CN112473625A - 一种用于分离乙炔乙烯的超微孔金属有机骨架材料的制备方法 - Google Patents

一种用于分离乙炔乙烯的超微孔金属有机骨架材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及化工分离技术领域，公开了一种用于分离乙炔乙烯的超微孔金属有机骨架材料的制备方法，包括：将水合肼加入到含4‑乙酰吡啶的乙醇溶液，加入甲酸后加热搅拌回流，反应溶液在低温下重结晶后，获得有机配体。将六氟硅酸铜的甲醇溶液与有机配体的甲醇溶液混合，室温搅拌进行自组装反应，抽滤后，获得蓝色固体粉末，并通过甲醇交换数次后抽真空活化得到超微孔金属有机骨架材料。本发明选用特定的有机配体，合理设计骨架结构，制得超微孔金属有机骨架材料。该超微孔金属有机骨架材料对乙炔气体吸附容量大，对乙烯的吸附量少，具有高的分离选择性且具有良好稳定性等优点，并且可重复使用，可用于工业中乙烯/乙炔的分离。

Description

一种用于分离乙炔乙烯的超微孔金属有机骨架材料的制备 方法
技术领域
本发明涉及化工分离技术领域，尤其涉及一种用于分离乙炔乙烯的超微孔金属有机骨架材料的制备方法。
背景技术
乙烯是聚合物生产的重要化学原料，广泛用于合成化学产品如合成纤维，橡胶和塑料的生产，而原料的纯度往往成为决定产品质量的先决条件。乙炔是乙烷裂解制乙烯的主要副产品，它也是在轻油裂解装置上生产乙烯的杂质之一(体积分数约为1% )。另外在乙烯聚合反应中乙炔的含量需要严格限制，因为超过40 mg/L的乙炔就会使催化剂中毒失活。此外，乙炔容易形成爆炸性金属乙炔化物。因此，从乙烯中除去乙炔是至关重要的。由于分子大小、分子特性和挥发性相近，C2H2/C2H4分离非常具有挑战性。传统的乙炔分离办法要用到液体吸附剂N，N-二甲基甲酰胺，但吸附过程非常耗能，因此开发新的替代技术迫在眉睫。
利用多孔材料对气体进行吸附并在一定的温度和压力下进行脱附是分离气体混合物的有效办法。金属有机骨架材料是以金属或金属簇为结构基元通过配位键与有机配体相连接而形成的多孔晶体材料。本发明团队在前期研究中发现金属有机骨架材料具有许多有趣且吸引人的特征，包括大的内表面积和孔体积，完美有序和明确的孔结构，可功能化的孔表面和可调节的孔径，因此金属有机骨架材料作为一种低能耗固体吸附剂在C2H2/C2H4分离方面可能具有出良好的应用前景。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于分离乙炔乙烯的超微孔金属有机骨架材料的制备方法，本发明选用特定的有机配体，合理设计骨架结构，合成出新型超微孔金属有机骨架材料，本发明的超微孔金属有机骨架材料对乙炔气体吸附容量大，对乙烯的吸附量少，具有高的分离选择性且具有良好稳定性等优点，并且可重复使用，可用于工业中乙烯/乙炔的分离。
本发明的具体技术方案为：一种用于分离乙炔乙烯的超微孔金属有机骨架材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将水合肼加入到含有4-乙酰吡啶的乙醇溶液中，加入甲酸作为催化剂，加热搅拌回流进行反应。
S2：将S1反应所得溶液在低温下重结晶后，抽滤获得黄色固体，用乙醇和乙醚的混合溶剂洗涤，获得有机吖嗪配体2，5-双（4-吡啶基）-3，4-二氮杂-2，4-己二烯。
S3：将六氟硅酸铜的甲醇溶液与有机吖嗪配体2，5-双（4-吡啶基）-3，4-二氮杂-2，4-己二烯的甲醇溶液混合，在室温下搅拌进行自组装反应，得到蓝色液体。
S4：将所述蓝色液体抽滤，获得蓝色固体粉末，并通过甲醇交换数次后得到超微孔金属有机骨架，然后将其先在273-298K下抽真空活化，再在323-333K下抽真空活化，将孔道内的溶剂客体分子去除，得到活化后的超微孔金属有机骨架材料。
本发明通过合理地选择有机配体，调节金属有机骨架中的孔径，将其孔结构双功能化（“吖嗪”和“SiF6 2-”），使其对乙炔具有最佳的孔径和较强的结合位点，实现乙炔的高效捕获。本发明的超微孔金属有机骨架材料与常规吸附剂相比，具有乙炔吸附容量高、吸附选择性高的优点，从而可实现乙烯/乙炔混合气的高效分离，获得高纯度的乙烯气体和乙炔气体。
