C4烯烃是基础有机化工原料,包括1,3-丁二烯、1-丁烯、异丁烯等,是制备合成橡胶、甲基叔丁基醚(MTBE)、仲丁醇和甲乙酮等化工产品的主要原料,石油化学工业上对C4烯烃的分离也有着极大的兴趣。然而,C4烯烃混合物中各组分物理化学性质非常接近,结构高度相似,彼此间分子尺寸相似且各组分沸点相近,使得通过分离得到高纯度的单组分C4烯烃难度非常大。当前,C4烯烃混合物的分离主要通过高耗能的有机溶剂萃取精馏技术实现,不利于节能和环保的可持续发展主题,亟需发展新型分离技术。在众多替代萃取精馏技术的方案中,使用基于物理吸附的多孔材料对C4烯烃混合物进行分离被认为是一种有前景的节能环保分离技术。Mg-CUK-1是一种具有一维孔道结构的MgⅡ基金属有机骨架材料,平均孔径约为1.38 nm,活化后框架结构仍保持稳定且在水环境下稳定性好。本文围绕Mg-CUK-1材料吸附及分离C4烯烃性能开展研究,主要研究内容和结果总结如下:1.采用水热法,以Mg(N03)2·6H20为原料,2,4-吡啶-二羧酸(C7H5NO4)为有机配体,KOH溶液为溶剂,在473K下烘箱中反应15 h后冷却得到Mg-CUK-1。经短暂超声循环处理和乙醇溶液纯化后,所合成材料BET比表面积达570 mng-1,骨架密度和孔体积分别为1142 kg·m-3和0.626 cm3·g-1,平均晶粒在30-40 μm之间。2.采用体积法测定了 298、310、323 K三个不同温度下单组分C4烯烃在Mg-CUK-1上的吸附等温线。结果表明,Mg-CUK-1对单组分C4烯烃的吸附能力明显不同,在298K和100 kPa下气体吸附量大小顺序为cis-2-C4H8>1,3-C4H6>n-C4H8>trans-2-C4H8>iso-C4Hg,吸附量的差异表明该材料有希望用于选择性地分离C4烯烃混合物。采用Dual-site Langmuir模型对所得吸附平衡数据进行拟合,发现该吸附模型可以较好地描述C4烯烃在Mg-CUK-1上的吸附等温线。此外,采用理想吸附溶液理论(IAST)预测了该材料对两组混合气T《-C4H8/iso-C4H8 和 cis-2-C4H8/trans-2-C4H8的分离选择性并对其进行了讨论。3.通过量子化学方法和分子模拟技术相结合的方法研究了 C4烯烃在Mg-CUK-1材料中的吸附差异,对吸附分离机理进行了探讨。采用含色散矫正的密度泛函理论方法DFT-D2计算了 C4烯烃混合物中各组分在Mg-CUK-1上的结合能并进行了比较。此外,采用巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟了三个不同温度298、310、323 K下吸附等温线。结果表明,Mg-CUK-1与C4烯烃之间有很强的范德华作用力,同时客体分子之间也存在大小不同的相互作用,两者共同作用的结果使得不同吸附质在Mg-CUK-1上的吸附存在差异,为分离C4烯烃混合物提供了理论基础。