ZIF によるブタン異性体の効率的な分離

Nature Communications volume 13、記事番号: 4792 (2022) この記事を引用

n-ブタンとイソブタンは重要な石油化学原料です。 沸点などの性質が似ているため、それらを分離するのは困難です。 ここでは、ブタン混合物を分離するための収着材料として、ゼオライト性イミダゾレート フレームワーク-8 (ZIF-8)/N,N-ジメチルプロピレン尿素 (DMPU)-水スラリーを報告します。 ZIF-8/DMPU-水スラリーのイソブタン/n-ブタン選択性は 890 と高く、高い運動性能を備えており、文献で報告されているさまざまな分離材や膜の上限を超えています。 さらに嬉しいことに、連続パイロット分離装置が確立され、イソブタン生成物の純度と回収率がそれぞれ 99.46 mol% と 87% であり、対応する性能 (98.56 mol% と 54%) よりも優れていることが試験結果で示されました。工業用蒸留塔の様子。 我々の知る限り、パイロットスケールでのガス分離における有機金属フレームワーク（MOF）の使用はまだ研究されていないため、この研究はガス分離におけるMOFの商業的応用への一歩を提供します。

n-ブタンとイソブタンはどちらも、直接用途や他の石油化学製品の合成に使用される重要な石油化学原料です。 異性体は通常、天然ガスの凝縮または流動接触分解 (FCC) などの石油処理で生成される液化石油ガスとして共存します。 したがって、ブタン異性体を効率的かつ経済的に分離することが重要になります。 たとえば、高純度イソブタンは、(1) アルキル化高オクタン価ガソリンを生成するためのオレフィンとの反応、(2) プロピレンオキシドと tert-ブタノールを生成するためのプロピレンとの共酸化、(3) イソブテンを生成するための脱水素化に使用できます。 。 一方、n-ブタンは冷媒として使用したり、(1) 酸化して無水マレイン酸 2 を生成したり、(2) 脱水素してブタジエン 3 を生成したりすることができます。 しかし、ブタン異性体の沸点、蒸気圧、分極率などの物理的および化学的特性が類似しているため、ブタン異性体の分離は困難なプロセスであると考えられています4,5。 現在まで、より効率的な代替手段が存在しないため、業界ではエネルギーとコストを大量に消費する蒸留技術が依然としてブタン異性体の分離に広く適用されています。

ゼオライトや活性炭などの無機多孔質材料によって提供される選択的なサイズ/形状排除による吸着分離は、現在のエネルギーとコストがかかる蒸留ベースの分離に代わる魅力的な代替手段であると考えられています7、8。 たとえば、ブタン異性体分離に最も広く使用されている薬剤として、5.5 Å の多次元楕円細孔を持つ MFI 型ゼオライト (シリカライト-1 および ZSM-5) 9 は、n-ブタンとイソブタンを区別できます。 MFI ゼオライトの膜ベースの分離への応用は十分に研究されています 10、11、12、13。 20 ～ 100 °C でテストした MFI 膜の n-ブタン/イソブタン選択性は 4 ～ 705,12 の範囲でした。 さらに、Woo ら 14 は、n-ブタンの透過性を改善するために MFI ベースの混合マトリックス膜を調製しましたが、最高の n-ブタン/イソブタン分離係数は 6.64 にすぎませんでした。 MFI ベースの膜に加えて、Liu ら 15 は、ガラス状ポリマー (6FDA-DAM) 支持体上に面心立方晶 (fcu) タイプの有機金属構造体 (MOF) 膜を合成しました。 75 °C で ~30。 Zhou ら 5 は、γ-アルミナ基板上に高品質の炭素分子ふるい膜を作成し、n-ブタン/イソブタンの分離係数は 74 に達しました。それにもかかわらず、多くの研究でブタン異性体における膜ベースの分離技術の効果的な使用が主張されています。この分野では、商業的な応用はまだ見られていません。 その理由は次のとおりです。 (1) 膜の製造が面倒で高価であり 15、膜構造に亀裂が入りやすい 10。 (2) 直鎖/分岐異性体の分離選択性が低く、吸着剤の取り込み能力が低い16。 (3) 連続多段分離は膜技術では実現が難しい。