面向C4烯烃混合物吸附分离的真实金属-有机骨架材料高通量筛选

常规的烯烃/烷烃冷冻加压精馏分离过程具有高能耗和低效率的特点, 吸附分离技术可以在温和条件下高效纯化烯烃分子而在烯烃/烷烃分离领域展现出广阔应用前景. 本工作采用高通量筛选技术从12723个真实金属-有机骨架(MOF)材料中筛选具有优异C4烯烃混合物选择性吸附性能的吸附剂, 用于1,3-丁二烯的分离纯化. 首先, 根据MOF材料的结构参数进行筛选获得了7681个具有合适孔径和比表面积的吸附剂. 然后, 采用分子力学方法计算出上述吸附剂的力学性能, 以UIO-66力学性能为阈值得到959个结构稳定的候选MOF材料. 接下来采用巨正则蒙特卡洛(GCMC)方法模拟出298 K、0.1 MPa下五元等摩尔C4烯烃混合物在不同候选MOFs中的选择性吸附行为, 根据候选MOFs对1,3-丁二烯的吸附性能分值(APS)进行排序, 得到具有最佳吸附分离性能的8种MOF材料. 通过定量构效关系、吸附等温线及理想吸附溶液理论等揭示了高吸附分离性能MOFs的结构特征, 利用穿透曲线模拟进一步验证了填充最优吸附剂RIGPEE01的固定床能够有效分离2-顺式丁烯/1,3-丁二烯双组分混合物. 最后, 通过径向分布函数和结合能计算分析, 确定RIGPEE01对1,3-丁二烯产生优先吸附的机理主要归因于Cu(I)强吸附位点、π键耦合效应和尺寸筛分效应. 本工作提出的高通量筛选方法以及从分子尺度理解MOF材料应用于烯烃分离机制的视角, 为进一步开发烯烃/烷烃混合物分离的新型吸附剂奠定了理论基础.     

功能性纤维状二氧化硅纳米粒子的调控制备及在吸附分离中的应用

利用吸附剂对环境中污染物进行分离去除是环境污染治理的有效方法和常用方法,其中以无机材料为载体的功能化吸附剂应用更为广泛。二氧化硅纳米颗粒具有稳定性好、易修饰、成本低和对环境友好等特点,在环境污染物的吸附分离方面具有广阔的应用前景。纤维状硅球与传统的二氧化硅纳米颗粒相比具有比表面积大、有开放孔道等优点,在实际吸附分离应用中能够提供更多有效吸附位点且孔道不易堵塞,是一种更具潜力的吸附剂载体。本文结合本课题组的研究工作对纤维状硅球的合成制备尤其是结构参数的调控方面进行了归纳分析;在分析近年来关于重金属、有机物、放射性核素等环境污染物处理相关研究的基础上,对功能性纤维状硅球在环境污染物吸附分离领域中的应用进行总结;最后从纤维状硅球合成方面的局限性以及应用方面的潜力对功能性纤维状硅球在吸附分离领域中的应用前景进行了展望。     

材料基因工程技术在分子筛领域中的应用

材料基因工程是近年来材料领域兴起的前沿技术, 其基本理念是融合材料高通量计算、 高通量实验和数据技术加速新材料的设计和研发. 分子筛作为一种重要的化工材料, 因其良好的热稳定性、 较高的比表面积、 独特的孔道结构及可调变的元素组成和酸性, 在气体吸附、 分离、 异相催化和离子交换等工业领域应用广泛. 近年来, 融合高通量计算、 高通量实验和数据库技术的材料基因工程技术正逐步应用于分子筛研发等领域: 高通量计算能够从理论上预测并筛选出具有优异性能的分子筛合成目标、 高通量实验显著提升了分子筛材料合成与表征的效率、 数据库技术则为未来挖掘分子筛材料的合成规律与构效关系奠定了数据基础. 本文主要从这3个方面阐述材料基因工程技术在分子筛材料研发领域的应用及进展, 总结以功能为导向、 定向设计和构筑分子筛材料所面临的机遇与挑战, 并对材料基因工程技术在分子筛领域的前景进行了展望.     

