CN107614097A

CN107614097A - 金属‑有机框架的生产

Info

Publication number: CN107614097A
Application number: CN201580080441.XA
Authority: CN
Inventors: 玛尔塔·卢比奥马丁内斯; 马修·罗兰·希尔; 迈克尔·巴滕; 科克·盛·利姆; 阿纳斯塔西奥斯·波利佐斯; 蒂莫西·雷蒙德·巴顿; 特雷弗·迪翁·哈德利; 安德里亚斯·亚历山大·蒙奇
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2018-01-19
Anticipated expiration: 2035-05-27
Also published as: MY192309A; WO2016187641A1; KR20180012179A; CA2929293C; US20200108369A1; WO2016187641A9; KR102312224B1; US10525440B2; EP3302783A4; JP6545825B2; US10010860B2; CN107614097B; CA2929293A1; SG11201708555XA; US20160347774A1; EP3302783A1; US20160346756A1; US10272412B2; EP3302783B1; US20190201866A1

Abstract

用于生产金属有机框架的设备，包括：管状流动反应器，所述管状流动反应器包括管状主体，在使用时，形成所述金属有机框架的前体化合物被进给并且流动到所述管状主体中，所述管状主体包括至少一个环形回路。

Description

金属-有机框架的生产

技术领域

本发明大体上涉及用于生产金属-有机框架的设备、工艺和系统。本发明特别适用于生产金属-有机框架(MOF)，并且将便利的是，其后关于那些示例性应用公开本发明。

发明背景

以下对本发明背景的讨论旨在促进对本发明的理解。然而，应该理解，该讨论不是确认或承认所提及的任何材料截止本申请的优先权日被公布、是已知的或是公知常识的一部分。

金属-有机框架(MOF)是一类有前途的多孔材料，具有可调功能、大孔径和最高的已知表面积。这些特性高度有益于大量的工业应用，诸如气体储存、气体分离、药物递送和催化。然而，到目前为止，这些材料的成本仍然过高，从而限制这些材料对预期的市场或技术产生重大影响的能力。在学术文献中描述的极少数的MOF是可商购的，其可用性限于少量(克)。

获取MOF的潜在应用的重要要求是以经济价格点大量(kg规模或更高)常规地合成MOF材料的能力。这样的工艺需要是通用的、有效的和可缩放的合成，该合成能够大量生产MOF，以便将这些材料引入现实世界的应用。

然而，由于延长的反应时间(～24小时)和低品质的材料收率，传统的实验室路线例如经典溶剂热合成难以放大。此外，多种多样的可获得的综合合成方法(syntheticsynthesis method)具有单一性质，这为任何预期的生产工艺提供固有的不灵活性。

放大MOF合成的障碍中的一种是，MOF通常在反应表面处成核，这意味着反应容器的尺寸成为合成条件中的重要参数。因此，当放大到较大的容器中时，在小型实验室规模条件下进行的反应并不总是成功的，这将放大的MOF化学限制于在其制备中是稳健的少量的MOF，所述少量的MOF各自需要定制设备。因此，便利地扩大生产规模、保持足够的停留时间、同时最小化容器的几何结构的方法对于所应用的MOF化学是极其有吸引力的，提供了生产的通用路线。

连续流动化学作为化学合成的一种范式转换方法(paradigm shiftingapproach)而闻名。可获得的改进的传热和传质常常导致改进的反应收率、减少的反应时间、较快的反应合成、新的合成途径以及较广泛的绿色化学影响。

