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Jun 26, 2023

ZIF를 통한 부탄 이성질체의 효율적인 분리

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Nature Communications 13권, 기사 번호: 4792(2022) 이 기사 인용

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n-부탄과 이소부탄은 중요한 석유화학 원료입니다. 끓는점을 포함한 유사한 특성으로 인해 분리가 어렵습니다. 여기에서는 부탄 혼합물을 분리하기 위한 수착 물질로서 제올라이트 이미다졸레이트 프레임워크-8(ZIF-8)/N,N-디메틸프로필렌우레아(DMPU)-물 슬러리를 보고합니다. ZIF-8/DMPU-물 슬러리의 이소부탄/n-부탄 선택성은 890에 달하며 높은 운동 성능을 가지며 이는 문헌에 보고된 다양한 분리 물질 또는 막의 상한을 초월합니다. 더욱 고무적인 점은 연속 파일럿 분리장치를 구축한 결과, 테스트 결과 이소부탄 생성물의 순도와 회수율이 각각 99.46몰%와 87%로 해당 성능(98.56몰%, 54%)보다 우수하다는 점이다. 산업용 증류탑의 모습입니다. 우리가 아는 한, 파일럿 규모의 가스 분리를 ​​위한 금속-유기 프레임워크(MOF)의 사용은 여전히 ​​과소 탐구되어 있으며, 따라서 이 연구는 가스 분리에 MOF를 상업적으로 적용하기 위한 한 단계를 제공합니다.

n-부탄과 이소부탄은 모두 직접 적용하거나 다른 석유화학제품을 합성하는 데 사용되는 중요한 석유화학 원료입니다. 이성질체는 일반적으로 천연 가스의 응축이나 FCC(Fluid Catalytic Cracking)와 같은 석유 처리 과정에서 생성되는 액화 석유 가스로 공존합니다. 따라서 부탄 이성질체를 효율적이고 경제적으로 분리하는 것이 중요해졌습니다. 예를 들어, 고순도 이소부탄은1 (1) 올레핀과 반응하여 알킬화된 고옥탄 가솔린을 생성하고, (2) 프로필렌과 동시산화하여 프로필렌 옥사이드와 tert-부탄올을 공동 생성하고, (3) 탈수소화하여 이소부텐을 생성하는 데 사용될 수 있습니다. . 반면, n-부탄은 냉매로 사용되거나 (1) 산화를 통해 말레산 무수물2을 생성하고 (2) 탈수소화를 통해 부타디엔3을 생성할 수 있습니다. 그러나 부탄 이성질체의 분리는 끓는점, 증기압, 분극도와 같은 물리적, 화학적 특성이 유사하기 때문에 어려운 공정으로 간주됩니다6. 현재까지 에너지 및 비용 집약적인 증류 기술은 보다 효율적인 대안이 부족하기 때문에 업계에서 부탄 이성질체 분리에 여전히 널리 적용되고 있습니다.

제올라이트 및 활성탄과 같은 무기 다공성 물질이 제공하는 선택적 크기/형태 배제를 통한 흡착 분리는 현재의 에너지 집약적 및 비용 집약적인 증류 기반 분리에 대한 매력적인 대안으로 간주됩니다7,8. 예를 들어, 부탄 이성질체 분리를 위해 가장 광범위하게 사용되는 제제인 5.5Å 다차원 타원형 기공9을 가진 MFI형 제올라이트(silicalite-1 및 ZSM-5)는 n-부탄과 이소부탄을 구별할 수 있습니다. 막 기반 분리에 MFI 제올라이트를 적용하는 것은 충분히 연구되었습니다10,11,12,13. 20~100°C에서 테스트한 MFI 멤브레인의 n-부탄/이소부탄 선택도 범위는 4~705입니다.12 또한 Woo 등14은 n-부탄 투과도를 향상시키기 위해 MFI 기반의 혼합 매트릭스 분리막을 제조했으나 가장 높은 n-부탄/이소부탄 분리계수는 6.64에 불과했다. MFI 기반 멤브레인 외에도 Liu와 동료15는 유리 폴리머(6FDA-DAM) 지지체 위에 fcu(면심 입방형) 유형 MOF(금속-유기 골격) 멤브레인을 합성했는데, 이는 n-부탄/이소부탄 분리 계수를 나타냈습니다. 75°C에서 ~30 Zhou 등5은 γ-알루미나 기판에 고품질 탄소 분자체 분리막을 제조했으며, n-부탄/이소부탄 분리 계수는 74에 도달했습니다. 그럼에도 불구하고 많은 연구에서 부탄 이성질체에서 막 기반 분리 기술을 효과적으로 사용한다고 주장하고 있음에도 불구하고 분리, 상업적인 적용은 아직 이 분야에서 볼 수 없습니다. 그 이유는 다음과 같습니다: (1) 분리막 생산은 번거롭고 비용이 많이 들고15 분리막 구조는 균열이 발생하기 쉽습니다10. (2) 선형/분지형 이성질체에 대한 분리 선택도가 낮고 흡착제의 흡수 용량도 낮습니다16. (3) 연속적인 다단 분리는 막 기반 기술로는 구현하기 어렵다.