沸石分子筛材料在消除挥发性有机化合物反应中的吸附与催化性能（英文）

作为空气污染物的主要成分之一,挥发性有机化合物(VOCs)会极大地破坏生态环境并损害人体健康.在众多消除VOCs的方法中,吸附法由于操作简单、成本低廉的优势而在工业上得以广泛应用.催化燃烧法则因去除效率高,适用范围广且无二次污染等优点被认为是VOCs消除最有效的手段之一.目前,活性炭是最常用的VOCs吸附剂,但存在再生困难、抗湿性差、易燃等诸多问题.与活性炭等常规吸附剂相比,沸石分子筛作为VOCs吸附剂其主要优势在于:(1)沸石分子筛的疏水性可调,通过调控分子筛骨架的硅铝比可以调节分子筛的亲疏水性,高硅铝比的沸石分子筛有着优异的疏水性能,从而可以有效降低在一定湿度条件下水对VOCs分子的竞争吸附;(2)均一的孔径分布可以有效地进行分子识别,从而使吸附剂对VOCs的选择性吸附性大大提高;(3)沸石分子筛一般由硅铝构成,本身不可燃且水热稳定性好,因此能够与微波加热等其他手段相结合以降低吸附剂重生能耗,提高操作安全性;(4)沸石分子筛比表面积大,吸附容量高,是作为蜂窝转轮吸附技术中吸附剂的理想材料,而该技术是目前工业大规模消除VOCs的研究热点.因此,沸石分子筛由于其独特的性质,被视为一种简单高效、选择性好的VOCs吸附剂.现阶段,催化燃烧VOCs所使用的催化剂常用金属氧化物作为载体,但是金属氧化物比表面积相对较小且孔道结构不均一,因此严重影响了催化剂对VOCs的催化燃烧效率,限制了催化燃烧活性的提高.而与金属氧化物载体相比,沸石分子筛材料具有均一的孔道结构以及相对较大的比表面积等优点,而将具有较好吸附选择性和吸附容量的沸石分子筛作为载体,负载活性组分后可以实现催化剂催化燃烧性能的显著提高,从而成为VOCs催化燃烧的理想催化剂.本文综述了目前沸石分子筛材料作为吸附剂和催化剂载体的负载型催化剂消除各类VOCs的研究进展.对于沸石分子筛作为VOCs吸附剂,我们小结了影响其吸附容量和吸附选择性的因素,发现分子筛的孔道大小和阳离子类型与VOCs的吸附情况密切相关.在此基础上,进一步简单介绍了分子筛蜂窝吸附转轮技术的研究现状.对于沸石分子筛作为催化剂载体,我们总结了其用于各类VOCs催化燃烧的研究情况,如烷烃类、芳烃类和醛类等.探究了催化性能的影响因素及相应的催化机理,发现分子筛的孔道结构、阳离子类型、硅铝比等都会显著影响沸石分子筛负载型催化剂的催化活性.最后,探讨了沸石分子筛应用于VOCs消除目前所存在的问题,同时展望了该领域未来的研究和发展方向.     

离子印迹介孔材料制备及其吸附重金属的应用

离子印迹介孔材料具有吸附容量高、吸附选择性和骨架稳定等特点,在吸附分离领域有着广泛的应用前景。本文总结了目前离子印迹介孔材料的制备方法,阐述了分步合成法及一步合成法的各自特点;着重介绍了该材料在对重金属吸附和分离领域的研究与应用情况;简要说明了离子印迹介孔材料对重金属离子的吸附机理;并提出了离子印迹介孔材料在制备与应用中存在的问题。     

介孔分子筛制备技术新进展—二次合成、超分子自组装和介孔生成剂法

具有内部介孔结构的多级孔分子筛兼具微孔分子筛和介孔材料的功能, 拥有良好的传质和催化特性. 在过去的几十年内, 介孔分子筛在催化、 吸附和分离领域发展迅速. 近年来, 新型合成方法的开发在很大程度上实现了介孔分子筛孔道结构、 组分及形貌灵活可控的调节. 本综述讨论了近期出现的多种新合成路径, 重点介绍了近期发展起来的二次合成制备低硅/铝介孔分子筛、 超分子自组装合成介孔分子筛及有机小分子原位合成介孔分子筛技术. 对这些合成技术的机理进行了讨论, 以期为介孔分子筛未来的发展提供思路. 文章的最后还讨论了不同的合成策略所面临的一些关键性挑战.     

