广州大学：壳聚糖衍生的超微孔碳用于乙烯乙烷筛分分离

成果简介

C2H4/C2H6的高选择性分离在石化工业中至关重要，然而由于两个分子具有相似的极化率和动力学直径，使这一目标十分有挑战性。合成具有C2H4/C2H6 筛分能力的碳吸附剂，在实现高选择性和提高经济可行性方面具有很好的应用潜力。本文，广州大学杜胜君博士后、华南理工大学肖静研究员和苗广博士后，在《Separation and Purification Technology》期刊发表名为“Highly efficient ethylene/ethane separation via molecular sieving using chitosan-derived ultramicroporous carbon”的论文，以壳聚糖为原料，通过水热碳化和高温煅烧的串联制备工艺，在不需要使用任何化学活化剂的条件下，成功制备出了一系列超微孔碳分子筛材料。

通过改变热解温度，可以精细调控超微孔孔径。其中，CNC-700 在 298 K 和 1.0 bar 下具有 32.3 cm3 (STP) g-1 的高 C2H4 吸附量，且对 C2H6 几乎不吸附。C2H4 在CNC-700上的等量吸附热仅为34.5 kJ mol-1，显著低于以热力学机制分离C2H4/C2H6 的碳质吸附剂。本工作可以为生物质基超微孔碳的制备，以及实现轻烃相似物的分子筛分分离提供重要指导。

图文导读

图1 、(a) 制备CNC-X材料的示意图；(b) CNC-700 的多孔模型。超微孔允许吸附较小的 C2H4分子，阻挡分子尺寸更大的 C2H6分子；(c) 固定床实验示意图。

图2、 (a) CS、HCS 和 CNC-X 的 FTIR光谱；(b-c) N2气氛下HCS的TG-IR分析；CNC-700的 (d) O1s 和 (e) N 1s XPS 谱图；(f) HCS和CNC-X上氮物种的相对含量。

图3、 CNC-X 的 (a) 拉曼光谱和 (b) XRD图。

图4 、(a-d) CNC-X在298 K下对C2-和C3烯烃/烷烃的吸附等温线；(e) CNC-X在1.0 bar下对C2-和C3烯烃/烷烃的吸附量；(f) CNC-700和文献报道的其他 C2H4 选择性碳吸附剂对 C2H4/C2H6 的分离选择性比较。

图5、 (a) CNC-700在298K下对等摩尔C2H4/C2H6二元混合物的固定床穿透曲线；(b) 使用He在373K下以20mL min-1流量吹扫得到的脱附曲线和产物中的C2H4累积纯度。

图6 、(a) CNC-700在298 K下连续5次C2H4吸附循环; (b) CNC-X在298 K下的水蒸气吸脱附等温线。

小结

综上，本文通过水热碳化和高温热解，成功构建了一系列壳聚糖衍生的超微孔碳吸附剂（CNC-X）。CNC-X 为首个报道的具有优异C2H4/C2H6 筛分分离性能的生物质基碳材料。结果表明，富含杂原子的壳聚糖基水合焦在高温热解过程中，由于官能团的分解会在碳基体内产生超微孔，当热解温度继续提高，碳微域的有序化演变导致孔隙进一步收缩到更小的尺寸。

得益于合适的孔隙结构，CNC-700表现出只吸附C2H4，而完全排斥分子尺寸更大的C2H6 分子。CNC-700在298 K和1.0 bar下的C2H4吸附量达到32.3 cm3 (STP) g-1，C2H4/C2H6吸附量比值可达15.2。C2H4在接近零负载量时的吸附热低至34.5 kJ mol-1。固定床突破实验进一步证明了CNC-700可以实现等摩尔C2H4/C2H6混合物的动态分离。本工作为从生物质前驱体制备具有可控超微孔的碳吸附剂，用于C2H4/C2H6以及其他碳氢化合物的高效分离提供了重要思路。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.125862