Science：取向单层多面体膜芳香烃-脂肪烃的高效筛分与选择性分离

乙烯等轻烯烃是石化工业最重要的基础原料之一，全球年需求量高达数亿吨，其生产主要依赖石脑油蒸汽裂解。然而，该传统工艺长期面临两大核心挑战：一方面，裂解过程本身极为耗能，约占整个石化行业总能耗的30%；另一方面，石脑油中高达20%~30%的芳烃组分难以有效裂解生成目标烯烃，且易在高温裂解过程中发生结焦，不仅降低设备运行效率，还显著推高了运营成本。过去，这部分芳烃多被当作低值燃料或直接回炼，未能实现其应有的高值利用。在此背景下，“分子精炼”（molecular refining）理念应运而生，其核心在于实现原料分子的精准分离与定向转化，最大程度释放石化资源的潜在价值。

然而，要实现芳烃与脂肪烃的高效分离仍是一道技术难题。两者不仅沸点接近、容易形成共沸物，更因其分子尺寸相近（动力学直径约为0.6 nm）以及物理化学性质高度相似，使得常规的精馏或分子筛技术难以实现有效分离。目前工业上多采用模拟移动床（SMB）吸附法来完成该过程，尽管在选择性上取得一定突破，但设备系统复杂、能耗较高，仍限制了其大规模推广应用。

在此背景下，渗透蒸发膜分离技术因其低能耗、可在常温操作且易于工艺集成等优点，成为该领域的重要发展方向。然而，传统高分子膜结构普遍存在孔径分布宽、选择性不足等问题，其分离性能已接近理论极限。为实现突破，亟需在膜材料的结构有序性、孔道几何精度及分子识别能力上取得实质性进展。因此，深入探索多孔材料的结构特征与分子传质行为之间的构效关系，发展具有精准筛分能力的有序膜结构，或将为解决烯烃原料分离难题、推动石化工业绿色低碳转型提供全新解决思路与技术路径。

基于此，北京工业大学材料科学与工程学院安全福教授团队提出了一种自旋镀膜策略，成功构筑了定向单层多面体（Oriented Monolayer Polyhedron, OMP）膜。该膜以具有规则八面体结构的金属有机框架（MOF）颗粒为构建单元，通过将其有序地组装在多孔衬底上，并利用超支化聚合物（HBP）对颗粒间间隙进行填充与锚定，最终形成一层结构精密、通道高度可控的功能膜。与传统无序膜材料相比，OMP膜在分子筛分中展现出更优异的性能，其内部高密度、定向排列的直通道结构为芳香族分子的优先传输提供了理想路径，有效克服了传统膜结构中因通道弯曲、尺寸不均而导致的选择性与通量难以兼得的难题。

该膜不仅在分离性能上实现了突破，在结构稳定性和可加工性方面也表现优越。聚合物的嵌入一方面填补了MOF颗粒间可能存在的非选择性孔隙，提升了膜的整体完整性与选择性；另一方面也有效增强了MOF相与基底之间的结合强度，使膜体在长时间、高负载工况下依然保持结构稳定与分离效率。纳米划痕测试表明，与传统HBP膜相比，OMP膜在分离层与支撑层之间的粘附强度几乎无衰减，表现出良好的机械稳定性。此外，72小时膨胀实验数据显示，OMP膜质量变化率仅为0.5%，远低于聚偏二氟乙烯（PVDF）底膜与未结构优化膜材料，凸显出其优异的抗溶胀性能和操作稳定性。

在分离工艺设计方面，研究团队构建了一个两级膜级联系统，实现了从脂肪族与芳香族烃混合物中高效提取芳香组分。实验结果表明，原始混合物中仅含15%的芳香族，在经OMP膜两级分离后，其纯度可提升至97.5 wt%，为芳香族类高附加值产品提供了优质原料，而剩余的脂肪族烃则可作为性能优异的乙烯裂解进料。这种“分离+增值”的一体化路径，不仅提升了石脑油的资源利用效率，也为石化工艺绿色升级提供了关键支撑。

综上所述，该研究通过构筑具有定向、互联、高密度通道结构的MOF单层膜，实现了液相复杂烃混合物的高效、快速和选择性分离，突破了传统膜材料在结构控制和稳定性方面的技术瓶颈。MOF的高度吸附选择性使芳香分子能够优先进入膜内部通道，而通道的有序排布和聚合物辅助封装则确保了高通量与高选择性的协同提升。这一工作不仅为分子尺度分离提供了全新设计范式，也彰显了膜技术在推动石化行业节能降碳、精细化发展的广阔应用前景。

该工作发表在国际知名期刊Science上。

文献链接：Aromatic-aliphatic hydrocarbon separation with oriented monolayer polyhedral membrane (DOI:10.1126/science.adq5577).

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