面向C4烯烃混合物吸附分离的真实金属-有机骨架材料高通量筛选

• 作者: 杨磊 吴宇静 吴选军 蔡卫权
• 来源期刊: 化学学报
• 关键词: 真实金属-有机骨架材料 分子模拟 高通量筛选 吸附分离 1,3-丁二烯
• 年，卷（期）: 2021,（4）
• 所属期刊栏目: 研究论文|Article
• 页码范围: 520-529
• 页数: 10页
• 语种: 中文
• DOI: 10.6023/A20110526

摘要

常规的烯烃/烷烃冷冻加压精馏分离过程具有高能耗和低效率的特点,吸附分离技术可以在温和条件下高效纯化烯烃分子而在烯烃/烷烃分离领域展现出广阔应用前景.本工作采用高通量筛选技术从12723个真实金属-有机骨架(MOF)材料中筛选具有优异C4烯烃混合物选择性吸附性能的吸附剂,用于1,3-丁二烯的分离纯化.首先,根据MOF材料的结构参数进行筛选获得了7681个具有合适孔径和比表面积的吸附剂.然后,采用分子力学方法计算出上述吸附剂的力学性能,以UIO-66力学性能为阈值得到959个结构稳定的候选MOF材料.接下来采用巨正则蒙特卡洛(GCMC)方法模拟出298 K、0.1 MPa下五元等摩尔C4烯烃混合物在不同候选MOFs中的选择性吸附行为,根据候选MOFs对1,3-丁二烯的吸附性能分值(APS)进行排序,得到具有最佳吸附分离性能的8种MOF材料.通过定量构效关系、吸附等温线及理想吸附溶液理论等揭示了高吸附分离性能MOFs的结构特征,利用穿透曲线模拟进一步验证了填充最优吸附剂RIGPEE01的固定床能够有效分离2-顺式丁烯/1,3-丁二烯双组分混合物.最后,通过径向分布函数和结合能计算分析,确定RIGPEE01对1,3-丁二烯产生优先吸附的机理主要归因于Cu(Ⅰ)强吸附位点、π键耦合效应和尺寸筛分效应.本工作提出的高通量筛选方法以及从分子尺度理解MOF材料应用于烯烃分离机制的视角,为进一步开发烯烃/烷烃混合物分离的新型吸附剂奠定了理论基础.