最近的研究已经报告，MOF可以通过连续工艺来生产。Gimeno-Fabra M.等人，Instant MOF:continuous synthesis of metal-organic frameworks by rapid solventmixing，Chem.Commun.48，10642-10644(2012)示出，在300℃的高温使用定制的套管式、逆流混合反应器可以产生MOF。还示出的是，可以在微流体反应器中制造油滴内的少量MOF(参见Faustini M.等人，Microfluidic Approach toward Continuous and Ultra-Fast Syn-thesis of Metal-Organic Framework Crystals and Hetero-Structures in ConfinedMicrodroplets，J.Am.Chem.Soc，135，14619-14626(2013)和Paseta L.等人，Acceleratingthe controlled synthesis of MOFs by a microfluidic approach:a nanolitercontinuous reactor，ACS Appl.Mater.Interfaces 5，9405-9410(2013))。在2013年，KimK.-J.等人(High-rate synthesis of Cu-BTC metal-organicframeworks.Chem.Commun.49，11518-11520(2013))报告了HKUST-1的概念性中等规模流水线生产(concept mesoscale flow production)的验证，其使用包括30cm长和1.59mm内径的不锈钢管的连续流动反应器。注意到的是，所生产的MOF在低规模下具有适度的表面积。所有这些早期的报告是成规模生产MOF的有前景的步骤。然而，为了使其成为可行的，纯MOF必须是容易地可得到的，而没有产品品质的损失。

鉴于已知的大量的MOF，以及将来各自需要不同的MOF的大范围应用的可能性，通用的生产技术是至关重要的。因此，将合意的是，提供一种用于生产MOF的新的和/或改进的方法和设备。

发明概述

本发明提供用于生产金属有机框架的新的和/或改进的设备、系统和工艺。

本发明的第一方面提供一种用于生产金属有机框架的设备，包括：

管状流动反应器，该管状流动反应器包括管状主体，在使用中，形成金属有机框架的前体化合物被进给并且流动到该管状主体中，所述管状主体包括至少一个环形回路。

本发明的第二方面提供管状流动反应器用于生产金属有机框架的用途，其中管状流动反应器包括管状主体，该管状主体包括至少一个环形回路，并且在使用中，用于形成金属有机框架的前体化合物被进给并且流动通过该管状主体。

本发明提供用于生产MOF的连续流动化学工艺、系统和设备，该连续流动化学工艺、系统和设备适用于具有不同反应条件的大量MOF。MOF材料的连续流动生产允许MOF连续生产持续延长的时间段。此外，连续流动方法可以提供较高的反应速率，通常显著地高于任何以前报告的值，并且能够以比其它商业制造工艺更高的时空收率(space time yield)生产。本发明的工艺在不损失材料的收率或表面积伴随控制粒度的情况下是进一步可缩放的。因此，本发明的设备和工艺证明了接近广泛应用所需的生产量的生产量。

应该理解，流动反应器在本文中还可以被称为连续流动反应器。此外，应该认识到，下面结合本发明的第一方面(管状流动反应器)讨论的特征同样适用于本发明的第二方面(管状流动反应器的用途)。

本发明的工艺和设备超越现有工艺的优势，至少部分是管状流动反应器的构造的结果。本发明的管状流动反应器包括至少一个环形回路，并且优选地包括多个环形回路。在示例性实施方案中，管状流动反应器包括盘管反应器或盘管式反应器(coil or coiledreactor)。盘管反应器有利地允许精确且均匀地控制试剂的温度和混合、减少反应时间、实现最高的材料品质、最高的收率以及对粒度的控制。因此，本发明的管状流动反应器的盘管管状主体能够实现更均匀的加热和更好的混合，以及因此与在先公布的通过连续工艺生产的MOF的研究相比更高品质的材料和更少的反应时间。其它反应器可以用于适应辅助设备或变化的工艺条件的设计。例如，在与能量传递装置的延长的接触不太关键的情况下，可以采用壳管式反应器布置以给出较高的生产量。然而，环形回路构造是优选的，因为它允许使用具有低制造成本的非常简单的设计将能量有效地传递到反应混合物。

本发明的管状反应器的至少一个导管包括装置、元件或布置，该装置、元件或布置向反应混合物供应能量。这种能量可以是但不限于热、电磁能、声能。管状反应器本身被优选地设计成使得向反应混合物的能量传递是尽可能有效的，并且因此可以是呈单管、管壳、板框、枕板或复合结构的反应器类型的形式。