本发明通过不同阴、阳离子及有机配体的组合实现超微孔金属有机骨架材料孔径的精确调控，当含乙烯乙炔的混合气与超微孔金属有机骨架材料接触时，由于乙烯/乙炔分子尺寸的不同引起二者在材料孔道内扩散速率的显著差异，乙炔快于乙烯。同时，由于孔道表面分布有高密度氟硅酸阴离子，其对氢键酸性更强的乙炔分子表现出更强的作用力，导致乙炔具有比乙烯更高的吸附容量，进一步增强了金属有机骨架材料的分子识别能力，从而实现乙烯/乙炔混合气的高效分离。
其中，本发明团队发现S3的反应温度至关重要，只有在室温下反应才能得到针对乙炔乙烯分离效果最为理想的金属有机骨架材料，温度过高或过低会直接导致组装所得金属有机骨架材料具有不同结构、孔径，从而不适用于乙炔乙烯的分离。具体可见各对比例的记载。
作为优选，S1中，所述水合肼和4-乙酰吡啶的摩尔比为1:2-1:3；所述甲酸的添加量为水合肼体积的10-20%。
作为优选，S1中，反应温度为35-45℃，反应时间为3-5h。
作为优选，S2中，重结晶温度为0-5℃。
作为优选，S2中，所述混合溶剂的体积比为乙醇:乙醚=1:1-1:2。
作为优选，S3中，所述六氟硅酸铜和有机吖嗪配体2，5-双（4-吡啶基）-3，4-二氮杂-2，4-己二烯的摩尔比为1:1-1:2。
作为优选，S3中，反应时间为24-48h。
作为优选，S4中，所述甲醇为高效液相色谱纯的甲醇，甲醇交换次数至少为8次。
作为优选，S4中，先在273-298K下抽真空活化12-24h，再在323-333K下抽真空活化12-24h
与现有技术对比，本发明的有益效果是：
（1）本发明超微孔金属有机骨架材料通过选用2，5-双（4-吡啶基）-3，4-二氮杂-2，4-己二烯作为有机配体，合理地构建了对乙炔具有最佳的孔径和结合位点的孔结构，使六氟硅酸离子可以与氢键酸性更强的乙炔分子形成强氢键相互作用力，从而实现对乙烯乙炔的分离。
（2）本发明超微孔金属有机骨架材料结构具有可设计性，可根据实际所需的应用合理的设计骨架结构，包括孔径大小、孔体积、骨架内修饰的官能团等。
（3）本发明超微孔金属有机骨架材料具有活性基团多、吸附性能好、制备简单且对设备要求低，易于大量合成，而且具有能耗低，设备投资小等突出优点。
（4）本发明超微孔金属有机骨架材料经过脱附处理后，仍然具有良好的吸附分离能力，可重复利用。
附图说明
图1为实施例1制得的有机配体2，5-双（4-吡啶基）-3，4-二氮杂-2，4-己二烯的核磁氢谱图；
图2为实施例1制得的超微孔金属有机骨架材料BET吸附曲线图；
图3为实施例1制得的超微孔金属有机骨架材料乙烯、乙炔在296K下的三个周期的等温吸附曲线图；
图4为本发明实施例1制得的超微孔金属有机骨架材料的X射线衍射图谱；
图5为本发明实施例2制得的超微孔金属有机骨架材料的X射线衍射图谱；
图6为本发明实施例3制得的超微孔金属有机骨架材料的X射线衍射图谱；
图7为本发明实施例4制得的超微孔金属有机骨架材料的X射线衍射图谱。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
总实施例
一种用于分离乙炔乙烯的超微孔金属有机骨架材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将水合肼加入到含有4-乙酰吡啶的乙醇溶液中，加入甲酸作为催化剂，加热至35-45℃搅拌回流进行反应3-5h。其中，所述水合肼和4-乙酰吡啶的摩尔比为1:2-1:3；所述甲酸的添加量为水合肼体积的10-20%。
S2：将S1反应所得溶液在低温0-5℃下重结晶后，抽滤获得黄色固体，用体积比为乙醇:乙醚=1:1-1:2的混合溶剂洗涤，获得有机吖嗪配体2，5-双（4-吡啶基）-3，4-二氮杂-2，4-己二烯。
S3：将六氟硅酸铜的甲醇溶液与有机吖嗪配体2，5-双（4-吡啶基）-3，4-二氮杂-2，4-己二烯的甲醇溶液混合，六氟硅酸铜和有机吖嗪配体2，5-双（4-吡啶基）-3，4-二氮杂-2，4-己二烯的摩尔比为1:1-1:2；在室温下搅拌进行自组装反应24-48h，得到蓝色液体。
S4：将所述蓝色液体抽滤，获得蓝色固体粉末，并通过甲醇交换至少8次后得到含有溶剂的超微孔金属有机骨架。将溶剂交换的样品在室温（273-298K）下抽真空12-24小时，然后在323-333K下抽真空12-24小时，得到活化后的超微孔金属有机骨架材料。
实施例1
2，5-双（4-吡啶基）-3，4-二氮杂-2，4-己二烯的制备：量取1mL水合肼滴加到溶于乙醇的4-乙酰吡啶的溶液中，接着加入0.1mL甲酸作为催化剂，水合肼和4-乙酰吡啶的摩尔比为1:2，在40℃下搅拌反应4h。在低温0℃下重结晶后，用布氏漏斗抽滤得到有机配体2，5-双（4-吡啶基）-3，4-二氮杂-2，4-己二烯。