油水分离用天然材料表面化学研究进展

油水乳液和油水混合物的分离对解决工业含油废水以及原油泄漏造成的污染问题具有重要的意义。近年来应用于油水分离的超润湿材料引起了广泛的关注,并展现出良好的应用前景。本文综述了近年来利用超润湿性低成本、环保的天然材料通过过滤和吸附技术分离油水乳液和混合物的研究进展。对于每一种天然材料,如沙粒、木材、椰子壳等,介绍了代表性的研究工作,阐述了其制备过程、润湿特性以及对油水混合物或者油水乳液的分离效果,并讨论了利用超亲水/水下超疏油、超疏水/超亲油两种类型的材料分离不混溶的油水混合物、"水包油"型乳液和"油包水"型乳液等三类油水混合物的物理化学机理。最后,对该领域的挑战和未来的发展方向进行了展望。     

光致发光沸石分子筛复合材料的研究进展

除传统的催化、 吸附分离和离子交换外, 主客体组装化学赋予了沸石分子筛材料独特的物理化学性质和广阔的应用前景. 本文聚焦光致发光沸石分子筛复合材料, 综述了这类材料最新的研究进展, 总结了不同发光客体, 如稀土金属、 金属簇、 量子点/碳点等与沸石分子筛形成的复合材料的制备方法与组装策略, 介绍了该类复合材料的光致发光性质和潜在应用, 探究了复合材料中可能存在的量子限域、 分子间相互作用、 能量转移和电子转移等对发光的影响, 并对未来光致发光沸石分子筛复合材料的发展前景进行了展望.     

多孔材料基π络合吸附材料的合成及其应用

π络合吸附分离技术以低能耗、高效和可再生等优点,在燃料油的脱硫、烯烃/烷烃气体的分离、混合气体中CO的分离几个方面有广泛的应用。吸附材料是π络合吸附分离技术的关键。本文围绕π络合吸附材料的合成方法及应用效果,综述国内外的一些重要研究进展。总体来说,将过渡金属离子(Cu(Ⅰ)、Ag(Ⅰ)和Pd(Ⅱ)等)引入高比表面积的载体是合成π络合吸附材料的普遍方法。至今,基于无机分子筛合成π络合吸附材料的方法包括离子交换、浸渍、固相研磨和空间限域等。研究者在这方面开展了大量的工作,且卓有成效。近年,研究者致力基于金属有机框架(MOFs)合成π络合吸附材料,包括未修饰和修饰的MOFs,具备较好的研究和应用前景。此外,本文总结了目前几种π络合吸附材料的优缺点,并对未来发展趋势进行展望。     

介孔分子筛制备技术新进展——二次合成、超分子自组装和介孔生成剂法（英文）

具有内部介孔结构的多级孔分子筛兼具微孔分子筛和介孔材料的功能,拥有良好的传质和催化特性.在过去的几十年内,介孔分子筛在催化、吸附和分离领域发展迅速.近年来,新型合成方法的开发在很大程度上实现了介孔分子筛孔道结构、组分及形貌灵活可控的调节.本综述讨论了近期出现的多种新合成路径,重点介绍了近期发展起来的二次合成制备低硅/铝介孔分子筛、超分子自组装合成介孔分子筛及有机小分子原位合成介孔分子筛技术.对这些合成技术的机理进行了讨论,以期为介孔分子筛未来的发展提供思路.文章的最后还讨论了不同的合成策略所面临的一些关键性挑战.     

Highly Selective Zeolite Topologies for Flue Gas Separation

The separation of carbon dioxide from flue gas is essential for the reduction of greenhouse gas emissions. In adsorptive methods, the challenge lies in the choice of suitable porous materials. Among all zeolite topologies, a number of adsorbents with pore dimensions in the range of the guest molecules were identified to allow an excellent separation by diffusion, and MRE and AFO zeolite topologies appear to be the best candidates based on equilibrium adsorption. Also, it was found that the behavior of this gas mixture in DFT and APD zeolites differed from the normal behavior.     

纳米多级孔分子筛：简短的综述

分子筛是一种三维微孔结构的硅铝酸盐晶体,具有灵活多变的骨架和组成、较高的物理和水热稳定性、无毒、高比表面积、离子可交换性以及很低的成本等特点,因而在油品精制、石油化学、农业、水和污水处理等众多领域中用作离子交换剂、催化剂和吸附剂。尽管分子筛的应用是基于其本身的微孔结构,但微孔也导致体积较大的反应物和产物分子的传质阻力高。通过制备纳米尺度和多级孔结构的分子筛等多种手段可克服常规分子筛所具有的传质限制。人们已经开发了多种方法制备了新型的分子筛材料,并考察了它们在各种催化反应和吸附反应中的性能。在反应体系中采用这种多级孔的纳米分子筛,有可能提高催化剂的使用寿命和催化性能,抑制积碳和失活。本综述概述了多级孔分子筛和纳米分子筛的高性能及其合成方法的最新进展,讨论了每个合成方法的优缺点,简述了纳米分子筛和二级孔结构分子筛的催化应用,并与常规分子筛进行了比较。     

