C-F键和C-H键对丙烷和全氟丙烷在FAU型沸石上吸附的影响

《Microporous and Mesoporous Materials》：The influence of C-F- and C-H-bonds on the adsorption of propane and perfluoropropane on FAU-type zeolites

碳氟键与碳氢键对沸石分子筛吸附行为的影响研究。比较了C3F8和C3H8在NaX和CaNaX沸石上的吸附特性，发现低压力下C3F8在NaX吸附量更高，而CaNaX因钠钙离子交换增强了C3H8吸附。混合吸附中C3H8更易置换C3F8，尤其NaX低温时显著。IAST模型预测存在偏差，主要因低压力数据缺失及未考虑吸附位点能级差异。

　　

马尔特·门克（Malte Menk）|克里斯蒂安·布莱克（Christian Bl?ker）|克里斯托夫·帕塞尔（Christoph Pasel）|迪特尔·巴滕（Dieter Bathen）

杜伊斯堡-埃森大学热过程工程系，Lotharstra?e 1，D-47057 杜伊斯堡，德国

摘要

本研究旨在探讨碳-氟键和碳-氢键对吸附过程的影响。为此，我们使用全氟丙烷（C₃F₈）和丙烷（C₃H₈）在-20至25°C的温度范围内对FAU型沸石（NaX和CaNaX）进行了对比实验。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）测得的穿透曲线获得了纯组分和混合组分的等温线。此外，还利用理想吸附溶液理论（IAST）预测了混合组分的等温线。在NaX上，低相对压力下的纯组分吸附过程中，C₃F₈的吸附量高于C₃H₈；而在CaNaX上，C₃F₈和C₃H₈的吸附量相似。显然，丙烷因离子交换（从钠离子到钙离子）而增强了与沸石的相互作用，而全氟丙烷由于其较大的分子结构，其相互作用未受到显著影响。由于分子尺寸较大，C₃F₈的饱和能力较低。在混合吸附过程中，静电效应和空间位阻效应共同起作用。实验数据显示，随着覆盖度的增加和温度的降低，C₃H₈在NaX沸石上对C₃F₈的置换作用更强。IAST的预测在定性上与实验数据相符，但在某些方面存在显著偏差，这可能是由于纯组分等温线拟合不准确以及非理想吸附行为所致。IAST预测与实验数据之间的最大偏差出现在相应组分的低相对压力区域，这可能是由于该压力范围内实验数据不足、分子尺寸效应考虑不全面、缺乏特定相互作用的描述以及未充分考虑吸附位点的能量异质性。本研究的结果为碳-氟键（C-F）和碳-氢键（C-H）在竞争性吸附中的选择性及吸附容量中的作用提供了机制上的见解，并有助于开发选择性分离氟化烃的方法。

部分内容摘要

引言与理论背景

氟化烃在工业应用中广泛使用，例如作为制冷剂、气溶胶推进剂和高效吸入麻醉剂[1][2][3]。尽管它们具有多种技术用途，但也会带来严重的环境风险，包括极强的持久性、高生物地球化学迁移性、全球分布以及在大气中的积累。其高全球变暖潜能尤其值得关注，以七氟醚为例。

材料

实验中使用的吸附剂为丙烷（纯度>99.5%，Air Liquide）和全氟丙烷（纯度>99.9%，Linde Gas）。惰性载气为氮气，来自大学供气系统，纯度>99.999%，露点为-80°C。表1列出了这些化合物的化学和物理性质。

C₃H₈是一种烷烃，其偶极矩极小，因为碳原子和氢原子之间的电负性差异很小，且分子结构对称。

结果与讨论

纯组分实验的数据以等温线图的形式呈现，吸附量以单位晶胞内的分子数（mc/uc）表示，并随相应相对压力（Pa）的变化而变化。混合组分的实验数据 ebenfalls 以类似方式展示，即吸附量与相应组分的相对压力相关联。

总结与结论

本研究探讨了碳-氟键（C-F）和碳-氢键（C-H）在氟化烃和非氟化烃竞争性吸附中的作用。实验中，将丙烷和全氟丙烷的二元混合物吸附在FAU型沸石NaX和CaNaX上，温度范围为-20°C至25°C。研究目的是量化分子尺寸、极性和特定阳离子相互作用对吸附选择性和吸附容量的影响，并为选择性分离过程的发展提供理论依据。

作者贡献声明

马尔特·门克（Malte Menk）：撰写初稿、数据可视化、结果验证、方法设计、实验设计、数据分析、概念构建。 迪特尔·巴滕（Dieter Bathen）：审稿与编辑、项目监督、资源协调、方法指导。 克里斯托夫·帕塞尔（Christoph Pasel）：审稿与编辑、项目监督、方法指导。 克里斯蒂安·布莱克（Christian Bl?ker）：审稿与编辑、项目监督、方法设计、数据分析。

声明

作者声明没有潜在的财务利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

热过程工程系感谢Chemiewerk Bad K?stritz GmbH（CWK）提供实验所需的吸附剂。