硼修饰纳米多孔石墨烯膜在乙烯/乙烷高效节能分离中的应用研究

为解决石化工业中C2烃类(乙烯/乙烷)分离能耗高的问题(占乙烯生产成本75%)，研究人员通过分子动力学模拟(LAMMPS)设计硼修饰石墨烯(BC3)膜。优化后的P2孔隙(直径4.23 ?)在450 K时实现乙烯渗透率779.9 mol/m2·s且乙烷零渗透，压力3.553 atm时仍保持920 mol/m2·s高流量。该膜可替代传统高耗能蒸馏工艺。

　　

在石化工业这个"能源黑洞"中，C2烃类分离就像在双胞胎中挑高个子——乙烯(C₂H₄)和乙烷(C₂H₆)这对化学兄弟的分离过程，竟吞噬了75%的乙烯生产成本。科学家们把目光投向了被称为"分子筛"的纳米多孔石墨烯，特别是经过硼原子修饰的BC3版本。

通过分子动力学模拟(LAMMPS)这个"数字显微镜"，研究人员发现直径4.23 ?的P2孔隙就像智能旋转门：在室温下只允许乙烯以463 mol/m²·s的速度通过，而把乙烷完全挡在门外。当温度升至450 K时，这个"分子夜店"迎来客流高峰——乙烯渗透率飙升至779.9 mol/m²·s。

不过压力增加到3.553 atm时，这个筛子开始"漏网"，乙烷以170 mol/m²·s的速度混入。更有趣的是，当孔隙密度增加10%，选择性会像跳水般降至28%，但乙烯流量依然稳定在680 mol/m²·s左右。这项研究为替代传统蒸馏工艺——这个化工界的"电老虎"提供了新思路。