上述方法是制备2，5-双（4-吡啶基）-3，4-二氮杂-2，4-己二烯已的最优工艺，通过图1核磁氢谱验证其具有高的纯度（1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ 8.69 (dd, J = 4.6, 1.5Hz, 4H), 7.74 (dd, J = 4.6, 1.5 Hz, 4H), 2.27 (s, 6H).），后续实施例中的2，5-双（4-吡啶基）-3，4-二氮杂-2，4-己二烯均采用该工艺。
超微孔金属有机骨架（记[Cu(bpdh)2SiF6]n）的制备：分别将0.050g六氟硅酸铜溶解在3mL的甲醇溶液和0.063g 2，5-双（4-吡啶基）-3，4-二氮杂-2，4-己二烯的溶解在3mL的甲醇溶液，将两溶液混合后加入到20mL反应瓶中，在室温下搅拌反应24h，取出样品。通过布氏漏斗抽滤得到固体蓝色粉末，即为超微孔金属有机骨架[Cu(bpdh)2SiF6]n。将固体蓝色粉末通过高效液相色谱纯的甲醇交换8次。将溶剂交换的样品在室温（293K）下抽真空18小时，然后在328K下抽真空18小时，得到活化后的超微孔金属有机骨架材料。
对实施例1所得的产品进行X射线衍射及BET吸附检测，由图2可知该材料具有良好的晶型和物相纯度，保持尖锐的XRD粉末衍射特征峰。通过图3中196K的CO2吸附量，可以计算出[Cu(bpdh)2SiF6]n的BET约为430 m2/g，进一步证明该材料具有较好多孔特性，并且该材料在经过多次重复吸附-脱附后仍保持很好的分离效率。图4为该材料的乙烯、乙炔的吸附等温线，表明其具有优异的乙烯乙炔分离性能。
实施例2
超微孔金属有机骨架（记[Cu(bpdh)2SiF6]n）的制备：分别将0.050g六氟硅酸铜溶解在3mL的甲醇溶液和0.126g 2，5-双（4-吡啶基）-3，4-二氮杂-2，4-己二烯的溶解在6mL的甲醇溶液，将两溶液混合后加入到20mL反应瓶中，在室温下搅拌反应24h，取出样品。通过布氏漏斗抽滤得到固体蓝色粉末，即为超微孔金属有机骨架[Cu(bpdh)2SiF6]n。将固体蓝色粉末通过高效液相色谱纯的甲醇交换8次。将溶剂交换的样品在室温（293K）下抽真空18小时，然后在328K下抽真空24小时，得到活化后的超微孔金属有机骨架材料。
实施例3
超微孔金属有机骨架（记[Cu(bpdh)2SiF6]n）的制备：分别将0.050g六氟硅酸铜溶解在3mL的甲醇溶液和0.063g 2，5-双（4-吡啶基）-3，4-二氮杂-2，4-己二烯的溶解在3mL的甲醇溶液，将两溶液混合后加入到20mL反应瓶中，在室温下搅拌反应48h，取出样品。通过布氏漏斗抽滤得到固体蓝色粉末，即为超微孔金属有机骨架[Cu(bpdh)2SiF6]n。将固体蓝色粉末通过高效液相色谱纯的甲醇交换8次。将溶剂交换的样品在室温（293K）下抽真空18小时，然后在328K下抽真空24小时，得到活化后的超微孔金属有机骨架材料。
实施例4
超微孔金属有机骨架（记[Cu(bpdh)2SiF6]n）的制备：分别将0.050g六氟硅酸铜溶解在3mL的甲醇溶液和0.126g 2，5-双（4-吡啶基）-3，4-二氮杂-2，4-己二烯的溶解在6mL的甲醇溶液，将两溶液混合后加入到20mL反应瓶中，在室温下搅拌反应48h，取出样品。通过布氏漏斗抽滤得到固体蓝色粉末，即为超微孔金属有机骨架[Cu(bpdh)2SiF6]n。将固体蓝色粉末通过高效液相色谱纯的甲醇交换8次。将溶剂交换的样品在室温（293K）下抽真空18小时，然后在328K下抽真空24小时，得到活化后的超微孔金属有机骨架材料。
对比例1
与实施例1的不同之处在于：选用去离子水作为六氟硅酸铜的溶剂，反应温度为85℃、15min，然后50℃反应24h，制备超微孔金属有机骨架材料，得到产物物相不纯，粉末XRD衍射如图5所示有杂峰出现，分析其原因主要是在水容器的存在和85℃的较高的温度下，反应物自组装形成了不同结构金属有机骨架材料导致出现了部分杂峰，从而影响纯度。经测试该产物无法适用于乙炔乙烯的分离。
对比例2
对比例2与实施例1的不同之处在于：选用去离子水作为六氟硅酸铜的溶剂，反应温度为50℃，反应时间为24h，制备超微孔金属有机骨架材料，得到产物物相不纯，粉末XRD衍射如图6所示有杂峰出现，所得样品为黄色粉末，分析其原因主要是反应物在50℃下在水溶剂的存在下从而自组装为另一种结构的金属有机骨架材料。经测试该产物无法适用于乙炔乙烯的分离。
