Exceptionally Fast Separation of Xylene Isomers with Zeolitic Nanotube Array Membranes

渗透 化学 沸石 选择性 气体分离 氧化物 纳米管 八角石 分子筛 纳米技术 化学工程 有机化学 渗透 材料科学 碳纳米管 吸附 催化作用 生物化学 工程类
作者
Chun Shen,Minmin Xue,Hu Qiu,Wanlin Guo
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (19): 13276-13281 被引量:18
标识
DOI:10.1021/jacs.4c01436
摘要

The separation of xylene isomers is of vital importance in chemical industry but remains challenging due to their similar structure and overlapping physiochemical properties. Membrane-based separations using the zeolite MFI, graphene oxide, and metal-organic frameworks have been intensively studied for this application, but the performance is limited by the well-known rule that the filtrate permeance scales inversely with the membrane thickness. We propose a novel membrane design that is capable of breaking this rule, based on an array of recently discovered zeolite nanotubes. Each zeolite nanotube possesses a 3.6-nm-wide central channel, connecting to dense, uniform 0.8-nm-wide holes on its wall that act as selective pores. Comprehensive molecular dynamics simulations show that this membrane exhibits permeance exceeding current state-of-the-art membranes by at least an order of magnitude while simultaneously maintaining an acceptable selectivity. In particular, a thicker membrane featuring longer zeolite nanotubes exhibits a higher permeance due to the presence of more selective pores. The proposed membrane design is expected to be broadly applied to other gas separations and even desalination as long as zeolitic nanotubes with customized pores are available.
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