芳烃-脂肪烃分离是一个具有挑战性但重要的工业过程，渗透蒸发膜技术具有分离这些混合物的潜力。
在此，北京工业大学的安全福教授和王乃鑫教授等人开发了一种定向单层多面体（OMP）膜，该膜由单层有序多面体颗粒构成，并由超支化聚合物锚定。这种膜包含高密度的直接选择性纳米通道，能够优先传输芳香族分子。与传统的随机取向混合基质膜相比，OMP膜在分离C6和C7化合物时的性能提高了3到10倍。这种高性能证明了OMP膜在烃类分子分离方面的巨大潜力，特别是在石脑油原料增值分离中的应用前景。
相关文章以“Aromatic-aliphatic hydrocarbon separation with oriented monolayer polyhedral membrane”为题发表在Science上。
乙烯等轻质烯烃是重要的石化产品，全球年产量达到数亿吨，石脑油蒸汽裂解用于生产超过50%的轻质烯烃。然而，裂解工艺是石化工业中最为能源密集的单一工艺。石脑油中的芳香烃不能参与裂解反应，反而会在裂解炉内结焦，降低裂解收率并增加生产成本。
“分子精炼”提供了一种优化石脑油成分、最大化补料分子价值的方法。通过分离芳香烃和脂肪烃，可以得到理想的蒸汽裂解原料，同时也能获得高附加值的芳烃产品原料。相关研究表明，吸附方法（如模拟移动床）在从多组分模型混合物中分离芳香族和脂肪族化合物方面具有良好效果。
作为替代技术，渗透蒸发膜技术在液相分子分离方面也表现出显著潜力。该技术具有低能耗、高效率的优势，并且能够与其他工艺集成，为石脑油中芳香族-脂肪族碳氢化合物的高效分离提供了理论上的可能性。
然而，分离芳香族和脂肪族碳氢化合物面临较大挑战，因为它们具有相似的物理化学性质和易共沸的特点。这些分子具有相似的动力学直径和复杂的分子构型，因此单纯的尺寸筛分效应无法实现这两类分子的精确分离。大多数关于芳烃与脂肪族碳氢化合物渗透蒸发的研究都集中在芳香族友好型聚合物膜上。这些膜通过芳香族分子的极化作用及极性官能团诱导的离域π电子，利用分子扩散行为的差异实现分离。然而，这些聚合物膜的无序交联网络结构往往带有曲折的纳米通道，且孔径分布较为宽泛，这限制了膜的渗透性和选择性的进一步提升。
相比之下，混合基质膜采用了具有规则多面体形态的多孔晶体材料，能够通过在膜内创建多个低电阻选择性传输通道来优化性能。然而，由于填料的低负载和无序聚集，高效的传输路径常被聚合物基质的多段阻塞。通过优化晶体颗粒的空间排列，可以创建更加明确的分子传输路径，从而增强膜的快速性和选择性。
基于上述理解，本文的方法旨在充分利用多孔晶体材料规则多面体的结构特性，构建有序、密集分布且互连的选择性分子传输通道。作者提出了一种分步旋涂方法，使用金属有机框架（MOF）材料来创建定向单层多面体（OMP）膜。具体而言，通过将具有规则八面体结构的MOF颗粒组装到多孔衬底上，并用聚合物密封颗粒之间的间隙，形成具有相互连接直通道的膜，这些通道非常适合在渗透蒸发过程中实现超快速的芳烃-脂肪烃分离（如图1A所示）。
OMP膜中，定向单层MOF颗粒高密度分布，提供了主导分子转运过程的快速和选择性通道，而锚定MOF相的聚合物则赋予膜出色的柔韧性和耐用性。为了验证其应用，设计了一种两级级联分离工艺，证明了OMP膜在石脑油系统中分离碳氢化合物时的高稳定性。
图1：OMP膜的设计
图2：OMP膜结构的调控
图3：分子选择性转运机制
图4：模型石脑油系统的分离性能和膜的耐久性的评价
YHao Sun, Naixin Wang*, Yinghui Xu, Fengkai Wang, Jun Lu, Huanting Wang, Quan-Fu An*, Aromatic-aliphatic hydrocarbon separation with oriented monolayer polyhedral membrane, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq5577
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