管状主体的环形回路可以布置成任何合适的构造。管状主体的环形回路可以在任何方向上弯曲0度至360度的曲率，并且任何曲线可以反转于或正交于管状主体的先前的或之后的弯曲区段。环形回路可以遵循开回路(包括直道)、蛇形构造或环形构造/螺旋形构造。管状主体的直径可以沿着其长度和包括在管状主体内部的结构或表面处理变化，以改变通过管状主体的材料的流动路径。管状主体可以沿着其长度是可渗透的，以允许流体引入管状主体或从管状主体撤回。在一些实施方案中，每个环形回路围绕中心轴线径向地居中并且沿着中心轴线轴向地隔开。因此，环形回路可以形成大体上管状的盘管，该盘管围绕中心轴线径向地居中。再次，在示例性实施方案中，环形回路包括盘管，优选地螺旋形盘管。在一些实施方案中，管状流动反应器包括毛细管管状流动反应器。然而，应当理解，不是所有实施方案必需是毛细管管状流动反应器。应理解的是，管状流动反应器的管状主体的内径可以被设定尺寸以用于各种应用。在一些实施方案中，管状主体的内径在0.5mm和50mm之间，优选地在1mm和25mm之间，更优选地从1mm至15mm。

每个环形回路的尺寸和构造可以根据应用和生产规模而变化。在实施方案中，每个环形回路的平均半径在10mm和1000mm之间。在其他实施方案中，每个环形回路的平均半径在20mm和500mm之间，优选地在40mm和200mm之间。类似地，在一些实施方案中，盘管的长度大于50mm，优选地大于100mm，更优选地在20mm和200mm之间。在一些实施方案中，盘管的长度在200mm和1000mm之间。应该注意的是，管的展开长度将是显著较长的，在一些情况下超过10m，在一些情况下超过20m。

管状流动反应器的管状主体可以包括一种或更多种长度的盘管。在一些实施方案中，管状主体包括单个长度的盘管(single length of coil)。在其他实施方案中，管状主体包括至少两个流体地连接的盘管。应该理解的是，那些流体地连接的盘管可以在整个管状流动反应器内串联连接和/或并联连接。在一些实施方案中，流体地连接的盘管串联连接，以增加管状主体的反应器长度。在一些实施方案中，流体地连接的盘管并联连接，以便增加管状主体的流动容量。还可以使用并联连接的盘管和串联连接的盘管的组合。注意的是，并联的多重盘管布置将使多组分MOF能够按阶段进行热处理，并且然后最终通过相同的加热容器。

应当理解，流动反应器可以容易地用多流水线(multiple flow line)进行操作，使得放大至大生产量相对容易(straight forward)。特别地，其可以是更有效的且有效用于“数目-增长(number-up)”(即通过重复或复制放大)的流水线以生产给定量的MOF。例如，用于生产0.2g/单位时间的MOF材料的流动反应器可以容易地被“数目-增长”以生产2g/单位时间、20g/单位时间、200g/单位时间或2kg/单位时间等的MOF材料。在一个实施方案中，流动反应器是管状盘管流动反应器，其中管状主体由全氟烷氧基烷(PFA)或金属例如不锈钢构建。然而，应当理解，管状主体可以由任何合适的材料构建，该合适的材料包括各种塑料、金属、陶瓷或类似材料。在这方面，构建材料(和壁厚度)被优选地选择以处理反应器中所需的温度和压力，并且与试剂、MOF产物和副产物在化学上是相容的。应当理解，管状主体的内表面可以被涂覆以活化反应、或抑制副反应或用于其它目的。

应当理解，环形回路、优选地盘管在管状反应器中的使用可以允许非常高的表面积用于小的占用的空间(footprint)。高表面积增加了可以由设备生产的MOF的量，在一些情况下，允许使用本发明的设备生产许多kg的MOF。在一些情况下，盘曲(coiling)还可以经由其中产生的流体的速度/环形速度和离心力帮助防止管状反应器的管的堵塞/阻塞。

应当理解，环形回路、优选地盘管在管状反应器中的使用可以允许非常高的表面积用于小的占用的空间。高表面积增加了可以由设备生产的MOF的量，在一些情况下，允许使用本发明的设备生产许多kg的MOF。在一些情况下，盘曲还可以经由其中产生的流体的速度/环形速度和离心力帮助防止管状反应器的管的堵塞/阻塞。

