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[转载]「好文分享」ZIF-8浆液法对油田废气中低浓度、多组分NMHCs的捕集
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文章导读
非甲烷总烃（NMHCs）是一种常见的挥发性有机污染物（VOCs），在空气中超过一定浓度后可直接对人体健康造成危害。此外，NMHCs还具有较强的光化学活性，在一定条件下经过光照会产生光化学烟雾，对环境造成严重的危害。在油气田开采加工过程中由于油气类物质的不完全燃烧，尾气中含有许多未燃尽的NMHCs（主要为C2-C4），这类废气直接排入大气后对环境污染极大。目前主流的VOCs处理方法仍然是采用多孔材料吸附法，如常见的活性炭吸附。而多孔材料吸附法多采用固定床反应器，难以实现对废气的多级吸附分离。此外，固体吸附剂的热传导性能一般较差，在再生过程中难以实现热整合，从而导致较高的能耗。因此，迫切需要探索一种可连续高效处理大体量含NMHCs废气的方法。
近期，中国石油大学（北京）陈光进教授课题组将本组开发的一种ZIF-8浆液吸收吸附耦合法应用到油田废气中低浓度、多组分NMHCs的捕集中。通过将多孔纳米材料ZIF-8分散于异十六烷溶剂中形成一种可流动的多孔液体用于捕集废气中的NMHCs组分，实现了对油田废气中多组分NMHCs的ppm级别捕集。文章发表在Green Chemical Engineering（GreenChE），题为“Low-concentration and multi-component NMHCs capture from oil field exhaust using porous ZIF-8/iso-hexadecane slurry”。
（原文链接：https://doi.org/10.1016/j.gce.2023.06.001）
内容概述
研究工作首先对比了废气中几种主要成分在ZIF-8浆液中的吸收等温线和吸收压降曲线，揭示了浆液对N2、CH4和NMHCs组分之间显著的吸收溶解度差异和选择性吸收特性（图1）。随后根据油田现场废气组成配制了原料气进行NMHCs捕集实验，结果表明ZIF-8浆液对废气中NMHCs组分的捕集可达到ppm级别（表1）。并且在动态穿透实验中，ZIF-8浆液对混合气的不同组分表现出了良好的动态分离选择性（图2）。
图1. ZIF-8浆液对废气中主要成分的吸收性能对比，（a）吸收等温线；（b）单组分压降曲线。
表1. ZIF-8/异十六烷浆液的NMHCs捕获结果。
图2. 含NMHCs混合气在ZIF-8浆液中的动态穿透实验。
此外，由于油气类物质燃烧的尾气中一般含有大量的CO2和水蒸气，本研究还针对ZIF-8浆液在含CO2和水蒸气体系下的稳定性和耐久性进行了系统地考察。研究表明，在含CO2和水蒸气的环境中长期使用后，浆液对C2H6的吸收性能会出现明显的下降，浆液中ZIF-8的特征结构也会受到一定程度的破坏。
图3. 暴露在CO2和水蒸气环境下之后的浆液和新鲜浆液对C2H6的吸收压降曲线对比。
图4. 在含不同水蒸气分压条件下处理后，浆液中ZIF-8材料的特征结构对比。
该课题组此前的研究中发现ZIF-8可通过其自身配体2-甲基咪唑创造出的碱性环境维持自身稳定的特征结构，因此本研究通过在ZIF-8合成过程中在材料中保留少量的2-甲基咪唑实现了对浆液中ZIF-8特征结构的保护（图5和图6）。
图5. 使用2-甲基咪唑保护后浆液中ZIF-8与新鲜ZIF-8的特征结构对比。（a）XRD图谱；（b）FT-IR图谱。
图6. 使用2-甲基咪唑保护后浆液中ZIF-8与新鲜ZIF-8的表面形态对比。（a）新鲜ZIF-8；（b）回收ZIF-8的SEM图。
总结与展望
近年来，该课题组基于ZIF-8浆液吸收吸附耦合法在轻烃组分分离领域中展开了一系列的热力学基础和动力学优化研究，旨在将目前仍停留在实验室研究阶段的MOF材料分离技术进行推广并放大，为实现MOF材料分离轻烃组分的工业化应用奠定基础。
本研究在此前工作的基础上，将ZIF-8浆液吸收吸附耦合法应用到油田废气中NMHCs组分的捕集中。考察了浆液对NMHCs组分的单组分吸收特性和对废气中NMHCs的捕集效果，并通过穿透实验考察了浆液对废气中各组分的动态分离效果。此外针对浆液在含CO2和水蒸气环境下的稳定性和耐久性进行了考察并提出了保护措施。本工作不仅提供了一种油田废气中NMHCs的捕集方法，还为MOF材料在气体分离领域的工业化发展赋予了前景和希望。
通讯作者简介
邓春，博士，中国石油大学（北京）化学工程与环境学院教授。主要从事化工过程系统集成与优化、气体分离及流程模拟、人工智能与化工过程等方面的研究工作，主持国家自然科学基金面上项目4项，北京市自然科学基金面上项目1项，主持/参加企业委托课题9项，以第一作者和通讯作者发表期刊论文61篇；荣获教育部自然科学奖二等奖1项，教育部在线教育研究中心“智慧教学之星”，北京高校“优质本科课程”《化工原理》，首届全国高等院校化工原理课程教学能力大赛一等奖（教授组），中国石油大学（北京）青年拔尖人才等。
陈光进，博士，中国石油大学（北京）化学工程与环境学院教授，2003年获霍英东青年教师基金，2005年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”，2009年获得国家杰出青年基金。2007年被聘为“十一五”863计划海洋技术领域“天然水合物勘探开发关键技术”重大项目总体专家。2000年被国际知名期刊“Chemical Engineering Science”聘为客座编辑；目前是《Current Physical Chemistry》的客座编辑，《Chinese Journal of Chemical Engineering》、《高校化学工程学报》和《The Open Thermodynamics Journal》的编委和天然气水合物专业委员会副主任。主要从事高压流体相态和气体水合物方面的科学研究和技术开发。近年来主持国家自然科学基金重大项目课题1项、面上项目4项，“863”计划课题4项，省部级课题8项；发表论文百余篇，其中有70余篇被SCI收录。申请国内外发明专利30余项，其中已取得中国发明专利授权22项，国际发明专利2项；出版气体水合物专著1部、教材1部。2004年获中国石油化工协会科技进步一等奖，2010年获教育部自然科学奖一等奖，被国际大奖ENI Award提名为该奖2011、2012年度候奖人。指导的博士研究生1人获全国百篇优秀博士论文奖。
期刊介绍
Green Chemical Engineering（GreenChE）于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”，2020年9月正式创刊，目前已被EI、DOAJ、Scopus和CSCD数据库收录。GreenChE以绿色化工为学科基础，聚焦"绿色"，立足"工程" ，注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题，紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。
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