Light Hydrocarbon Separations Using Porous Organic Framework Materials

Light hydrocarbons (C₁–C₃) are used as basic energy feedstocks and as commodity organic compounds for the production of many industrially necessary chemicals. Due to the nature of the raw materials and production processes, light hydrocarbons are generated as mixtures, but the high-purity single-component products are of vital importance to the petrochemical industry. Consequently, the separation of these C₁–C₃ products is a crucial industrial procedure that comprises a significant share of the total global energy consumption per year. As a complement to traditional separation methods (distillation, partial hydrogenation, etc.), adsorptive separations using porous solids have received widespread attention due to their lower energy costs and higher efficiency. Extensive research has been devoted to the use of porous materials such as zeolites and metal-organic frameworks (MOFs) as solid adsorbents for these key separations, owing to the high porosity, tunable pore structures, and unsaturated metal sites present in these materials. Recently, porous organic framework (POF) materials composed of organic building blocks linked by covalent bonds have also shown excellent properties in light hydrocarbon adsorption and separation, sparking interest in the use of these materials as adsorbents in separation processes. This Minireview summarizes the recent advances in the use of POFs for light hydrocarbon separations, including the separation of mixtures of methane/ethane, methane/propane, ethylene/ethane, acetylene/ethylene, and propylene/propane, while highlighting the relationships between the structural features of these materials and their separation performances. Finally, the difficulties, challenges, and opportunities associated with leveraging POFs for light hydrocarbon separations are discussed to conclude the review.     

二维分子筛的制备及其催化应用研究进展

沸石分子筛是一种具有独特孔道结构的硅铝酸盐晶体,因其具有较大的比表面积、优异的孔道择形性、良好的热稳定性以及适宜的酸性质等特点,被广泛应用于催化、吸附、分离等领域。与常规三维沸石分子筛相比,二维分子筛由于其独特的形貌结构带来的可调变的多级孔结构、适宜的表面酸性以及良好的扩散传质性能等优点,已在吸附和催化领域显示出巨大的应用潜力。本文系统总结了二维MFI、SAPO-34、MCM-n、Y型分子筛等的合成以及此类分子筛催化应用研究方面的最新进展。最后,对二维沸石分子筛材料的新合成方法及新应用领域进行了展望。     

沸石分子筛材料在消除挥发性有机化合物反应中的吸附与催化性能

作为空气污染物的主要成分之一,挥发性有机化合物(VOCs)会极大地破坏生态环境并损害人体健康。在众多消除 VOCs的方法中,吸附法由于操作简单、成本低廉的优势而在工业上得以广泛应用。催化燃烧法则因去除效率高,适用范围广且无二次污染等优点被认为是 VOCs消除最有效的手段之一。
　　目前,活性炭是最常用的 VOCs吸附剂,但存在再生困难、抗湿性差、易燃等诸多问题。与活性炭等常规吸附剂相比,沸石分子筛作为 VOCs吸附剂其主要优势在于：(1)沸石分子筛的疏水性可调,通过调控分子筛骨架的硅铝比可以调节分子筛的亲疏水性,高硅铝比的沸石分子筛有着优异的疏水性能,从而可以有效降低在一定湿度条件下水对 VOCs分子的竞争吸附;(2)均一的孔径分布可以有效地进行分子识别,从而使吸附剂对VOCs的选择性吸附性大大提高;(3)沸石分子筛一般由硅铝构成,本身不可燃且水热稳定性好,因此能够与微波加热等其他手段相结合以降低吸附剂重生能耗,提高操作安全性;(4)沸石分子筛比表面积大,吸附容量高,是作为蜂窝转轮吸附技术中吸附剂的理想材料,而该技术是目前工业大规模消除VOCs的研究热点。因此,沸石分子筛由于其独特的性质,被视为一种简单高效、选择性好的VOCs吸附剂。现阶段,催化燃烧VOCs所使用的催化剂常用金属氧化物作为载体,但是金属氧化物比表面积相对较小且孔道结构不均一,因此严重影响了催化剂对VOCs的催化燃烧效率,限制了催化燃烧活性的提高。而与金属氧化物载体相比,沸石分子筛材料具有均一的孔道结构以及相对较大的比表面积等优点,而将具有较好吸附选择性和吸附容量的沸石分子筛作为载体,负载活性组分后可以实现催化剂催化燃烧性能的显著提高,从而成为VOCs催化燃烧的理想催化剂。
　　本文综述了目前沸石分子筛材料作为吸附剂和催化剂载体的负载型催化剂消除各类VOCs的研究进展。对于沸石分子筛作为VOCs吸附剂,我们小结了影响其吸附容量和吸附选择性的因素,发现分子筛的孔道大小和阳离子类型与VOCs的吸附情况密切相关。在此基础上,进一步简单介绍了分子筛蜂窝吸附转轮技术的研究现状。对于沸石分子筛作为催化剂载体,我们总结了其用于各类VOCs催化燃烧的研究情况,如烷烃类、芳烃类和醛类等。探究了催化性能的影响因素及相应的催化机理,发现分子筛的孔道结构、阳离子类型、硅铝比等都会显著影响沸石分子筛负载型催化剂的催化活性。最后,探讨了沸石分子筛应用于VOCs消除目前所存在的问题,同时展望了该领域未来的研究和发展方向。     

