浙大科學(xué)家在乙炔乙烯氣體分離技術(shù)方面獲突破

浙江大學(xué)科學(xué)家及國際合作者發(fā)明了一種新工藝，極大地提高了人類分離乙烯和乙炔這兩種氣體的技術(shù)水平，樹立了新的標(biāo)桿。研究論文發(fā)表在最新一期著名期刊《科學(xué)》上，并被其在線版率先報道。

　　浙大化學(xué)工程和生物工程學(xué)院邢華斌教授實(shí)驗室聯(lián)合美國、愛爾蘭、荷蘭等國科學(xué)家開展的這項研究，尋找出一種能夠吸附乙炔的新型多孔材料，從而實(shí)現(xiàn)高效、大量地把乙炔和乙烯分離開來。他們還闡明了這種材料的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理。

　　乙烯和乙炔都是非常重要的化工原料，生產(chǎn)合成纖維、塑料，從飛機(jī)到手機(jī)所需的功能材料都離不開它們。乙炔被譽(yù)為“有機(jī)化工之母”，乙烯生產(chǎn)的技術(shù)水平、產(chǎn)量和規(guī)模則標(biāo)志著一個國家石油化工業(yè)的發(fā)展水平。但是，乙烯和乙炔總是彼此混合在一起，無論是從石油、煤炭還是頁巖氣中裂解都是如此。分離這兩種氣體是化學(xué)工業(yè)長期研究的課題。

　　邢華斌說，分離乙烯和乙炔遇到的一大難題是在專一性和大容量吸附之間“魚和熊掌不可兼得”。這其實(shí)是氣體分離中普遍存在的現(xiàn)象。能夠?qū)Ｒ恍晕侥繕?biāo)氣體的材料，往往吸附的量不高；吸附容量高的材料，專一選擇目標(biāo)氣體的能力又難以令人滿意。“就像一個蹺蹺板，一頭沉下去，另一頭就得翹起來。”邢華斌說。各國化工業(yè)界多年來進(jìn)行了大量研究，但始終難以理想地解決這個蹺蹺板的難題。

　　現(xiàn)在，邢華斌及合作者的工作實(shí)現(xiàn)了“魚和熊掌兼得”。他們?yōu)槎嗫撞牧显O(shè)計了合適的結(jié)構(gòu)，并且適當(dāng)?shù)卣{(diào)控了其中能夠吸附乙炔的陰離子的空間幾何分布。在邢華斌團(tuán)隊的實(shí)驗室里，記者看到了一個采用這種工藝的小型實(shí)驗裝置，當(dāng)混合氣體通過材料時，只有乙炔分子會被巧妙地攔截下來，乙烯則被放行。

　　在這個過程中起到關(guān)鍵作用的是陰離子，這一規(guī)律是邢華斌團(tuán)隊此前嘗試使用離子液體吸收乙炔時發(fā)現(xiàn)的，現(xiàn)在又被用到三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固體材料中。“這種材料的表面積很大，3克重的材料，如果把表面鋪開，能有足球場這么大。”邢華斌表示，乙炔分子有序地嵌入材料之中，保證了高吸附容量。實(shí)驗數(shù)據(jù)表明，新材料的工作吸附容量是目前已知最佳吸附劑的5.7倍，同時又保持了很好的分離選擇性。“這是對現(xiàn)有乙炔和乙烯分離技術(shù)的突破性發(fā)展。”邢華斌說，《科學(xué)》雜志的3位審稿人都給出了極高評價。

　　工業(yè)界目前花在制備乙烯上的代價高昂。因為難以找到有效分離辦法，目前工業(yè)上主要通過催化將乙炔轉(zhuǎn)化成乙烯，所需催化劑是昂貴的金屬鉑等。另外，現(xiàn)有的乙烯分離過程中需要反復(fù)多次制冷。“制備100萬噸乙烯，要消耗近85萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。”邢華斌介紹，2015年，全球乙烯產(chǎn)能達(dá)1.6億噸，背后是驚人的能耗。

邢華斌表示，新工藝有望大幅度降低分離乙炔和乙烯的能耗，產(chǎn)業(yè)化前景看好。“我們已經(jīng)申請了若干項專利，著手尋找合作伙伴開展成果轉(zhuǎn)化。”邢華斌說，我國目前制備乙烯的許多工藝還依賴進(jìn)口，而這項新工藝體現(xiàn)了中國智慧。用新型多孔材料分離乙炔乙烯還為氣體分離技術(shù)發(fā)展提供了全新思路。邢華斌說，類似的方法還可以用于燃煤脫硫、捕集溫室氣體等。