管状主体优选地被加热。管状主体可以通过任何合适的装置来加热。在一些实施方案中，管状主体被加热装置例如加热元件或类似物覆盖或以其它方式与其接触。在一些实施方案中，诸如气体或液体的加热流体被利用。在其他实施方案中，管状主体可以通过许多手段加热，该手段包括气体(例如空气、燃烧后的气体、蒸汽)、液体(水、加热流体例如硅油)或电力。在一些实施方案中，管状主体定位于加热壳体内部。流经管状主体的前体化合物被加热到合适的温度，该温度有助于从这些前体化合物形成MOF。特定的温度取决于形成特定的MOF的反应化学和期望的反应动力学。然而，在许多实施方案中，管状主体将前体化合物加热至在20℃和200℃之间、优选地在25℃和150℃之间、更优选地在25℃和130℃之间的温度。

在一些实施方案中，用于在管状流动反应器中合成MOF的能源本质上是光化学的。在其他实施方案中，能源是基于光的。在其他实施方案中，能源可以从超声波、微波加热、冷却或类似物产生。

反应器中优选的压力在0巴和30巴之间，优选地在5巴和10巴之间。然而，应当理解，压力是流体温度的函数，并且因此可以相应地变化。

应当理解，本发明的管状流动反应器可以包括任何数目的附加特征，该附加特征包括(但不限于)反应条件的在线监测、光学、热学、pH探针、电导率探针/传感器、粒度分布(PSD)、UV、IR、激光诱导击穿光谱仪(LIBS)以及类似特征。

本发明的第三方面提供一种用于生产金属有机框架的工艺，该工艺包括：

将根据本发明的第一方面的设备引入到包含前体化合物的溶液中，以用于在溶剂中形成金属有机框架；以及

促进所述管状流动反应器内的反应，以形成金属有机框架。

应当理解，在实施方案中，设备可以连续地运行以生产至少1kg/hr、优选地2kg/hr。然而，应当理解，生产速率将针对每种不同的MOF变化，这是由于每种MOF具有不同的分子量以及不同的反应物浓度和产物浓度。此外，来自设备的MOF的收率优选地大于60％、更优选地大于80％，并且在一些实施方案中大于95％。例如，在实施方案中，最大收率是100％(对于富马酸铝)，在两种情况下均使用前体的基于它们的溶解度的最大浓度。

前体化合物可以以各种不同的方式(regimes)引入设备中。在一些实施方案中，将前体化合物提供在含有不同的前体化合物的至少两种不同的前体溶液中，在引入管状主体中之前将前体溶液混合。在这些实施方案中，前体溶液优选地在引入管状主体中之前在混合容器内混合。应当理解，前体可以溶解在溶液中或作为未溶解的组分/固体例如分散体被提供。

在其他实施方案中，前体溶液通过在线混合(inline mixing)在进给导管中被混合，进给导管流体地连接到管状主体的入口。可以使用许多在线混合装置。例如，在线混合可以包括在两种或更多种前体溶液的进给流之间的一个或更多个混合接头优选地T-连接部、Y-连接部或交叉连接部、环形进给系统或过多的通道，使得组分的混合以最佳的方式发生。在一些实施方案中，混合装置包括可插入到导管中的一个或更多个中的混合元件。在一些实施方案中，前体溶液使用静态混合器混合。静态混合器可能较容易用于较大内径的反应管。存在于导管中的静态混合器或混合器可以不直接加热，而是经由传导(即与导管直接接触)或经由对流来接收热。静态混合器可以在进入反应器中之前并入管中或在处于加热区的管中或两者。这样，静态混合器区段可以在这些部位中的任何部位中被加热。对静态混合器的加热将经由传导(如果静态混合器与管的内壁直接/紧密接触)或经由对流进行。静态混合器的不同的形状/几何结构是可能的，并且将是所需的混合模式/流动模式的程度的函数，并且可能地有利于/调整成核相对于颗粒生长之间的平衡。

在还其他实施方案中，前体化合物被提供在含有不同前体化合物的至少两种不同的前体溶液中，在引入管状主体中之后将前体溶液混合。应当理解，不同的前体溶液可以被进给到相同的入口或分开的入口中。然而，在将不同的前体溶液进给到相同的入口中时，优选地是，将两种或更多种前体溶液在该入口处或靠近该入口混合。

