Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Các khung kim loại liên kết hydro-nucleobase cho việc tách chọn lọc cao ethane/propane từ methane và tách methane/nitrogen
Tóm tắt
Việc tách các hydrocarbon nhẹ, bao gồm C2H6 và C3H8, là rất quan trọng để nâng cấp khí tự nhiên. Đồng thời, việc loại bỏ N2 khỏi CH4 cũng rất quan trọng để tập trung methane từ lớp than có chất lượng thấp, nhưng quá trình hấp phụ gặp nhiều thách thức do đường kính động học gần nhau. Công trình này báo cáo hai khung kim loại-nucleobase liên kết hydro (HOF-ZJU-201 và HOF-ZJU-202) có khả năng tách hiệu quả C3H8/CH4, C2H6/CH4 và CH4/N2. Nhờ vào ái lực mạnh đối với C3H8 và C2H6, khả năng hấp phụ ở áp suất thấp đối với C3H8 (5 kPa) và C2H6 (10 kPa) của HOF-ZJU-201a vượt trội hơn so với hầu hết các chất hấp phụ khác. Độ chọn lọc theo lý thuyết dung dịch hấp phụ lý tưởng (IAST) đối với C3H8/CH4 và C2H6/CH4 lần lượt là 119 và 45 trong điều kiện môi trường. Theo các tính toán lý thuyết chức năng mật độ, các môi trường phân cực bề mặt hình thành bởi các anion giàu electron và vòng dị vòng purine thiếu electron đã góp phần vào việc bắt có chọn lọc C3H8 và C2H6 với độ phân cực lớn hơn. Hơn nữa, khả năng hấp phụ CH4 cao (1.73 mmol/g cho HOF-ZJU-201a và 1.50 mmol/g cho HOF-ZJU-202a tại 298 K và 1.0 bar) và độ chọn lọc CH4/N2 xuất sắc (6.0 cho HOF-ZJU-201 tại 298 K), cũng như các thí nghiệm đột phá động học của hỗn hợp khí CH4/N2 hai thành phần đã chỉ ra tính hiệu quả của chúng trong việc tập trung methane từ lớp than có chất lượng thấp.
Từ khóa
#tách hydrocarbon nhẹ #nâng cấp khí tự nhiên #hấp phụ #khung kim loại-nucleobase #chọn lọc khíTài liệu tham khảo
Tagliabue, M.; Farrusseng, D.; Valencia, S.; Aguado, S.; Ravon, U.; Rizzo, C.; Corma, A.; Mirodatos, C. Natural gas treating by selective adsorption: Material science and chemical engineering interplay. Chem. Eng. J. 2009, 155, 553–566.
He, Y. B.; Zhou, W.; Qian, G. D.; Chen, B. L. Methane storage in metal-organic frameworks. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 5657–5678.
Kerry, F. G. Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification; Taylor & Francis Group: New York, 2006.
Speight, J. G. Handbook of Industrial Hydrocarbon Processes, 2nd ed.; Gulf Professional Publishing: Cambridge, 2019.
Tang, R. L.; Dai, Q. B.; Liang, W. W.; Wu, Y.; Zhou, X.; Pan, H. Y.; Li, Z. Synthesis of novel particle rice-based carbon materials and its excellent CH4/N2 adsorption selectivity for methane enrichment from low-rank natural gas. Chem. Eng. J. 2020, 384, 123388.
Karacan, C. Ö.; Ruiz, F. A.; Cotè, M.; Phipps, S. Coal mine methane: A review of capture and utilization practices with benefits to mining safety and to greenhouse gas reduction. Int. J. Coal Geol. 2011, 86, 121–156.
Häring, H. W. Industrial Gases Processing; Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: Weinheim, 2007.
Yang, R. T. Gas Separation by Adsorption Processes; Butterworth Publishers: Oxford, 2013.
Lin, R. B.; Zhang, Z. J.; Chen, B. L. Achieving high performance metal-organic framework materials through pore engineering. Acc. Chem. Res. 2021, 54, 3362–3376.
Li, P. H.; Ryder, M. R.; Stoddart, J. F. Hydrogen-bonded organic frameworks: A rising class of porous molecular materials. Acc. Mater. Res. 2020, 1, 77–87.
