust Al-based metal–organic framework

乙烯分离|金属有机框架|选择性吸附|工业分离过程|计算模拟|热稳定性|再生性能|C2气体分离|纳米催化剂|吸附剂性能优化

　　在现代工业中，乙烯（C?H?）作为制造多种化工产品的重要原料，其需求量逐年攀升。特别是随着全球对聚乙烯等聚合物材料的依赖加深，乙烯的生产效率和纯度提升成为研究重点。然而，乙烯的分离过程往往面临复杂的挑战，尤其是在从包含乙烷（C?H?）和乙炔（C?H?）的三元混合气体中提取高纯度乙烯。传统上，这些分离过程依赖于如催化氢化和低温精馏等高能耗技术，导致生产成本居高不下，限制了其在工业上的广泛应用。因此，寻找一种高效、低能耗的分离技术成为迫切需求。

在这一背景下，铝基金属有机框架材料（CAU-1）展现出独特的吸附性能，能够优先吸附乙烷和乙炔，从而实现从三元混合气体中一步分离出高纯度乙烯。CAU-1的结构由铝簇和2-氨基对苯二甲酸（NH?–BDC）连接体组成，其中铝簇富含甲氧基团，而连接体则具有氨基功能。这种结构的组合使得CAU-1在吸附性能上表现出色，不仅具有高孔隙率和良好的结构稳定性，还能够在不同的操作条件下保持吸附能力。实验结果显示，CAU-1在298 K和1 bar条件下对乙烷和乙炔的吸附容量分别为4.20 mmol/g和4.42 mmol/g，而对乙烯的吸附容量为3.57 mmol/g。这一吸附顺序使得CAU-1能够有效地区分乙烷和乙炔，从而实现乙烯的高纯度分离。

为了验证CAU-1的分离能力，研究人员进行了动态突破实验。实验表明，CAU-1在吸附过程中能够实现高纯度乙烯（>99.9%）的一步生产，其产率达到了0.43 mmol/g。此外，该材料的再生性能也得到了良好的验证，通过氦气吹扫可以在短时间内完成吸附物的脱附，从而实现高效的循环使用。这一特性使得CAU-1在实际工业应用中具备良好的经济性和可持续性。

CAU-1的结构稳定性在高温和高湿度条件下得到了充分证明。在热重分析（TGA）和高温X射线衍射（HT-PXRD）实验中，CAU-1在578 K以下仍能保持其晶体结构，且在80%相对湿度下连续暴露20天后，其孔隙结构也未发生明显变化。这表明CAU-1在实际操作环境中具有较强的耐受性，能够适应多种工业条件。同时，通过扫描电子显微镜（SEM）分析，CAU-1的颗粒形貌呈现出类似大米粒的光滑表面，粒径约为300 nm，这为后续的吸附和分离实验提供了良好的物理基础。

为了进一步理解CAU-1的吸附机制，研究人员进行了计算模拟。模拟结果表明，CAU-1的吸附性能与其表面功能团密切相关，特别是甲氧基（–OCH?）和氨基（–NH?）的相互作用。这些功能团通过C–H···O等多重相互作用，增强了对乙烷和乙炔的吸附能力，而对乙烯的吸附则相对较弱。这种选择性吸附机制使得CAU-1能够在不引入额外化学步骤的情况下，实现乙烯的高效分离。此外，模拟还揭示了不同气体分子在CAU-1结构中的吸附能量差异，进一步支持了其在实际应用中的优势。

在实际应用中，CAU-1的吸附性能不仅体现在其选择性上，还体现在其对不同气体混合物的适应能力。通过调整吸附条件，如温度和气体流速，研究人员发现CAU-1能够在多种动态条件下保持其分离效率。例如，在较低的相对湿度（15%）下，CAU-1的分离性能最佳，而在较高的湿度（40%）条件下，其效率有所下降，这可能是由于水分的吸附影响了乙烯的分离过程。因此，优化吸附环境对于提升CAU-1的分离性能至关重要。

从经济角度来看，CAU-1的制备成本相对较低，因为其主要原料（如铝盐和2-氨基对苯二甲酸）在工业上易于获得且价格合理。这使得CAU-1不仅在技术上具有优势，还具备良好的商业化前景。此外，CAU-1的再生过程简单且能耗低，这在长期运行中能够显著降低整体生产成本，提高能源利用效率。

综上所述，CAU-1作为一种新型的金属有机框架材料，在乙烯的分离技术中展现出巨大的潜力。其高吸附能力、良好的结构稳定性和低能耗再生特性，使其成为替代传统高能耗分离技术的理想选择。通过进一步的实验优化和工业应用测试，CAU-1有望在未来成为乙烯分离领域的重要材料，为化工行业提供更加高效、环保和经济的解决方案。