本发明的设备优选地包括在管状反应器下游的限流装置，以控制/设置反应器中所需的期望的压力。优选地，限流装置将反应器中流动流的压力保持恒定。限流装置可以是呈手动设置的固定弹簧加载的或自动设计的背压控制器的形式。可选择地，限流装置可以是简单阀或固定孔口，简单阀手动地或经由自动控制系统操作。在一些实施方案中，限流装置包括来自Swagelok(KBP系列)的隔膜传感背压调节器。限流器的控制可以通过例如使用压力传感器或温度传感器的反馈回路以及变化以控制操作期间在反应器中实现的压力或压力概况的限流程度连接到管状反应器的操作。背压调节器定位于反应器之后，并且用于防止反应产物MOF阻塞反应管并防止连续流动。已经令人惊讶地发现，颗粒化合物例如MOF可以在这样小直径的管道中制造而没有阻塞，并且环形回路和背压调节的使用已经允许在非常短的时间段内连续生产数千克的材料。

在本发明的一些实施方案中，该工艺还包括以下步骤：

从含MOF的溶液中分离MOF。

该分离可以使用许多单元工艺来实现，包括离心、过滤或类似工艺。然而，在一些实施方案中，该分离使用以下步骤实现的：

将至少20kHz、优选地在20至4MHz之间、更优选地500kHz至2MHz、还更优选地在800kHz和2MHz之间、并且还更优选地在1MHz和2MHz之间的高频超声波应用到源自管状流动反应器的含MOF的溶液含MOF的溶液，从而使MOF材料作为从含MOF的溶液中沉降出的聚集沉降物(aggregated sediment)与溶液大体上分离。

在一些实施方案中，本发明的第一方面和第二方面的设备可以类似地还包括超声波分离设备和/或兆频波分离设备。因此，在一些实施方案中，该系统和设备还包括用于从溶液中分离金属有机框架(MOF)的设备，包括：

壳体，其具有能够接纳含MOF的溶液的储器；以及

高频超声波换能器，其可操作地连接到储器，并且能够将至少20kHz、优选地在20至4MHz之间、更优选地500kHz至2MHz、还更优选地在800kHz和2MHz之间并且还更优选地在1MHz和2MHz之间的频率应用到含MOF的溶液含MOF的溶液。

分离设备使用高频超声波，并且将分离设备应用到该含MOF的溶液以实现MOF从溶液中的分离。该设备还可以用于洗涤方法或纯化方法，其中MOF包括至少一种污染物，并且该设备用于使那些污染物与溶液中的MOF分离。

应当理解，分离设备可以整体地并入到管状反应器的结构中以形成单个设备或装置。可选择地，分离设备可以被连接、优选地流体地连接到管状反应器，并且因此在整个MOF生产工艺中提供另外的单元步骤/工艺步骤。

应当理解，在该洗涤和纯化的上下文中的分离广泛地包括许多单元工艺，包括洗涤工艺、纯化工艺、抛光工艺及类似工艺。所有这些工艺涉及产物(在本发明中是MOF)与污染物或其它材料的分离。应当理解，所有这些处理功能和类似的工艺被并入本发明的范围中。

超声波分离包括将>20kHz的高频超声波频率或兆声波频率应用到含MOF的溶液。来自所应用的频率的声辐射将MOF朝向压力节点(pressure node)聚集，压力节点形成在含MOF的溶液内。聚集的MOF材料倾向于以大大加速的速率从溶液中沉降到容纳含MOF的溶液的容器或分离室的底部。超声波操作和/或兆声波操作不涉及移动的部件，具有与流体接触的低表面积(即，较低的结垢能力、易于清洁)，并且允许MOF的连续分离、洗涤和/或纯化。此外，该工艺的简单性和速度使得该工艺能够缩放，并且经济地应用于现有的MOF生产方法。

在许多实施方案中，用于分离金属有机框架(MOF)的设备还包括声反射器表面，声反射器表面与壳体内的换能器间隔开，在使用时，换能器被操作以将所述应用的高频超声波反射离开声反射器表面。因此，换能器被操作以将高频超声波应用到含MOF的溶液并且从声反射器表面反射所述所应用的超声波。使用声反射器表面有助于形成压力节点所需的驻波场的形成，其中颗粒被收集用于清洁或分离。这使MOF作为从含MOF的溶液中沉降出的聚集沉降物与溶液大体上分离。

