Selective ethane adsorption from a mixture of ethane ($C_2H_6$)/ethylene ($C_2H_4$) has emerged as an energy-efficient process for obtaining high-purity ethylene. Some microporous organometallic and organic adsorbents have recently been reported to exhibit unique preferential $C_2H_6$ adsorption behaviors. Conversely, conventional adsorbents such as zeolites are known to preferentially adsorb $C_2H_4$ over $C_2H_6$ (olefin-philic) due to high surface polarity and acidity. Here, we systematically investigated the effects of chemical compositions, silanol defects, and pore topologies (BEA, CHA, and MFI) to develop olefin-phobic zeolites. The results indicated that even the minor presence of Si-O-(Na$^{+}$)-Al (weak Lewis acid) and Si-OH (weak acidic Brønsted acid) groups can undesirably increase the affinity for $C_2H_4$. Consequently, only the defect-free pure-silica zeolites synthesized in fluoride media exhibited high $C_2H_6$/$C_2H_4$ selectivity (1.98–2.25), which were superior to those of Al-containing zeolites (0.26–1.17) and pure-silica zeolites with silanol defects (1.36–1.51). In particular, BEA zeolite exhibited the highest $C_2H_6$/$C_2H_4$ selectivity (2.25), large ethane uptake (2.27 mmol g$^{-1}$) and efficient regeneration at 298 K. It enabled the separation of high-purity $C_2H_4$ (>99.95%) from a mixture of $C_2H_6$/$C_2H_4$ (1/1 v/v) in large productivity (22.98 LSTP L$^{-1}$), which is very promising compared to various state-of-the-art adsorbents.
에테인($C_2H_6$)/에틸렌($C_2H_4$)의 혼합물로부터의 선택적 에테인 흡착은 고순도 에틸렌을 얻기 위한 에너지 효율적인 공정으로 떠오르고 있다. 일부 미세 다공성 유기금속 및 유기 흡착제는 독특한 $C_2H_6$ 선호적 흡착 거동을 나타내는 것으로 최근 보고되었다. 반대로, 제올라이트와 같은 기존의 흡착제는 높은 표면 극성과 산성으로 인해 $C_2H_6$보다 $C_2H_4$를 우선적으로 흡착하는 것(친올레핀성)으로 알려져 있다. 여기에서 우리는 올레핀 배타적인 제올라이트를 개발하기 위해 화학 조성, 실라놀 결함 및 기공 구조(BEA, CHA 및 MFI)의 영향을 체계적으로 조사했다. 결과는 약간의 Si-O-(Na$^+$)-Al(약한 루이스 산) 및 Si-OH(약한 산성 브뢴스테드 산) 그룹의 존재만으로도 선호되지 않는 $C_2H_4$에 대한 친화도를 증가시킬 수 있음을 나타낸다. 결과적으로, 플루오르화물 매질에서 합성된 무결함 순수-실리카 제올라이트만이 높은 $C_2H_6$/$C_2H_4$ 선택도(1.98-2.25)를 나타내었고, 이는 Al 함유 제올라이트(0.26-1.17) 및 실라놀 결함이 있는 순수-실리카 제올라이트(1.36–1.51)보다 우수했다. 특히, 무결함 순수-실리카 BEA 제올라이트는 가장 높은 $C_2H_6$/$C_2H_4$ 선택도(2.25), 높은 에테인 흡착량(2.27mmol g$^{-1}$) 및 298 K에서의 효율적인 재생을 나타냈다. 또한 이 제올라이트는 $C_2H_6$/$C_2H_4$(1/1 v/v) 혼합물로부터 고순도 $C_2H_4$(>99.95%)를 높은 생산성(22.98 LSTP L$^{-1}$)으로 분리할 수 있고, 이는 다양한 첨단 흡착제들과 비교했을 때 매우 유망한 것으로 확인되었다.
