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浙江大学杨启炜课题组Nature Communications: 从孔道到过程——“最强”温室气体的“双高”分离

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-01-23 15:15

正文

▲共同第一作者：李金键、陈雨亭

共同通讯作者：杨启炜、柯天

通讯单位：浙江大学、浙江大学衢州研究院

论文DOI：10.1038/s41467-025-56031-5（点击文末「阅读原文」，直达链接）

全文速览

本研究通过开发基于低成本金属有机框架 Al(fum) 的高效复合颗粒吸附剂，并设计相应的两级真空变温变压吸附 (VTSA) 工艺，满足了对低温液化和蒸馏等传统SF₆分离技术的高能效替代工艺的迫切需求。通过表面静电势和孔径匹配的合适孔隙环境，实现了创纪录的SF₆吸附容量和分离选择性，同时通过机械化湿法造粒技术，可规模化生产具有优异稳定性（对空气、水稳定、耐热、耐磨）和可回收性的颗粒吸附剂。两级 VTSA 工艺模拟证明，该工艺满足环保和安全双重标准，低浓度SF₆ 的回收率和回收纯度均超过 99.9%，能耗比低温蒸馏降低 80% 以上。

背景介绍

物理吸附作为一种有潜力的低温蒸馏替代技术，在捕获强效温室气体六氟化硫（SF₆）方面展现出明显的优势。然而，传统多孔吸附剂因SF₆吸附容量和SF₆/N₂选择性不足，其应用受到阻碍。金属-有机框架材料（MOFs），作为新型的多孔吸附剂，凭借其孔结构的多样性和表面性质的可调性，在气体捕获与分离领域引起了广泛关注。至今，已有超过二十种MOFs被用于SF₆/N₂体系的吸附分离，相较于分子筛，部分MOFs材料展现出了更高的吸附容量或选择性。

然而，从化学角度来看，由于其孔结构与SF₆分子的匹配精度有限，SF₆的吸附容量和选择性仍难以达到“双高”要求。同时，从工程角度来看，目前报道的研究几乎均采用粉末MOFs作为吸附剂，从而导致床层压降大等系列问题。此外，对吸附剂的评估主要基于实验室内的间歇测试，如静态吸附和固定床穿透实验，不仅难以准确反映吸附工艺在实际应用中的效能，还可能限制了对不同吸附剂的评估和选择。此外，吸附剂的成本、稳定性等问题也备受关注，只有这些问题得以解决，MOFs才能真正地实现从基础研究走向工业应用。

本文亮点

1. 成功制备了一类具有丰富正静电势空腔的MOF类复合吸附剂，展现出对SF₆分子十分突出的特异性识别能力，同时兼具高稳定性、高强度、低成本、易再生等诸多优点。

2. 理论计算（DFT-D）和原位表征手段(in-suit FTIR和2D NMR)(图2)系统揭示了该吸附剂在亚纳米孔道空间内的微观吸附行为与SF₆辨识能力增强机制。

3. 提出了一种低能耗的新型两级真空变温吸附（VTSA）工艺，不仅能同时满足环保排放气标准和电气设备安全的严格要求，还能大幅度降低能耗（仅为低温精馏的1/5）。

图文解析

图1. 吸附剂晶体结构示意图及其粉末和颗粒样品表征

从工程角度来看，两种复合颗粒吸附剂（Al(fum)@2%HPC和Al(fum)@5%Kaolin）可最大程度满足工业吸附剂的各方面要求，具体表现为：超高SF₆/N₂选择性（>2×10⁴）、优异的SF₆动态吸附容量（~2.7 mmol/g）、良好的稳定性、成本低和易于再生(在313 K条件下回收纯度为99.967~99.999%的SF₆，产率约为58.8 kg/L，回收率为96.8%)。此外，1000次吸附-脱附循环测试结果显示，颗粒的SF₆吸附容量无明显变化，具有出色的循环再生性。