声反射器表面通常定位在换能器的前部，并且与换能器间隔开。在一些实施方案中，换能器定位成靠近壳体的一个壁或一侧或定位在壳体的一个壁或一侧处，并且声反射器表面定位成靠近壳体的相对的壁或侧或定位在壳体的相对的壁或侧处。

所应用的高频超声波的频率在分离的功能和作用中是重要的。同时，优选的频率取决于诸如MOF组成、粒度、溶液组成及类似因素的因素，所应用的高频超声波的一般范围如下：在一些实施方案中，所应用的高频超声波在20至4MHz之间、优选地500kHz至2MHz、更优选地在800kHz和2MHz之间并且还更优选地在1MHz和2MHz之间。在一些实施方案中，所应用的高频超声波大于1MHz、优选地在1MHz和10MHz之间，并且更优选地在1MHz和4MHz之间。

在某些情况下，将应用的高频超声波在高频和低频之间移动可能是有利的。在一些实施方案中，所应用的高频超声波在高频和低频之间循环。再次，选择的频率取决于许多因素。然而，在一些实施方案中，高频是在400kHz至2MHz之间，并且低频是在20kHz至400kHz之间。然而，在其他实施方案中，低频是在20kHz至500kHz之间，并且高频是在500kHz至2MHz之间。

所应用的高频超声波的能量密度是可以实现分离的另一个因素。在一些实施方案中，所应用的高频超声波的能量密度是至少25kJ/kg、优选地在100kJ/kg至250kJ/kg之间。

在一些实施方案中，本发明的工艺和设备具有通过调节诸如频率和能量密度的操作参数实现基于粒度的分离特异性的能力。因此，在一些实施方案中，调节所应用的高频超声波的频率或能量密度中的至少一个，以便基于特定的粒度选择性地分离MOF和污染物。

MOF材料是极其多孔的，并且因此在溶液中的污染物物质可以被捕集或以其它方式定位于MOF材料的孔中。本发明的工艺可以用于从这样的污染物并且更特别地在MOF的孔中的污染物中分离和/或纯化MOF。因此，在一些实施方案中，金属有机框架(MOF)包括至少一种污染物，并且该方法大体上将溶液中的污染物与MOF分离。污染物优选地留在溶液中，并且MOF在溶液的底部处或靠近溶液的底部沉降。再次，此分离包括MOF的孔中的污染物。

申请人认为，用于超声波和/或兆声波分离/活化的容器或壳体的尺寸、材料和/或几何结构可能对MOF的超声波分离工艺和/或兆声波分离工艺的结果(程度、效率或类似结果)具有影响。类似地，分离设备内的换能器的定位、布置和校准可能对MOF的超声波分离工艺和/或兆声波分离工艺的结果(程度、效率及类似结果)具有影响。

换能器可以相对于壳体被定位在任何合适的位置中，以将超声波频率和/或兆声波频率应用到接纳在储器内的含MOF的液体。在一些实施方案中，壳体包括容器，该容器包括定位成接触含MOF的溶液的至少一个壁，并且换能器是定位在储器内或与至少一个壁接合的高频超声波换能器。在每种情况下，换能器可操作以将超声波频率和/或兆声波频率应用到容纳在储器中的含MOF的溶液。

换能器可以包括任何合适的高频超声波换能器。在一些实施方案中，高频超声波换能器包括板式换能器。

所应用的频率的声反射可以有助于MOF分离工艺。因此，在一些实施方案中，壳体包括至少一个反射器表面，该反射器表面被设计成在储器内反射所应用的频率。

在沉降在溶液底部后，MOF内容物优选地从溶液中分离。因此，该工艺优选地还包括将MOF从溶液中分离的步骤。分离可以使用任何数目的分离工艺步骤实现，包括但不限于倾析、过滤、蒸发、离心、重力分离、浮选、磁力分离、喷雾干燥或类似工艺步骤。