对比例3
对比例3与实施例1的不同之处在于：选用去离子水作为六氟硅酸铜的溶剂，反应条件为室温下搅拌，反应时间为24h，制备超微孔金属有机骨架材料，得到产物物相不纯，粉末XRD衍射如图7所示有杂峰出现，分析其原因主要是在去离子水的存在下，反应物自组装为同时具有互穿和不互穿结构的金属有机骨架材料，导致样品物相不纯。经测试该产物无法适用于乙炔乙烯的分离。
对比例4
对比例4与实施例1的不同之处在于：在反应条件为50℃下反应24h，制备超微孔金属有机骨架材料，反应得到的样品为深绿色粉末，分析其原因也是由于在50℃下反应物自组装的形成了不同结构的金属有机骨架材料。经测试该产物无法适用于乙炔乙烯的分离。
对比例5
对比例5与实施例1的不同之处在于：反应条件为85℃反应15min，然后50℃反应24h，制备超微孔金属有机骨架材料，反应同样得到深绿色粉末，证明在较高的温度下反应物都会自组装为不同的结构。经测试该产物无法适用于乙炔乙烯的分离。
对比例6
对比例6与实施例1的不同之处在于：反应条件为85℃反应24h，制备超微孔金属有机骨架材料，反应同样获得的为深绿色粉末，所得样品物相不纯。经测试该产物无法适用于乙炔乙烯的分离。
由各实施例和各对比例结果对比可知，反应温度至关重要，只有在本发明温度范围内才能得到针对乙炔乙烯分离效果最为理想的金属有机骨架材料，温度过高或过低会直接导致组装所得金属有机骨架材料具有不同结构、孔径，从而不适用于乙炔乙烯的分离。具体可见各对比例的记载。
本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于分离乙炔乙烯的超微孔金属有机骨架材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：将水合肼加入到含有4-乙酰吡啶的乙醇溶液中，加入甲酸作为催化剂，加热搅拌回流进行反应；
S2：将S1反应所得溶液重结晶后，抽滤获得黄色固体，用乙醇和乙醚的混合溶剂洗涤，获得有机吖嗪配体2，5-双（4-吡啶基）-3，4-二氮杂-2，4-己二烯；
S3：将六氟硅酸铜的甲醇溶液与有机吖嗪配体2，5-双（4-吡啶基）-3，4-二氮杂-2，4-己二烯的甲醇溶液混合，在室温下搅拌进行自组装反应，得到蓝色液体；
S4：将所述蓝色液体抽滤，获得蓝色固体粉末，并通过甲醇交换数次后得到超微孔金属有机骨架，然后将其先在273-298K下抽真空活化，再在323-333K下抽真空活化，得到活化后的超微孔金属有机骨架材料。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S1中，所述水合肼和4-乙酰吡啶的摩尔比为1:2-1:3；所述甲酸的添加量为水合肼体积的10-20%。
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，S1中，反应温度为35-45℃，反应时间为3-5h。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S2中，重结晶温度为0-5℃。
5.如权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，S2中，所述混合溶剂的体积比为乙醇:乙醚=1:1-1:1.5。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S3中，所述六氟硅酸铜和有机吖嗪配体2，5-双（4-吡啶基）-3，4-二氮杂-2，4-己二烯的摩尔比为1:1-1:2。
7.如权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于，S3中，反应时间为24-48h。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S4中，所述甲醇为高效液相色谱纯的甲醇，甲醇交换次数至少为8次。
9.如权利要求1或8所述的制备方法，其特征在于，S4中，先在273-298K下抽真空活化12-24h，再在323-333K下抽真空活化12-24h。
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