新型高C2H6/C2H4吸附选择性和高吸附容量的沥青基多孔碳材料及其分离乙烯乙烷机制

Separation of C2H6/C2H4 is an energy-intensive process by applying the current high-pressure (23 bar) cryogenic distillation column in industry. Developing an effective C2H6/C2H4 separation technology under ambient conditions is a challenging topic worldwide. The proposal aims at the development of novel asphalt-based activated carbon materials (A-ACs) with preferential adsorption of C2H6 over C2H4, and high C2H6/C2H4 adsorption capacities and selectivity under ambient conditions. The proposed work will focus on (a) fundamentally understanding of the effects of the textural properties, surface physical and chemical properties of A-ACs on its adsorption capacity, kinetics, and selectivity for C2H6/C2H4 and CH4/C2H6/C3H8 mixtures; (b) developing new technologies to tune pore size of porous carbon materials and modify the surfaces of A-ACs with doping heteroatom), and developing novel adsorbents with high C2H6/C2H4 adsorption capacity and selectivity; (c) Investigating the dynamic separation performance of A-ACs for C2H6/C2H4 adsorption separation, modeling and optimizing the adsorption separation process of C2H6/C2H4. The proposed work will help the development of highly efficient C2H6/C2H4 separation technology on the basis of using novel adsorbents. Moreover, it will provide new theories and technologies for efficient separation of C2H6/C2H4 mixture from the aspect of industrial application.

目前工业上采用高压低温精馏法分离乙烯乙烷是一个高能耗过程，研发常温高效分离乙烯/乙烷技术是一个在全球都极具挑战的课题。本项目主要研究具有优先吸附乙烷特性、高C2H6/C2H4选择性和高容量的新型沥青基碳材料及分离烯烃烷烃机制。内容主要有：理论上研究新型沥青基碳材料孔隙结构和表面化学对其吸附C2H6/C2H4混合物的吸附容量、选择性和动力学的影响规律以及乙烯乙烷吸附机理；分离材料层面上，研究不同合成法以及不同活化剂对沥青基碳材料孔隙结构和表面化学的影响规律，研究碳材料孔径调控和表面修饰（杂原子掺杂）新技术，以石油沥青为碳源，研制高C2H6/C2H4吸附选择性和容量的乙烯乙烷分离材料；在分离过程层面，考察材料动态分离性能，建立C2H6/C2H4分离过程模型和优化。项目成果有助于发展和形成新的常温高效分离乙烯乙烷新技术，为能从应用层面上进行高效分离乙烯乙烷，提供新理论和新技术基础。

乙烯是全球最大宗的化学品，目前工业上采用高压低温精馏法从乙烯乙烷混合物中分离是一个高能耗过程，研发可在常温条件下高效吸附分离乙烯/乙烷技术是一个极具挑战的课题。本项目主要研究具有优先吸附乙烷特性、高C2H6/C2H4选择性和高容量的新型碳材料和复合材料及分离烯烃烷烃机制。主要从理论上，研究新型碳材料和复合材料孔隙结构和表面化学对其吸附C2H6/C2H4选择性和吸附容量的影响规律以及乙烯乙烷吸附机理；在分离材料研制上，分别以石油沥青、氨基葡萄糖和淀粉为碳源，制备新型碳材料和复合材料。研究不同制备方法对新型碳材料和复合材料孔隙结构和表面化学的影响规律，研究孔径调控和表面修饰新技术。本项目研制出四种具有高容量的微孔碳材料，都具有优先吸附乙烷特性，其中，聚多巴胺-沥青基碳复合材料和氨基葡萄糖基碳材料的综合性能最好，它们对乙烷的吸附容量高达6-8 mmol/g（ 1 bar, 298 K）,处于国际公开报道的最高值，它们对乙烷/乙烯选择性为2-3（ 1 bar, 298 K），处于目前国际先进水平前列。此外，还研制出超微孔MOF材料RT-Cu(Qc)2，其结构稳定，对C2H6吸附容量达到2.19 mmol/g，而C2H4吸附容量仅为0.92 mmol/g，其对乙烷/乙烯和乙烷/甲烷的选择性分别高达4.1和35.9（288 K和1 bar下），处于目前国际上用于分离乙烷/乙烯综合性能最好的MOFs材料的前列。固定床动态分离试验证实，使用本项目研制出的这些新材料，可以实现在常温下分离乙烯乙烷和从天然气中有效地回收乙烷和丙烷组分。材料结构稳定且又同时具备高容量和选择性的特性使得所研制出的新型碳材料和MOFs材料在从裂解气中分离乙烷/乙烯和从天然气中回收乙烷的实际应用方面具有很大潜力，值得进行工业应用开发。项目成果有助于发展和形成新的常温高效分离乙烯乙烷新技术，能从应用层面上进行常温高效分离乙烯乙烷，提供新理论和新技术基础。