Yang, L. F.; Qian, S. H.; Wang, X. B.; Cui, X. L.; Chen, B. L.; Xing, H. B. Energy-efficient separation alternatives: Metal-organic frameworks and membranes for hydrocarbon separation. Chem. Soc. Rev. 2020, 49, 5359–5406.
Wang, Y. X.; Peh, S. B.; Zhao, D. Alternatives to cryogenic distillation: Advanced porous materials in adsorptive light olefin/paraffin separations. Small 2019, 15, 1900058.
Kan, L.; Li, G. H.; Liu, Y. L. Highly selective separation of C3H8 and C2H2 from CH4 within two water-stable Zn5 cluster-based metal-organic frameworks. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 18642–18649.
Wu, Y. F.; Liu, Z. W.; Peng, J. J.; Wang, X.; Zhou, X.; Li, Z. Enhancing selective adsorption in a robust pillared-layer metal-organic framework via channel methylation for the recovery of C2–C3 from natural gas. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 51499–51505.
Zhang, Y. B.; Yang, L. F.; Wang, L. Y.; Duttwyler, S.; Xing, H. B. A microporous metal-organic framework supramolecularly assembled from a CuII dodecaborate cluster complex for selective gas separation. Angew. Chem. 2019, 131, 8229–2834.
Li, L.; Wang, X. S.; Liang, J.; Huang, Y. B.; Li, H. F.; Lin, Z. J.; Cao, R. Water-stable anionic metal-organic framework for highly selective separation of methane from natural gas and pyrolysis gas. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 9777–9781.
Lv, D. F.; Wu, Y.; Chen, J. Y.; Tu, Y. H.; Yuan, Y. N.; Wu, H. X.; Chen, Y. W.; Liu, B. Y.; Xi, H. X.; Li, Z. et al. Improving CH4/N2 selectivity within isomeric Al-based MOFs for the highly selective capture of coal-mine methane. AIChE J. 2020, 66, e16287.
Chang, M.; Zhao, Y. J.; Liu, D. H.; Yang, J. F.; Li, J. P.; Zhong, C. L. Methane-trapping metal-organic frameworks with an aliphatic ligand for efficient CH4/N2 separation. Sustainable Energy Fuels 2020, 4, 138–142.
Chang, M.; Ren, J. H.; Yang, Q. Y.; Liu, D. H. A robust calcium-based microporous metal-organic framework for efficient CH4/N2 separation. Chem. Eng. J. 2021, 408, 127294.
Niu, Z.; Cui, X. L.; Pham, T.; Lan, P. C.; Xing, H. B.; Forrest, K. A.; Wojtas, L.; Space, B.; Ma, S. Q. A metal-organic framework based methane Nano-trap for the capture of coal-mine methane. Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 58, 10138–10141.
Li, L. Y.; Yang, L. F.; Wang, J. W.; Zhang, Z. G.; Yang, Q. W.; Yang, Y. W.; Ren, Q. L.; Bao, Z. B. Highly efficient separation of methane from nitrogen on a squarate-based metal-organic framework. AIChE J. 2018, 64, 3681–3689.
Wu, X. F.; Yuan, B.; Bao, Z. B.; Deng, S. G. Adsorption of carbon dioxide, methane and nitrogen on an ultramicroporous copper metal-organic framework. J. Colloid Interface Sci. 2014, 430, 78–84.
Ren, X. Y.; Sun, T. J.; Hu, J. L.; Wang, S. D. Highly enhanced selectivity for the separation of CH4 over N2 on two ultramicroporous frameworks with multiple coordination modes. Microporous Mesoporous Mater. 2014, 186, 137–145.
Li, L. B.; Yang, J. F.; Li, J. M.; Chen, Y.; Li, J. P. Separation of CO2/CH4 and CH4/N2 mixtures by M/DOBDC: A detailed dynamic comparison with MIL-100(Cr) and activated carbon. Microporous Mesoporous Mater. 2014, 198, 236–246.
Saha, D.; Bao, Z. B.; Jia, F.; Deng, S. G. Adsorption of CO2, CH4, N2O, and N2 on MOF-5, MOF-177, and zeolite 5A. Environ. Sci. Technol. 2010, 44, 1820–1826.