本发明的第四方面提供一种用于生产金属有机框架(MOF)的系统，包括：

根据本发明的第一方面的用于从前体材料中形成金属有机框架的设备；以及

用于洗涤和/或纯化金属有机框架的设备，包括：壳体，该壳体具有能够接纳来自反应器的含MOF的溶液的储器；以及高频超声波换能器，该高频超声波换能器可操作地连接到储器，并且能够将至少20kHz、优选地在20至4MHz之间、更优选地500kHz至2MHz、还更优选地在800kHz和2MHz之间并且还更优选地在1MHz和2MHz之间的频率应用到含MOF的溶液含MOF的溶液。

在许多实施方案中，用于洗涤和/或纯化金属有机框架的设备还包括声反射器表面，声反射器表面与壳体内的换能器间隔开，在使用时，换能器被操作以将所述所应用的高频超声波反射离开声反射器表面。

可以使用本发明的设备、工艺和系统生产各种各样的MOF或MOF材料。

应当理解，金属有机框架(MOF)(也称为配位聚合物)或MOF是杂化晶体材料的类别，其中金属离子或小的无机纳米簇通过多官能有机连接基连接到一维网络、二维网络或三维网络中。在这个意义上，MOF是包含潜在空隙的具有有机配体的配位网络。配位网络是以一维通过重复的配位实体延伸的、但在两个或更多个单独的链、环或螺旋键(spiro-link)之间具有交联键的配位化合物，或以二维或三维通过重复的配位实体延伸的配位化合物，并且最终，配位聚合物是具有以一维、二维或三维延伸的重复的配位实体的配位化合物。

MOF具有许多吸引人的特征，具有每克数千平方米的表面积、极低的密度、相互连接的空穴和非常窄的孔隙率分布。可以开发多种开口微孔结构和介孔结构，导致具有极大表面积的材料。

可以适用于本发明的金属有机框架的实例包括本领域通常称为以下的那些：MOF-177、MOF-5、IRMOF-1、IRMOF-8、Al-fum(富马酸铝)和MIL-53(对苯二甲酸铝)、Zr-fum(富马酸锆)、UiO-66、HKUST-1、NOTT-400、MOF-。应当理解，本发明适合与大量的MOF一起使用，并且因此不应限于本申请中的示例的MOF结构。

在本发明的工艺中使用的MOF优选地包含多个金属簇，每个金属簇包括一种或更多种金属离子；以及连接相邻金属簇的多个带电多齿连接配体。因此，这样的MOF可以更通常地通过带电多齿连接配体来定义，带电多齿连接配体连接被用于形成每个MOF的相邻金属簇。MOF前体可以包括金属簇或其金属盐和/或形成最终MOF的多齿连接配体中的一个或更多个。

每个金属簇优选地包括一种或更多种金属离子。如本文所使用的，术语“簇”意指含有一种或更多种金属或准金属的一个或更多个原子或离子的部分。该定义包括单个原子或离子以及原子或离子的组，原子或离子的组任选地包括配体或共价键合的基团。每个簇优选地包含两种或更多种金属离子或准金属离子(下文中统称为“金属离子”)，并且多个多齿配体中的每个配体包括两种或更多种羧酸盐。

在一些实施方案中，多个多齿配体中的至少一个配体包括有机配体，该有机配体是至少二齿的并且选自由以下组成的组：甲酸、乙酸、草酸、丙酸、丁二酸、(E)-丁烯二酸、苯-1,4-二羧酸、苯-1,3-二羧酸、苯-1,3,5-三羧酸、2-氨基-1,4-苯二羧酸、2-溴-1,4-苯二羧酸、联苯基-4,4'-二羧酸、联苯基-3,3',5,5'-四羧酸、联苯基-3,4',5-三羧酸、2,5-二羟基-1,4-苯二羧酸、1,3,5-三(4-羧基苯基)苯、(2E,4E)-己-2,4-二烯二酸、1,4-萘二羧酸、芘-2,7-二羧酸、4,5,9,10-四氢芘-2,7-二羧酸、天冬氨酸、谷氨酸、腺嘌呤、4,4'-联吡啶、嘧啶、吡嗪、吡啶-4-羧酸、吡啶-3-羧酸、咪唑、1H-苯并咪唑、2-甲基-1H-咪唑及其混合物。

