沸石咪唑酯骨架材料深度吸附脱硫的旋流分离技术

Deep desulfurization technology of petroleum products is essential to control the atmosphere pollution in China. This project will focus on the developments of the novel adsorbents of Zeolitic Imidazolate Frameworks (ZIFs) and the hydrocyclones technology for the deep desulfurization. Combining the experimental and molecular simulation methods, we will investigate the growth of the topological structures of new type ZIFs materials, and establish a molecular simulation method to study the interactions between ZIFs and thiophenes and the adsorption activities of ZIFs. Based on the understanding of the relationship of the structures and surface properties of ZIFs with the adsorption properties, we can obtain a novel high efficient ZIF-type adsorbent for the desulfurization. Meanwhile, the hydrocyclone separation process for the deep desulfurization will be established. We will investigate effects of the spiral flow field on the movement of the adsorbents and the separation efficiency, as well as clarify the mechanism of the coupling of dynamic adsorption and solid-liquid separation. Through systematical investigations of ZIFs adsorbents and hydrocyclone separation process, we can provide some basic theories and data for improving separation efficiency and reducing the energy consumption of the ultra-deep desulfurization technology.

石油产品深度脱硫技术对我国大气环境污染治理至关重要。本项目以开发沸石咪唑酯骨架材料(ZIFs)深度吸附脱硫的旋流分离技术为目标，采用实验与分子模拟相结合的方法，系统地研究新型ZIFs材料拓扑结构的生长和组装规律，建立ZIFs结构和对噻吩类硫化物吸附性能的关系，阐明ZIFs材料的结构和表面性质与噻吩类硫化物的相互作用机制，揭示ZIFs的纳微尺度构效关系，获得具有高效吸附脱硫特性的ZIFs结构设计思路和合成方法。系统考察旋流场中吸附剂颗粒运动状态与分离效率的关系，揭示旋流场强化固液吸附与分离耦合的机制，探索建立低能耗旋流分离深度吸附脱硫新工艺。通过高效ZIFs吸附材料和旋流吸附分离耦合工艺的研究，为实现石油产品高效节能的深度吸附脱硫技术提供理论指导和基础数据。

燃料油深度脱硫从源头消除硫化合物污染，对大气环境污染治理至关重要。本项目以吸附法深度吸附燃料油中有机噻吩硫为研究背景，采用实验研究、计算机分子模拟和理论计算相结合的方法，在高效吸附材料与吸附脱硫分离工艺两方面取得了重要的研究进展。.采用经典动态密度泛函理论，通过预测458种金属有机框架材料MOFs吸附脱硫性能，获取最优的MOFs结构，阐明了材料孔道结构和表面电荷分布对强化噻吩硫多层吸附的机理。实验合成了基于MOFs的新型磁性材料、多孔有机聚合物及其金属复合物、多孔聚咪唑类离子液体等系列新型高硫容量吸附材料，获得同时优化孔道结构和表面活性位点的结构设计思路和合成新方法，其中多孔聚合物是首次应用于燃料油中脱除有机硫，吸附性能高达203.7 mgS/g。设计并构建了二级串联旋流液-液-固吸附脱硫与分离耦合装置，考察了旋流场中吸附剂颗粒运动状态与吸附剂/油固液分离效率的关系，揭示旋流场强化噻吩硫的动态吸附与固液分离效率的耦合机制，当采用MOF-199为吸附剂，可快速将模拟油含硫量从50 ppmw降低为8.79 ppmw（低于10 ppmw的国际标准），脱硫效率高达80％，吸附剂颗粒的分离效率高达99.75%，处理周期仅为30 s。.因此，本项目从分子水平阐明了材料分子结构和电荷分布特性与噻吩类硫化物的相互作用机制，材料微纳水平揭示了材料孔道结构和表面特性对噻吩类硫化物吸附的热力学和动力学的影响规律，宏观水平研究了吸附和分离耦合的旋流体的流体力学特征，形成了自下而上、多尺度跨越的解决科学关键问题的方法；更重要地，在技术层面上实现了多孔吸附剂的设计和合成，以及吸附旋流分离耦合脱硫技术的多层次贯穿的突破，在国内外重要期刊发表论文20余篇，国际会议报告10次，1人获得了2017年国家优秀青年科学基金支持，形成了优秀的吸附旋流分离研究团队，为实现石油产品深度脱硫技术提供思想和方法的创新。