去除痕量
CO
2
来获取高纯度
C
2
H
2
的主要传统分离技术包括溶剂萃取和化学吸收，这两种技术都存在严重的能耗和操作成本高的问题，同时也会产生环境污染问题。几十年来，基于多孔材料的吸附分离一直被视为一种有前途的替代分离技术，与传统分离方法相比，它具有高效、低能耗、对环境影响较小的特点。然而，相似的物理性质，如分子尺寸、沸点和
C
2
H
2
的严格上限压缩（
2 bar
）使从
CO
2
/C
2
H
2
混合物中有效分离痕量
CO
2
成为一项具有挑战性的任务。人们一直致力于利用多孔吸附剂如沸石、碳分子筛、金属有机骨架
(MOF)
和氢有机骨架
(HOF)
来分离
CO
2
/C
2
H
2
混合物。目前的吸附剂通常根据其不同的结合偏好分为
C
2
H
2
选择性吸附剂和
CO
2
选择性吸附剂。由于
CO
2
是污染物，因此
CO
2
选择性吸附剂是纯化
C
2
H
2
的理想选择，它可以直接分离
C
2
H
2
产品，以避免耗能的解吸过程。然而，大多数多孔吸附剂通常通过氢键和
π
络合优先吸附相对酸性和可极化的
C
2
H
2
。因此，
CO
2
选择性吸附剂更为罕见，设计这种吸附剂的通用方法目前尚不明显。多种策略，如紧凑孔隙空间内的互补静电相互作用，阻断
C
2
H
2
的强结合位点，以及利用预先设计的孔径形状来制备
CO
2
选择性吸附剂。但这些报道的
CO
2
选择性吸附剂通常由于捕获痕量
CO
2
的能力不足和对水抑制的敏感性而存在不足。它们也不适合大规模的工业应用，因为合成成本高，成型技术不成熟。因此，迫切需要开发一种构建有效的痕量
CO
2
选择性吸附剂的通用策略，并具有直接工业化的潜力
中国石油大学（北京）彭云雷副教授、陈光进教授、兰州大学陈守顺教授等研究人员
提出了一种简单的
CO
2
选择性吸附剂的合成策略，即将稳定的支链聚乙烯亚胺（
PEI-800
）固定到市售的多孔树脂
HP20
中，该吸附剂通过双重化学吸附
/
物理吸附机理，对痕量
CO
2
表现出比
C
2
H
2
更好的优先吸附效果。这种吸附剂兼具化学吸附和物理吸附的优点，可实现绿色、高效、节能的分离过程。其中，负载
50 wt.% PEI-800
的
HP20
（简称
PEI@HP20
）表现出目前已报道的所有
CO
2
选择性吸附剂中最高的
CO
2
吸附容量（
100 kPa
时
4.35 mmol/g
，
1 kPa
时
2.88 mmol/g
），并显示出新的基准选择性（
高达
1.33×10
7
）和破纪录的
CO
2
/C
2
H
2
吸收比（
22.5
）
，展现出前所未有的
CO
2
/C
2
H
2
分离性能。
2 kg PEI@HP20
的动态突破实验和中试压力
-
温度变压吸附（
PTSA
）进一步验证了在干燥和
100%
相对湿度下从
CO
2
/C
2
H
2
（
1/99
，
v/v
）混合物中获得
高纯度
C
2
H
2
（
99.99
％）
的能力。超过
100
个循环的原位吸附
-
解吸循环实验表明，性能保持近乎一致，特别是在前
13
个循环之后。实验测试和理论计算表明
PEI@HP20
在
CO
2
/C
2
H
2
分离中的卓越性能在于
HP20
内部形成可逆的氨基甲酸铵网络，随后同时通过氢键结合氨基甲酸铵的
NH
中的
CO
2
。此外，胺的负载大大降低了
HP20
的孔隙率，抑制了
C
2
H
2
的吸附。
相关研究成果2025年3月16日以“
Benchmarking selective capture of trace CO
2
from C
2
H
2
using an amine-functionalized adsorbent”为题发表在
Nature Communications
上。
创新的吸附剂设计
：通过将聚乙烯亚胺（
PEI-800
）固定在商业多孔树脂
HP20
上，制备了一种新型的
CO
₂
选择性吸附剂（
PEI@HP20
），实现了对痕量
CO
₂
的高效捕获。
优异的吸附性能
：
PEI@HP20
在
100 kPa
和
298 K
下具有高达
4.35 mmol/g
的
CO
₂
吸附容量，远高于其他报道的
CO
₂
选择性吸附剂。同时，其
CO
₂
/C
₂
H
₂
吸附比达到了创纪录的
22.5
，理想吸附溶液理论选择性高达
1.33×10
⁷
。
高效的动态分离性能
：通过固定床突破实验和中试规模的压力温度摆动吸附（
PTSA
）验证了
PEI@HP20
的实际动态分离性能。在
2 kg
规模的
PEI@HP20
上，成功实现了从
CO
₂
/C
₂
H
₂
（
1/99, v/v
）混合物中获得
99.99%
纯度的
C
₂
H
₂
，每循环产量为
344.7 g
。
稳定的再生性能
：
PEI@HP20
在多次循环测试中表现出优异的稳定性和再生能力。在
100
次原位
CO
₂
吸附
-
脱附循环中，性能几乎保持不变，特别是在前
13
次循环后，
CO
₂
容量仅下降了
5.5%
。
图
1.CO
2
/C
2
H
2
分离模型示意图
图
2.PEI@HP20
的结构和多核
SSNMR
光谱
图
4.
突破性实验和中试规模
PTSA
图
5.
含有客体气体的
PEI@HP20
的
SSNMR
光谱
图
6.PEI@HP20
中提出的
CO
2
吸附机理
