Separação eficiente de isômeros de butano via ZIF

Nature Communications volume 13, número do artigo: 4792 (2022) Citar este artigo

n-butano e isobutano são importantes matérias-primas petroquímicas. A sua separação é um desafio devido às suas propriedades semelhantes, incluindo o ponto de ebulição. Aqui, relatamos uma pasta zeolítica de estrutura de imidazolato-8 (ZIF-8) / N, N-Dimetilpropilenoureia (DMPU) -água como material de sorção para separar misturas de butano. A seletividade de isobutano/n-butano de pastas ZIF-8/DMPU-água é tão alta quanto 890 com alto desempenho cinético, que transcende o limite superior de vários materiais de separação ou membranas relatados na literatura. Mais encorajador, um dispositivo de separação piloto contínuo foi estabelecido, e os resultados do teste mostram que a pureza e a taxa de recuperação do produto isobutano são 99,46% em mol e 87%, respectivamente, que são superiores ao desempenho correspondente (98,56% em mol e 54%) da torre de destilação industrial. Até onde sabemos, o uso de estruturas metal-orgânicas (MOFs) para separação de gases em escala piloto permanece subexplorado e, portanto, este trabalho fornece um passo em frente para a aplicação comercial de MOFs na separação de gases.

Tanto o n-butano quanto o isobutano são importantes matérias-primas petroquímicas utilizadas em aplicações diretas ou na síntese de outros produtos petroquímicos. Os isômeros geralmente coexistem como gases liquefeitos de petróleo produzidos pela condensação de gás natural ou no processamento de petróleo, como no craqueamento catalítico fluido (FCC). Portanto, torna-se crítico separar os isômeros de butano de forma eficiente e econômica. Por exemplo, o isobutano de alta pureza pode ser usado para 1 (1) reações com olefinas para produzir gasolina alquilada de alta octanagem, (2) co-oxidação com propileno para coproduzir óxido de propileno e terc-butanol, e (3) desidrogenação para produzir isobuteno. . Por outro lado, o n-butano pode ser usado como refrigerante ou para (1) oxidação para produzir anidrido maleico2 e (2) desidrogenação para produzir butadieno3. No entanto, a separação de isômeros de butano é considerada um processo desafiador4,5, uma vez que suas propriedades físicas e químicas, como pontos de ebulição, pressões de vapor e polarizabilidades, são semelhantes6. Até o momento, técnicas de destilação com uso intensivo de energia e custos ainda são amplamente aplicadas para a separação de isômeros de butano na indústria devido à falta de alternativas mais eficientes.

A separação adsortiva com exclusão seletiva de tamanho/forma fornecida por materiais inorgânicos porosos, como zeólitas e carvão ativado, é considerada uma alternativa atraente às atuais separações baseadas em destilação, que consomem muita energia e custos . Por exemplo, como os agentes mais amplamente utilizados para a separação de isômeros de butano, os zeólitos do tipo MFI (silicalita-1 e ZSM-5) com poros elípticos multidimensionais de 5,5 Å podem distinguir o n-butano do isobutano. A aplicação de zeólitas MFI em separações baseadas em membranas foi suficientemente estudada . As seletividades de n-butano/isobutano das membranas MFI testadas a 20–100 °C variaram de 4 a 705,12. Além disso, Woo et al.14 prepararam uma membrana de matriz mista baseada em MFI para melhorar a permeabilidade do n-butano, mas o maior fator de separação n-butano/isobutano foi de apenas 6,64. Além das membranas baseadas em MFI, Liu e colaboradores15 sintetizaram membranas de estrutura metal-orgânica (MOF) do tipo cúbica centrada na face (fcu) em suportes de polímero vítreo (6FDA-DAM), que exibiram um fator de separação n-butano/isobutano de ~30 a 75°C. Zhou et al.5 prepararam membranas de peneiração molecular de carbono de alta qualidade em substratos de γ-alumina, e o fator de separação n-butano/isobutano atingiu 74. No entanto, embora muitos estudos tenham afirmado o uso eficaz de tecnologias de separação baseadas em membrana no isômero butano separações, a aplicação comercial ainda não foi vista neste campo. As razões são as seguintes: (1) a produção de membranas é complicada e cara15, e as estruturas de membrana são propensas a rachaduras10. (2) As seletividades de separação para isômeros lineares/ramificados são baixas e as capacidades de absorção dos adsorventes são baixas16. (3) A separação contínua em vários estágios é difícil de realizar com tecnologia baseada em membrana.