分离、富集液相中金离子的反应型材料

介绍了近年来国内外以化学吸附纤维(离子交换和螯合纤维)、活性炭纤维和树脂等有机功能材料为基础研究开发分离、富集液相中金离子(Au3 和Au )的研究进展,其中包括含N、O、S等各种官能团有机功能纤维和树脂、活性炭纤维对液相中金离子吸附的实验理论研究、预富集分析测试和实际湿法冶金中的应用,对于不同吸附材料对金离子的吸附行为、吸附机理、影响因素等进行了初步探讨。指出了反应型材料的优势和目前所存在的问题,对其应用前景作了适当展望。     

X射线晶体学和电子晶体学在分子筛结构表征中的应用

分子筛是一类具有规则孔道或笼结构的晶态微孔材料, 在吸附、 分离和催化中都表现出了优异的性能. 为了探索其结构与性质的关系, 在原子尺度上研究分子筛的微观结构是十分必要的. 本综述介绍了一系列与X射线晶体学和电子晶体学相关的表征技术（倒易空间和正空间）在分子筛结构表征中的应用. 随后, 基于分子筛的结构表征方法和化学组成, 对2007年之后发现的85种新分子筛进行了系统总结, 对其中9种具有独特合成方法或结构特征的分子筛进行了详细介绍.     

Selective adsorption of bacterial cells onto zeolites

Zeolites adsorb microbial cells on their surfaces and selective adsorption for specific microorganisms was seen with certain zeolites. Tests for the adsorption ability of zeolites were conducted using various established microbial cell lines. Specific cell lines were shown to selectively absorb to certain zeolites, species to species.

In order to understand the selectivity of adsorption, we tested adsorption under various pH conditions and determined the zeta-potentials of zeolites and cells. The adsorption of some cell lines depended on the pH, and some microorganisms were preferentially adsorbed at acidic pH. The values of zeta-potentials were used for calculating the electric double layer interaction energy between zeolites and microbial cells. There was a correlation between the experimental adsorption results and the interaction energy. Moreover, we evaluated the surface hydrophobicity of bacterial cells by using the microbial adherence to hydrocarbon (MATH) assay. In addition, we also applied this method for zeolites to quantify relative surface hydrophobicity. As a result, we found a correlation between the adsorption results and the hydrophobicity of bacterial cells and zeolites. These results suggested that adsorption could be explained mainly by electric double layer interactions and hydrophobic interactions.

Finally, by using the zeolites Na-BEA and H-Y, we succeeded in clearly separating three representative microbes from a mixture of Escherichia coli, Bacillus subtilis and Staphylococcus aureus. Zeolites could adsorb each of the bacterial cell species with high selectivity even from a mixed suspension. Zeolites can therefore be used as effective carrier materials to provide an easy, rapid and accurate method for cell separation.     

Kinetic and Thermodynamic Study on the Liquid Phase Adsorption by Starchy Materials in the Alcohol-Water System

Improving adsorptive processes demands a constant search for new adsorbents. In the case of alcohol-water separation, zeolites are widely used. The use of new adsorbents as a substitute for zeolites, mainly starch, has been proposed recently. This work is a thermodynamic and kinetic study of liquid phase adsorption of water from methanol, ethanol, propanol and butanol-water mixtures using starch as the adsorbent. The thermodynamic data were obtained by means of the static method at three different temperatures (25, 40 and 50°C), and were correlated by the Langmuir isotherm. The kinetic data were obtained in a finite liquid bath cell. The influence of temperature and molecular chain length of the alcohol on the capacity and adsorption rate were determined.     

固体核磁共振研究分子筛的新进展

分子筛由于具有独特的孔道及可调控酸碱性等特征,被作为离子交换剂、吸附剂及催化剂而广泛应用于石油化工的各种催化过程中。固体核磁共振是研究分子筛结构、酸性及主客体相互作用的强有力谱学手段之一。简单概述了固体核磁共振研究分子筛的最近进展。