Selective ethane adsorption from an ethane (C$_2$H$_6$)/ethylene (C$_2$H$_4$) mixture has emerged as a promising alternative to energy‐intensive cryogenic distillation for obtaining high‐purity ethylene. To develop a cost‐effective adsorption process, adsorbents that exhibit high adsorption capacity and high selectivity toward C$_2$H$_6$ are required. Therefore, understanding the correlation between the framework structures and their C$_2$H$_6$/C$_2$H$_4$ separation performance is important for the development of advanced adsorbent materials. In this study, various Al-based Metal-organic frameworks (MOFs), such as MIL-53 isomorphs, CAU-10 isomorphs, and CAU-3-NDCA were prepared using Al metal ions and various organic linkers to investigate the effect of pore structure and surface functionality in separation performance of C$_2$H$_6$/C$_2$H$_4$ mixture gas. The characterization of adsorbents and their C$_2$H$_6$/C$_2$H$_4$ separation performances of the adsorbents were rigorously investigated by combining single‐component gas adsorption, ideal adsorbed solution theory calculation, dynamic breakthrough experiment for mixture gas, and molecular simulations, including Monte Carlo simulation and density functional theory calculation. As results, all Al-based MOFs displayed the ethane-selective adsorption. For the ethane/ethylene separation performance on the basis of framework structure, the highest separation performance was observed in MIL-53-NDCA among the MIL-53 isomorphs, and in KMF-2 among the CAU-10 isomorphs. In case of CAU-3-NDCA, it exhibited the low separation performance at 1 bar, however, the enhanced separation performance was observed at high pressure over 7 bar.
에탄/에틸렌 혼합가스로부터 에탄의 선택적 흡착은 고순도 에틸렌을 분리하기 위한 전통적인 심냉 증류를 대체할 수 있는 유망한 방법으로 제시되어왔다. 저비용 흡착 공정 개발을 위해서는 에탄에 대한 높은 흡착 용량과 선택성을 갖는 흡착제가 요구된다. 따라서, 성능이 향상된 흡착제의 개발을 위해서 흡착제의 구조적 특성과 에탄/에틸렌 분리 성능과의 연관성의 이해는 중요하다. 기공의 구조 및 표면의 특성에 따른 에탄/에틸렌의 분리 성능을 조사하기 위해 MIL-53 구조, CAU-10 구조, 그리고 CAU-3-NDCA 구조를 갖는 알루미늄 기반의 유무기하이브리드 나노세공체를 여러 가지 종류의 리간드를 이용하여 제조하였다. 다양한 종류의 알루미늄 기반 유무기하이브리드 나노세공체 흡착제의 특성 분석과 흡착 분리 성능 평가를 위해 단일 성분의 흡착 등온선, 이상흡착용액이론, 혼합가스에 대한 동적 파과실험, 몬테카를로 시뮬레이션 및 밀도 범함수이론을 이용하여 성능 평가를 실시하였다. 그 결과, 알루미늄 기반의 유무기하이브리드 나노세공체에서 모두 에탄 선택적 흡착 특성이 관찰되었다. 구조적 흡착 분리 성능으로 MIL-53 구조에서는 MIL-53-NDCA 가 가장 높은 에탄/에틸렌 분리 성능이 관찰되었으며, CAU-10 구조에서는 KMF-2 흡착제가 가장 높은 분리 성능을 나타냈다. CAU-3-NDCA 흡착제의 경우, 1 bar 미만의 분리 조건에서 낮은 분리 성능이 관찰되었으나, 7 bar 이상의 고압 조건에서는 향상된 분리 성능이 관찰되었다.
