高压条件下金属有机框架材料用于CO2/C2H6吸附分离的工业应用研究

为解决石化工业中CO2杂质导致的管道腐蚀与催化剂中毒问题，研究人员系统评估了ZIF-8、UiO-66和MIL-53(Al)三种MOFs在20 bar高压下的吸附性能。研究发现UiO-66具有最优的CO2吸附量（12 mmol/g）和选择性（IAST选择性2.5），其7.8 mmol/g的工作容量是5A沸石的7倍，为PSA工艺提供了高效吸附剂解决方案。

　　

石化工业中，乙烷（C₂H₆）作为乙烯生产的关键原料，常因伴生CO₂引发管道冻结、设备腐蚀及下游催化剂中毒等问题。传统胺吸收法存在能耗高、环境污染等缺陷，而沸石5A等吸附剂又面临再生困难的技术瓶颈。针对这一行业痛点，伊朗石油工业研究院（Research Institute of Petroleum Industry）的Zohre Feli团队在《Inorganic Chemistry Communications》发表研究，首次系统评估了三种明星金属有机框架材料（MOFs）——ZIF-8、UiO-66和MIL-53(Al)在模拟工业条件（20°C、20 bar）下的CO₂/C₂H₆分离性能。

研究采用溶剂热法合成材料，通过XRD、BET等技术表征结构，并建立高压静态吸附装置测试气体吸附行为。关键创新在于优化了ZIF-8的溶剂配比与洗涤步骤，以及MIL-53的200°C真空脱气工艺，使ZIF-8比表面积达1816 m²/g，较文献值显著提升。

材料表征
XRD证实三种MOFs均成功合成，其中UiO-66展现最高热稳定性（500°C不分解）。BET显示ZIF-8具有最大孔容（0.66 cm³/g），而MIL-53特有的"呼吸效应"使其孔径可随压力变化。

吸附性能
CO₂吸附量排序为ZIF-8（14.3 mmol/g）> UiO-66（12 mmol/g）> MIL-53（9.6 mmol/g），均显著高于C₂H₆吸附量。Sips模型能最佳拟合实验数据，揭示CO₂与MOFs骨架的强相互作用。

分离机制
UiO-66展现双重优势：平衡选择性（2.1）与IAST预测选择性（2.5）均最高，且经二元气体实验验证。动力学分析表明分离主要依赖热力学平衡而非扩散速率差异。

工业适用性
UiO-66在模拟PSA循环（20 bar→1 bar）中表现出7.8 mmol/g的工作容量，是传统沸石5A的7倍。其适中的吸附热（25 kJ/mol）确保低能耗再生，满足工业PSA对材料再生性能的严苛要求。

该研究突破性地证实UiO-66在高压CO₂/C₂H₆分离中的工业应用潜力，为解决石化行业气体纯化难题提供了新材料选择。特别值得注意的是，研究提出的合成优化策略使MOFs性能超越文献值，为同类材料的工业化改性提供了重要参考。相较于现有技术，UiO-66基PSA工艺预计可降低30%以上的再生能耗，具有显著的经济和环境效益。