Sholl, D. S. Seven chemical separations to change the world. Nature 2016, 532, 435–437.
Taddei, M.; Petit, C. Engineering metal-organic frameworks for adsorption-based gas separations: From process to atomic scale. Mol. Syst. Des. Eng. 2021, 6, 841–875.
Wang, H.; Luo, D. W.; Velasco, E.; Yu, L.; Li, J. Separation of alkane and alkene mixtures by metal-organic frameworks. J. Mater. Chem. A 2021, 9, 20874–20896.
Lin, R. B.; Xiang, S. C.; Zhou, W.; Chen, B. L. Microporous metal-organic framework materials for gas separation. Chem 2020, 6, 337–363.
Brunet, P.; Simard, M.; Wuest, J. D. Molecular tectonics. Porous hydrogen-bonded networks with unprecedented structural integrity. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 2737–2738.
Wang, B.; Lin, R. B.; Zhang, Z. J.; Xiang, S. C.; Chen, B. L. Hydrogen-bonded organic frameworks as a tunable platform for functional materials. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 14399–14416.
Cooper, A. I. Tectonic shifts in framework chemistry. Nat. Chem. 2021, 13, 620–621.
Suzuki, Y.; Gutiérrez, M.; Tanaka, S.; Gomez, E.; Tohnai, N.; Yasuda, N.; Matubayasi, N.; Douhal, A.; Hisaki, I. Construction of isostructural hydrogen-bonded organic frameworks: Limitations and possibilities of pore expansion. Chem. Sci. 2021, 12, 9607–9618.
Yusov, A.; Dillon, A. M.; Ward, M. D. Hydrogen bonded frameworks: Smart materials used smartly. Mol. Syst. Des. Eng. 2021, 6, 756–778.
Yang, J. Y.; Wang, J. K.; Hou, B. H.; Huang, X.; Wang, T.; Bao, Y.; Hao, H. X. Porous hydrogen-bonded organic frameworks (HOFs): From design to potential applications. Chem. Eng. J. 2020, 399, 125873.
Lin, R. B.; He, Y. B.; Li, P.; Wang, H. L.; Zhou, W.; Chen, B. L. Multifunctional porous hydrogen-bonded organic framework materials. Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 1362–1389.
Li, J. R.; Kuppler, R. J.; Zhou, H. C. Selective gas adsorption and separation in metal-organic frameworks. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1477–1504.
Zhang, X.; Wang, J. X.; Li, L. B.; Pei, J. Y.; Krishna, R.; Wu, H.; Zhou, W.; Qian, G. D.; Chen, B. L.; Li, B. A rod-packing hydrogen-bonded organic framework with suitable pore confinement for benchmark ethane/ethylene separation. Angew. Chem. 2021, 133, 10392–10398.
Qian, Q. L.; Gu, X. W.; Pei, J. Y.; Wen, H. M.; Wu, H.; Zhou, W.; Li, B.; Qian, G. D. A novel anion-pillared metal-organic framework for highly efficient separation of acetylene from ethylene and carbon dioxide. J. Mater. Chem. A 2021, 9, 9248–9255.
Xu, G. H.; Li, B.; Wu, H.; Zhou, W.; Chen, B. L. Construction of ntt-type metal-organic framework from C2-symmetry hexacarboxylate linker for enhanced methane storage. Cryst. Growth Des. 2017, 17, 4795–4800.
Liu, Y.; Wu, H.; Guo, L.; Zhou, W.; Zhang, Z.; Yang, Q.; Yang, Y.; Ren, Q.; Bao, Z. Hydrogen-bonded metal-nucleobase frameworks for efficient separation of xenon and krypton. Angew. Chem., Int. Ed. 2022, 61, e202117609.
Willems, T. F.; Rycroft, C. H.; Kazi, M.; Meza, J. C.; Haranczyk, M. Algorithms and tools for high-throughput geometry-based analysis of crystalline porous materials. Microporous Mesoporous Mater. 2012, 149, 134–141.
