【复材信息】南京大学郭盛研究小组Science：液体烃类膜可持续分离

01-14 09:36

作为燃料和化工产品的大规模使用，可持续烃类将颠覆当前以石化产品为主的资源体系，是人类社会实现高质量发展的关键。新的高效膜分离技术可以大大降低可持续烃类分离纯化的能耗和经济成本，加快可持续烃类大规模应用的推广。Fischer使用绿色氢气，捕捉CO2和可再生资源。-Tropsch (FT) 该工艺是生产可持续烃类的重要方法。但是，从成分复杂的FT产品中分离纯化高价值液态烃的成本较高，极大地限制了这类产品的精细化应用。

南京大学郭盛团队联合美国佐治亚理工学院Ryan P. Lively团队开发了一种新型高性能富氟液烃分离膜材料，通过合理规划的膜分离方案，完成了直链/支链烃、烯烃/烷烃、短链/长链烃三种液烃混合物的非变膜分离过程(图1a)。该研究为以FT产品为代表的可持续烃类混合物的节能分离过程提供了可行的膜技术解决方案。相关成果以 “Fluorine-rich poly(arylene amine) membranes for the separation of liquid aliphatic compounds” 问题，Sciencencence于2025年1月9日发表期刊。

图1. a) FT产品分离计划； b-d) 设计、合成和表征富氟聚芳基胺高分子膜材料。

在膜分离领域，液态烃类混合物的分离是一个极具挑战性的研究方向。如何设计膜材料使其兼顾高分离性能和耐溶剂性能是本领域的核心要点。对这一关键问题，郭盛团队设计合成了一种富氟型聚芳基胺材料。（FRPAAs），通过将氟含量精确控制到合适的值，使富氟高分子材料具有富氟材料的耐溶剂性，同时保持普通高分子材料的溶剂可加工性，解决了膜材料加工和耐溶剂性的关键要求；另一方面，与低透水性全氟膜材料(铁氟龙)不同，FRPAA高分子材料中有刚性芳基胺骨架结构。通过调整这种结构，可以准确控制膜材料的分离通量和选择性，满足膜材料高通量和高分离选择性的核心要求(图1b)。-d）。

研究小组将FRPAA膜用于标志性甲苯/三异丙基苯二元混合系统分离。结果表明，这些材料的分离性能已经超过了目前有机液体烃类分离膜的性能上限(图2a)。分子结构实验表明，FRPAA系列高分子膜材料结构中的富氟基团在溶剂浸润的环境中保持了膜材料孔径结构的稳定性，并揭示了其高分离性微观结构的内在规律(图2b)。-c）。FRPAA系列高分子除了在C6同分异构体的分离中表现出良好的分离性能外(图3a)，FRPAA系列高分子膜还可以连续多级膜分离工艺对复杂的烯烃/烷烃混合物体系进行60。 wt%正己烯渗透到95 wt%。长时间分离性能测试显示，膜的分离性能可以在分离环境中保持170小时不变(图3b)-c）。因此，FRPAA膜在高价值烯烃分离应用领域奠定了基础。

图2. a) 甲苯/三异丙基苯二元混合物分离性能图； b-c) 结构模拟FRPAA溶剂化

图3. a) 正己烷/2,2-二甲基丁烷膜分离；b-c) 多阶段烯烃/烷烃混合体系膜分离

最后，FRPAA系列膜材料可对C6-22FT烃混合物进行高效的短链/长链烃分离。74可通过单极膜分离。 wt% 在渗透中，轻质烃类混合物聚集在95中。 wt%，对长链烃来说（C>在Evonik公司开发的商用有机溶剂分离膜PURAMEMEMEM中，截流率高达90%以上，®对于这个复杂的混合物系统，基本没有分离效果(图4a)-c）。这一结果反映出FRPAA膜材料在液态烃类分离领域已达到行业领先水平。为了全面评价膜分离技术的技术经济性，研究小组将蒸馏分离、膜分离、蒸馏/膜藕合分离技术的能耗与碳排放进行了比较。结果表明，膜分离技术的直接引入可以大大降低传统蒸馏分离过程中的能耗和碳排放，进一步说明该技术在液态烃分离中的重大经济效益。具体内容请参考原文。

图4. a-c) 液体烃类产品膜分离；d-e) 膜分离及藕合生产工艺经济分析

本文由南京大学化工学院配置化学国家重点实验室、高性能高分子材料与技术教育部重点实验室、美国佐治亚理工大学化学与生物分子工程院联合完成。本文的第一作者是随机博士和马辉研究助理。Ryan P. Lively教授是本文的共同通讯作者，郭盛特聘研究人员为本文的最终通讯作者。这项工作获得了南京大学的启动资金，国家自然科学基金 (22375088) 、江苏自然科学基金 (BK20230793) 、中央高校基本科研业务费专项资金资助 (020514380274) 等待特色的大力支持。

原文链接：

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