【微孔碳分离丙烷乙烷】：在超微孔碳吸附剂上以创纪录的选择性从天然气中提取丙烷和乙烷

首页 > 行业动态 > 【微孔碳分离丙烷乙烷】：在超微孔碳吸附剂上以创纪录的选择性从天然气中提取丙烷和乙烷

摘要:
浙江大学鲍宗必团队的这篇文章(Sci China Mater 2023, 66, 319–326)研究了轻烃混合物的分离以及从天然气中提取丙烷和乙烷，微孔碳吸附剂在轻烃分离方面很有前景。然而，制备均匀的超微孔以提高分离选择性仍然是一个挑战。本文通过无活化剂热解制备了一系列聚偏二氯乙烯树脂衍生的超微孔碳吸附剂，其孔径相对均匀(5.2-5.3Å)。在常温常压下，最佳的C-PVDC-800展现出创纪录的丙烷/甲烷(3387)和乙烷/甲烷(75)的IAST选择性，以及丙烷/甲烷(369)的亨利选择性，同时在低分压(0.05 bar)和298K下对丙烷(3.9 mmol/g)和乙烷(2.67 mmol/g)具有超高吸附量。更重要的是，实现了有利于固定床吸附应用的快速气体吸附动力学。突破实验和循环测试进一步证实了该材料在从天然气中提取丙烷和乙烷方面的卓越分离性能。

研究背景:
(1) 天然气净化和升级中，需要分离轻烃混合物，提取丙烷和乙烷，但目前主要依靠能耗大、操作条件苛刻的低温蒸馏法。
(2) 其他学者提出了多种多孔吸附剂用于轻烃分离，如MOF、沸石和多孔碳。但MOF稳定性和成本问题突出，沸石对气体分子亲和力强导致再生困难。相比之下，多孔碳具有稳定性好、制备成本低、耐水性好等优点。
(3) 本文在前人工作基础上，提出采用无活化剂热解法制备超微孔碳吸附剂，通过调控孔径实现高选择性分离轻烃。同时优化颗粒尺寸，使其更适合在固定床中使用。

实验部分:
(1) 以单分散聚偏二氯乙烯树脂为前驱体，通过一步无活化剂热解制备了一系列微孔碳吸附剂。
(2) 制备的碳吸附剂具有均匀的球形形貌，粒径为100-200μm，适合在固定床中使用。热解过程中氯化氢分子自发释放，形成了发达的微孔结构，比表面积超过1000 m2/g，孔容超过0.37 cm3/g。
(3) 在最佳的C-PVDC-800上，298K和0.05 bar低分压下丙烷吸附量高达3.90 mmol/g，乙烷吸附量达2.67 mmol/g，大幅超过现有多数吸附剂，实现了轻烃吸附量的突破。

分析测试:
(1) 氮气吸附测试表明，碳吸附剂的BET比表面积为1087-1365 m2/g，孔容高达0.38-0.47 cm3/g。孔径分布呈单峰，集中在5.2-5.3Å，与丙烷分子动力学直径(5.1Å)相当，增强了对气体分子的限域效应。
(2) 最佳C-PVDC-800在298K和100kPa下对丙烷/甲烷(50/50)和乙烷/甲烷(50/50)的IAST选择性分别高达3387和75，超过所有已报道吸附剂，树立了新的基准。丙烷/甲烷的亨利选择性也达到369的最高纪录。
(3) 动力学吸附测试显示，298K和100kPa下丙烷、乙烷和甲烷在C-PVDC-800上达到吸附平衡的时间分别只需5.0、5.3和5.4分钟。微孔扩散时间常数分别为2.73×10-2、1.69×10-2和1.18×10-2 min-1。快速的气体吸附动力学有利于实际分离过程。

总结:
(1) 本文成功制备了超微孔碳吸附剂C-PVDC-800，其在轻烃分离，特别是从天然气中提取丙烷和乙烷方面展现出创纪录的选择性和超高的吸附量。
(2) 更重要的是，实现了轻烃分子的快速吸附动力学，突破实验进一步验证了其对轻烃混合物的出色分离性能。高吸附容量、快速吸附动力学、简便制备方法和稳健稳定性保证了该碳吸附剂在天然气净化和丙烷乙烷提取方面的广阔应用前景，在其他气体混合物分离中也有很大潜力。

展望:
(1) 进一步验证在实际工业天然气成分的应用，含有CO2、H2S等酸性气体及微量重烃如丁烷和戊烷，它们可能与丙烷乙烷竞争吸附位点有待进一步研究。
(2) 本文制备的超微孔碳吸附剂在其他气体如烯烃/烷烃等混合物分离方面也展现出巨大潜力，建议拓展到更多气体分离体系的应用研究。

Extraction of propane and ethane from natural gas on ultramicroporous carbon adsorbent with record selectivity
文章作者：Fuqiang Chen (陈富强), Kaiqing Guo (郭凯晴), Xinlei Huang (黄鑫磊), Zhiguo Zhang (张治国), Qiwei Yang (杨启炜), Yiwen Yang (杨亦文), Qilong Ren (任其龙) & Zongbi Bao (鲍宗必)
DOI：10.1007/s40843-022-2096-8
文章链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s40843-022-2096-8