面向二甲苯同分异构体分离的金属有机骨架膜制备及其分离机理研究

As important chemicals in the petrochemical industry, the separation of xylene isomers (i.e., p-\o-\m- xylene) is always one of the best challenging research topics in the chemical separation field, due to their similar physicochemical properties. Compared with other traditional separation techniques, membrane-based separation technique becomes more and more promising because of its low cost, energy saving potential, high capacity, continuous operation and easy scale-up. However, high-performance separation membrane materials for the separation of xylene isomers are currently scarce. In this proposal, metal-organic frameworks (MOFs) are selected as a new generation membrane material for the separation of xylene isomers. Based on modern characterization techniques, this proposal is to make fundamental investigations on the preparation and application of MOF membranes, including the understanding the formation mechanism of MOF membranes, the interfacial interaction between the membrane and the porous ceramic support, the separation performance for the xylene isomers and the transfer behavior of the molecules in the membrane. The implementation of this project will provide basic theory and technical support for MOF materials used in the isomer separation field.

作为石油化工行业中重要的基础化工原料，二甲苯同分异构体（即：对二甲苯、间二甲苯和邻二甲苯）的分离，由于其极为相似的物理化学性质，是当前化工分离领域最具难度和最具挑战性的前沿课题之一。相比于传统分离方法，以薄膜为基础的分离技术，具有能耗低、成本低、效率高以及可连续化操作等突出优点，受到了广泛关注，显示出越来越诱人的应用前景。然而，该技术目前存在的关键问题是缺乏高性能的膜分离材料。为此，本项目提出“将金属有机骨架（MOFs）材料作为新一代同分异构体分离膜材料”的新思路。项目拟运用现代材料表征技术，对MOF膜的成膜过程进行多尺度研究，探索膜微结构的形成机理和调控方法，研究膜层与支撑体之间的界面结合关系，考察膜层分离性能与分离机理，初步形成基于MOF膜的二甲苯同分异构分离基础理论。项目的实施将开拓MOF膜的应用领域，为MOF膜在同分异构体分离领域的发展提供理论与技术参考。

二甲苯同分异构体的分离和纯化对于化工生产具有重要意义。然而，传统高能量密集型分离手段包括：吸附分离法、络合分离法、反应精馏法等，往往伴随着环境不友好、能耗高、效率低等问题，因此，为缓解这一困境，具有碳足迹低、能耗低、可连续化操作的膜分离法逐渐被开发用以替代传统分离技术。其中，MOF材料凭借灵活可调的孔道结构，丰富的活性位点，已成为现阶段最具工业前景的膜分离材料之一，大量实验与计算模拟已经证实了其在二甲苯异构体分离领域的巨大优势与潜力。但是，到目前为止，关于MOF同分异构体的分离研究大多局限于单晶吸附分离，MOF膜应用于二甲苯同分异构体的工作鲜有报道，相关理论还不成熟。对此，本项目针对MOF膜应用于二甲苯同分异构体分离进行了一系列研究，包括MOF膜材料的筛选、分离膜的制备及其微结构形成机理与调控方法。首次，对30种MOF材料进行二甲苯同分异构体分子吸附分离测试，筛选出稳定性好、易制备、吸附分离性能最优的MOF-801等材料。同时，研发二次生长法制备出高质量MOF膜（MOF-801膜、MOF-808膜、UiO-66膜、MIL-160膜），其中MOF-801膜展现出高达179的PX/OX的分离性能，以及良好的长期稳定性，超过了目前大多数的先进膜材料。此外，利用分子动力学模拟、拉曼检测、原位红外等先进技术，证实了形貌筛分与氢键驱动协同作用是实现MOF-801二甲苯同分异构体的高效分离的关键。本项目的实施扩展了MOF材料在膜领域的应用，为同分异构体的分离提供新的思路，为后续探索先进膜材料分离同分异构体提供了理论指导。