Hosseinpour, S.; Fatemi, S.; Mortazavi, Y.; Gholamhoseini, M.; Ravanchi, M. T. Performance of CaX zeolite for separation of C2H6, C2H4, and CH4 by adsorption process; capacity, selectivity, and dynamic adsorption measurements. Sep. Sci. Technol. 2010, 46, 349–355.
Magnowski, N. B. K.; Avila, A. M.; Lin, C. C. H.; Shi, M.; Kuznicki, S. M. Extraction of ethane from natural gas by adsorption on modified ETS-10. Chem. Eng. Sci. 2011, 66, 1697–1701.
Yuan, Y. N.; Wu, H. X.; Xu, Y. Z.; Lv, D. F.; Tu, S.; Wu, Y.; Li, Z.; Xia, Q. B. Selective extraction of methane from C1/C2/C3 on moisture-resistant MIL-142A with interpenetrated networks. Chem. Eng. J. 2020, 395, 125057.
Wang, B.; Lv, X. L.; Lv, J.; Ma, L.; Lin, R. B.; Cui, H.; Zhang, J.; Zhang, Z. J.; Xiang, S. C.; Chen, B. L. A novel mesoporous hydrogen-bonded organic framework with high porosity and stability. Chem. Commun. 2020, 56, 66–69.
Zhang, Y. B.; Yang, L. F.; Wang, L. Y.; Cui, X. L.; Xing, H. B. Pillar iodination in functional boron cage hybrid supramolecular frameworks for high performance separation of light hydrocarbons. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 27560–27566.
Shi, R. F.; Lv, D. F.; Chen, Y. W.; Wu, H. X.; Liu, B. Y.; Xia, Q. B.; Li, Z. Highly selective adsorption separation of light hydrocarbons with a porphyrinic zirconium metal-organic framework PCN-224. Sep. Purif. Technol. 2018, 207, 262–268.
Jia, J. T.; Wang, L.; Sun, F. X.; Jing, X. F.; Bian, Z.; Gao, L. X.; Krishna, R.; Zhu, G. S. The adsorption and simulated separation of light hydrocarbons in isoreticular metal-organic frameworks based on dendritic ligands with different aliphatic side chains. Chem.—Eur. J. 2014, 20, 9073–9080.
He, Y. B.; Zhang, Z. J.; Xiang, S. C.; Fronczek, F. R.; Krishna, R.; Chen, B. L. A robust doubly interpenetrated metal-organic framework constructed from a novel aromatic tricarboxylate for highly selective separation of small hydrocarbons. Chem. Commun. 2012, 48, 6493–6495.
Zheng, F.; Chen, L. H.; Chen, R. D.; Zhang, Z. G.; Yang, Q. W.; Yang, Y. W.; Su, B. G.; Ren, Q. L.; Bao, Z. B. A robust two-dimensional layered metal-organic framework for efficient separation of methane from nitrogen. Sep. Purif. Technol. 2022, 281, 119911.
Liu, B.; Smit, B. Molecular simulation studies of separation of CO2/N2, CO2/CH4, and CH4/N2 by ZIFs. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 8515–8522.
Chang, M.; Zhao, Y. J.; Yang, Q. Y.; Liu, D. H. Microporous metal-organic frameworks with hydrophilic and hydrophobic pores for efficient separation of CH4/N2 mixture. ACS Omega 2019, 4, 14511–14516.
Myers, A. L.; Prausnitz, J. M. Thermodynamics of mixed-gas adsorption. AIChE J. 1965, 11, 121–127.
Czepirski, L., JagieŁŁo, J. Virial-type thermal equation of gas—solid adsorption. Chem. Eng. Sci. 1989, 44, 797–801.
Krishna, R. Evaluation of procedures for estimation of the isosteric heat of adsorption in microporous materials. Chem. Eng. Sci. 2015, 123, 191–196.
Clark, S. J.; Segall, M. D.; Pickard, C. J.; Hasnip, P. J.; Probert, M. I. J.; Refson, K.; Payne, M. C. First principles methods using castep. Z. Kristallogr. Cryst. Mater. 2005, 220, 567–570.
Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Generalized gradient approximation made simple. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865–3868.
Tkatchenko, A.; Scheffler, M. Accurate molecular van der Waals interactions from ground-state electron density and free-atom reference data. Phys. Rev. Lett. 2009, 102, 073005.