胺功能化吸附剂选择性捕获 C2H2中痕量 CO2：开启乙炔净化新征程

为解决从 C2H2中去除痕量 CO2的难题，研究人员开展了胺功能化吸附剂的相关研究。结果发现 PEI@HP20 吸附剂性能优异，能高效分离 C2H2和 CO2，该成果为开发新型吸附剂提供了思路。

　　在工业领域，乙炔（C₂H₂）可是个 “大忙人”，作为重要的工业原料和燃料，它在石油化工和金属加工等众多领域都有着关键作用。近年来，C₂H₂的市场价值更是一路飙升，预计到 2027 年将达到约 140 亿美元。但在 C₂H₂的生产过程中，总会混入一些 “不速之客”，其中就有痕量的二氧化碳（CO₂）。别小看这不到 3% 的 CO₂，它的存在会降低 C₂H₂的纯度，给下游应用带来不少麻烦。比如在原子吸收光谱分析中，C₂H₂的纯度通常要达到 99.6%；在半导体行业，对其纯度的要求更是高达 99.99%。

目前，常用的获取高纯度 C₂H₂的方法，像溶剂萃取和化学吸收，不仅能耗大、成本高，还会造成环境污染。而基于多孔材料的吸附分离技术虽被寄予厚望，但由于 C₂H₂和 CO₂的物理性质极为相似，如分子尺寸、沸点相近，且 C₂H₂在压缩时还有严格限制，使得从 C₂H₂中高效分离痕量 CO₂成为一个棘手的难题。

为了解决这个问题，中国石油大学（北京）和兰州大学等机构的研究人员展开了深入研究。他们成功制备出一种新型吸附剂 PEI@HP20，并将相关研究成果发表在《Nature Communications》上。这一成果为从 C₂H₂中分离痕量 CO₂提供了新的有效途径，在工业领域具有重要的应用价值 。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是通过湿浸渍法制备 PEI@HP20 吸附剂，将聚乙烯亚胺（PEI - 800）负载到商业树脂 HP20 上；二是利用气体吸附实验、原位多核固态核磁共振（SSNMR）和密度泛函理论（DFT）计算等手段，对吸附剂的性能和吸附机理进行研究；三是开展固定床穿透实验和中试规模的压力 - 温度摆动吸附（PTSA）实验，评估吸附剂的实际分离性能。

下面来看看具体的研究结果：

• PEI@HP20 的制备与表征：HP20 是由苯乙烯和二乙烯基苯聚合而成的球形多孔共聚物，热稳定性良好。研究人员将 PEI - 800 通过湿浸渍法负载到 HP20 上得到 PEI@HP20。通过傅里叶变换红外光谱（FT - IR）和多核 SSNMR 等技术分析发现，PEI - 800 成功负载到 HP20 上，且负载后的 PEI - 800 处于准液态，均匀分布在 HP20 的孔内。
• CO₂和 C₂H₂的吸附与选择性：实验结果显示，HP20 对 C₂H₂有一定吸附选择性，而 PEI@HP20 则表现出对 CO₂的强吸附和对 C₂H₂的弱吸附。PEI@HP20 的 CO₂吸附容量在 100 kPa 和 298 K 时高达 4.35 mmol/g，远超其他报道的 CO₂选择性吸附剂；其 CO₂/C₂H₂吸收比达到 22.5，理想吸附溶液理论（IAST）选择性高达 1.33×10⁷，展现出卓越的分离性能。
• 实验室穿透实验和中试规模 PTSA：固定床穿透实验表明，PEI@HP20 能快速吸附 CO₂，在干燥和 100% 相对湿度条件下都能直接得到高纯度 C₂H₂。中试规模 PTSA 实验在 2 kg PEI@HP20 上进行，结果显示从 CO₂/C₂H₂（1/99，v/v）混合物中获得的 C₂H₂纯度超过 99.99%，平均每周期产量可达 689.4 g，充分展示了其大规模工业应用的潜力。
• CO₂/C₂H₂分离机制研究：通过 SSNMR 光谱、FT - IR 和 DFT 计算等研究发现，PEI@HP20 对 CO₂的吸附是化学吸附和物理吸附协同作用的过程。化学吸附源于 CO₂与 PEI - 800 的伯胺反应形成氨基甲酸铵网络，物理吸附则是通过氨基甲酸铵的 NH 基团与 CO₂形成氢键实现的。

在研究结论与讨论部分，研究人员成功制备的 PEI@HP20 吸附剂，凭借其超高的 CO₂/C₂H₂选择性、高 CO₂吸附容量、低再生温度和出色的循环稳定性，为从 C₂H₂中捕获痕量 CO₂树立了新的标杆。中试规模 PTSA 测试进一步验证了其大规模工业应用的潜力。这种优异性能得益于化学吸附和物理吸附协同的独特机制，这一发现不仅为开发 CO₂选择性吸附剂提供了通用且高效的方法，还极大地推动了吸附分离技术在 C₂H₂净化领域的工业化进程，为相关行业的可持续发展注入了新的活力。