高规整层状多孔炭的构筑及固载富氮离子液体用于乙烯强化吸附

Producing polymer-grade ethylene from refinery dry gases is a critical way to increase the ethylene supply, however, traditional separation methods are difficult to achieve high efficiency in the standards of green chemical process. The most important reason is that the similar properties of ethane and ethylene, thus, separation ethylene from ethane is very important. In this proposal, we propose to construct layered ordered porous carbons (LOPCs) and further incorporate N-rich ionic liquids into the pore systems, this kind of novel functionalized porous carbons are expected to show both high ethylene adsorption capacity and high ethylene/ethane separation selectivity. The structure-function relationship between adsorbents and ethylene/ethane selectivity will be systematically studied. The acid-catalyzed exfoliation method will be applied to construct layered carbon precursor, combined with mild condition activation process, the LOPCs are expected to be prepared successfully. The hydrogen-bond immobilization method will be investigated and achieve highly uniform and stable N-rich ionic liquid incorporation. The synergistic enhancement effect of surface properties and π-π interaction on ethylene/ethane separation selectivity will be demonstrated clearly. The porosity, surface properties, element composition and distribution and morphology will be systematically studied, the single-component adsorption and dynamic adsorption will be conducted to illustrate the adsorption mechanism and recycle stability. In a word, this proposal could construct novel composite adsorbents with excellent ethylene capacity and high ethylene/ethane selectivity, moreover, this work could provide a guide to prepare novel composite adsorbents.

有效利用炼厂干气是提升聚合级乙烯产量的重要手段，如何低能耗的高效生产聚合级乙烯是亟需解决的难题。本课题拟利用吸附分离技术，采用吸附过程中强化乙烯吸附并脱附回收高纯乙烯的技术路线。因此，提出构筑孔径均一的高规整层状多孔炭并固载富氮离子液体，达到乙烯强化吸附实现乙烯/乙烷高效分离的新策略，满足大吸附容量且高分离选择性的需求。具体来说，提出酸催化剥离制备高规整层状多孔炭材料的新方法，实现高均匀性负载；构建氢键固载富氮离子液体的组装新策略，实现高稳定性负载；探明新型复合材料孔道性质和含氮位点产生的π-π吸引的协同耦合作用对乙烯强化吸附分离效果的构效关系。结合实验深入表征探索新型复合材料与乙烯/乙烷混合气的竞争吸附机制；探明乙烯可逆脱附条件；检验实际工况下乙烯强化吸附分离效果。为高效吸附分离材料提供新的设计思路，同时拓展新型复合材料的选择性吸附基础理论。

合理利用炼厂干气并分离回收得到聚合级乙烯具有资源回收和化工原料高值化利用的双重意义，高效、低能耗的乙烯/乙烷分离技术一直是未解决的工业难题。吸附分离具有能耗低和操作灵活等优点，但缺乏高选择性、高吸附容量和高稳定性三者兼具的吸附剂。本项目在设置研究任务和研究计划时只列出了高选择性的分离乙烯/乙烷的多孔炭材料的制备研究，在本项目执行过程中不仅研究了多孔炭材料的制备及性能研究，还将金属−有机框架材料列入了研究计划，研究烯烃和烷烃等在活性炭和金属−有机框架中的扩散和吸附行为，及气体与炭材料和金属−有机框架材料孔表面的相互作用机制。.本项目不仅按照计划完成了多孔炭材料的制备与低碳烃分离性能研究，而且研究了金属−有机框架的创新制备以及对于稀有气体吸附分离、深度脱硫、烯烃/烷烃等的吸附分离性能，为解决结构及性质相似气体体系分离难题提供了更多新型的吸附材料。研究中通过发掘温和致孔剂、筛选合适的炭化条件制备了高比表面积、孔径分布集中、富含氮/氧官能团的多孔炭材料，并研究低碳烃分离、稀有气体分离及一步分离纯化乙烯性能；开发了以生物质为原料的一体制备多孔炭颗粒的技术，研究了其在煤层气中甲烷分离、稀有气体分离中的性能；基于网状化学原理及孔调控工程策略，设计制备了多种具有特定孔环境、适宜孔尺寸及特殊孔结构的金属−有机框架材料，并研究了其对低碳烃分离、稀有气体吸附分离、低浓度二氧化硫捕集的性能，研究成果创新性较高，因此得到同行认可。研究制备的多孔炭、金属−有机框架材料在多孔材料领域中较好地兼顾高吸附容量和高选择性，且合成方法较经济简便，具有较高的工业应用价值。.本项目执行期间共发表SCI论文16篇（一区6篇），包括Nature Communications, Science Advances, Journal of the American Chemical Society, Separation and Purification Technology, AIChE Journal等化学化工类知名期刊。申请中国发明专利7项，其中授权3项。培养博士研究生4名，硕士研究生6名，均为多孔材料创制及气体吸附分离的研究方向。本项目相关研究成果获2021年江西省自然科学二等奖1项。