Séparation efficace des isomères du butane via ZIF

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 4792 (2022) Citer cet article

Le n-butane et l’isobutane sont des matières premières pétrochimiques importantes. Leur séparation est difficile en raison de leurs propriétés similaires, notamment leur point d’ébullition. Nous rapportons ici une suspension d’eau à structure imidazolate zéolitique-8 (ZIF-8)/N,N-Diméthylpropylèneurée (DMPU) comme matériau de sorption pour séparer les mélanges de butane. La sélectivité isobutane/n-butane des boues ZIF-8/DMPU-eau atteint 890 avec des performances cinétiques élevées, qui transcendent la limite supérieure de divers matériaux ou membranes de séparation signalées dans la littérature. Plus encourageant encore, un dispositif de séparation pilote en continu a été mis en place et les résultats des tests montrent que la pureté et le taux de récupération du produit isobutane sont respectivement de 99,46 % en moles et 87 %, ce qui est supérieur aux performances correspondantes (98,56 % en moles et 54 %). de la tour de distillation industrielle. À notre connaissance, l’utilisation de structures métallo-organiques (MOF) pour la séparation des gaz à l’échelle pilote reste sous-explorée et ce travail constitue donc un pas en avant vers l’application commerciale des MOF dans la séparation des gaz.

Le n-butane et l’isobutane sont tous deux d’importantes matières premières pétrochimiques utilisées dans des applications directes ou pour la synthèse d’autres produits pétrochimiques. Les isomères coexistent généralement sous forme de gaz de pétrole liquéfiés produits par condensation du gaz naturel ou lors du traitement du pétrole, par exemple avec le craquage catalytique fluide (FCC). Il devient donc essentiel de séparer les isomères du butane de manière efficace et économique. Par exemple, l'isobutane de haute pureté peut être utilisé pour1 (1) des réactions avec des oléfines pour produire de l'essence alkylée à indice d'octane élevé, (2) une co-oxydation avec du propylène pour coproduire de l'oxyde de propylène et du tert-butanol, et (3) une déshydrogénation pour produire de l'isobutène. . D'autre part, le n-butane peut être utilisé comme réfrigérant ou pour (1) l'oxydation pour produire de l'anhydride maléique2 et (2) la déshydrogénation pour produire du butadiène3. Cependant, la séparation des isomères du butane est considérée comme un processus difficile4,5 puisque leurs propriétés physiques et chimiques, telles que les points d'ébullition, les pressions de vapeur et les polarisabilités, sont similaires6. À ce jour, des techniques de distillation coûteuses en énergie et en coûts sont encore largement appliquées pour la séparation des isomères du butane dans l’industrie en raison du manque d’alternatives plus efficaces.

La séparation par adsorption avec exclusion sélective de taille/forme fournie par des matériaux poreux inorganiques, tels que les zéolites et le charbon actif, est considérée comme une alternative intéressante aux séparations actuelles basées sur la distillation, coûteuses en énergie et en coûts7,8. Par exemple, en tant qu'agents les plus largement utilisés pour la séparation des isomères du butane, les zéolites de type MFI (silicalite-1 et ZSM-5) avec des pores elliptiques multidimensionnels de 5,5 Å peuvent distinguer le n-butane de l'isobutane. L'application des zéolites MFI aux séparations membranaires a été suffisamment étudiée10,11,12,13. Les sélectivités n-butane/isobutane des membranes MFI testées entre 20 et 100 °C variaient de 4 à 705,12. De plus, Woo et al.14 ont préparé une membrane à matrice mixte à base de MFI pour améliorer la perméabilité au n-butane, mais le facteur de séparation n-butane/isobutane le plus élevé n'était que de 6,64. En plus des membranes à base de MFI, Liu et ses collègues15 ont synthétisé des membranes à structure organométallique (MOF) de type cubique à faces centrées (fcu) sur des supports en polymère vitreux (6FDA-DAM), qui présentaient un facteur de séparation n-butane/isobutane de ~30 à 75 °C. Zhou et al.5 ont préparé des membranes de tamisage moléculaire en carbone de haute qualité sur des substrats d'alumine γ, et le facteur de séparation n-butane/isobutane a atteint 74. Néanmoins, même si de nombreuses études ont revendiqué l'utilisation efficace des technologies de séparation par membrane de l'isomère du butane séparations, l’application commerciale n’a pas encore été vue dans ce domaine. Les raisons sont les suivantes : (1) la production de membranes est lourde et coûteuse15, et les structures membranaires sont sujettes aux fissures10. (2) Les sélectivités de séparation pour les isomères linéaires/ramifiés sont faibles et les capacités d'absorption des adsorbants sont faibles16. (3) Une séparation continue en plusieurs étapes est difficile à réaliser avec une technologie basée sur la membrane.