通常，金属离子选自由IUPAC元素周期表的第1族至第16族的金属组成的组，包括锕系元素和镧系元素及其组合。优选地，金属离子选自由Li⁺、Na⁺、K⁺、Rb⁺、Cs⁺、Be²⁺、Mg²⁺、Ca² ⁺、Sr²⁺、Ba²⁺、Sc³⁺、Y³⁺、Ti⁴⁺、Zr⁴⁺、Hf⁴⁺、V⁵⁺、V⁴⁺、V³⁺、V²⁺、Nb³⁺、Ta³⁺、Cr³⁺、Mo³⁺、W³⁺、Mn³⁺、Mn²⁺、Re³ ⁺、Re²⁺、Fe³⁺、Fe²⁺、Ru³⁺、Ru²⁺、Os³⁺、Os²⁺、Co³⁺、Co²⁺、Rh²⁺、Rh⁺、Ir²⁺、Ir⁺、Ni²⁺、Ni⁺、Pd²⁺、Pd⁺、Pt²⁺、Pt⁺、Cu²⁺、Cu⁺、Ag⁺、Au⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺、B³⁺、B⁵⁺、Al³⁺、Ga³⁺、In³⁺、Tl³⁺、Si⁴⁺、Si²⁺、Ge⁴⁺、Ge²⁺、Sn⁴ ⁺、Sn²⁺、Pb⁴⁺、Pb²⁺、As⁵⁺、As³⁺、As⁺、Sb⁵⁺、Sb³⁺、Sb⁺、Bi⁵⁺、Bi³⁺、Bi⁺及其组合组成的组。

通常，簇具有式M_mX_n，其中M是金属离子，X选自由第13族至第17族的阴离子组成的组，m是从1至10的数，并且n是被选择为使簇电荷平衡，使得簇具有预先确定的电荷的数。

优选地，X选自由O^2-、N^3-和S^2-组成的组。优选地，M选自由Li⁺、K⁺、Na⁺、Cs⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺、V²⁺、V³⁺、V⁴⁺、V⁵⁺、Mn²⁺、Re²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Ru³⁺、Ru²⁺、Os²⁺、Co²⁺、Rh²⁺、Ir²⁺、Ni²⁺、Pd²⁺、Pt² ⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺、Si²⁺、Ge²⁺、Sn²⁺和Pb²⁺组成的组。更优选地，M是Zn²⁺，并且X是O^2-。

通常，多齿连接配体具有6个或更多个被结合到芳香族环或非芳香族环的原子。优选地，多齿连接配体具有12个或更多个被结合到芳香族环或非芳香族环的原子。更优选地，一个或更多个多齿连接配体包括选自由具有式1至式27的配体组成的组的配体：

其中，X是氢、-NHR、-N(R)₂、卤化物、C_1-10烷基、C_6-18芳基或C_6-18芳烷基、-NH₂、烯基、炔基、-O烷基、-NH(芳基)、环烷基、环烯基、环炔基、-(CO)R、-(SO₂)R、-(CO₂)R–SH、-S(烷基)、-SO₃H、-SO₃ ^-M⁺、-COOH、-COO^-M⁺、-PO₃H₂ ^-、-PO₃H^-M⁺、-PO₃ ^2-M²⁺、或–PO₃ ^2-M²⁺、-NO₂、-CO₂H、甲硅烷基衍生物、硼烷衍生物、和二茂铁以及其它金属茂；M是金属原子，并且R是C_1-10烷基。

在一个实施方案中，多齿连接配体包括具有先前描述的式3的配体。在另一个实施方案中，多齿连接配体包括具有式18的配体(“BTB”)。在另外的实施方案中，多齿连接配体包括具有式14的配体。

附图简述

现在将参照附图中的图来描述本发明，附图示出了本发明的特别优选的实施方案，其中：

图1A提供示出根据本发明的一个实施方案的用于生产金属-有机框架溶液的一般的流动反应器装备的示意图。

图1B提供示出根据本发明的另一个实施方案的用于生产金属-有机框架溶液的一般的流动反应器装备的示意图。

图2A提供示出根据本发明的又一个实施方案的用于生产金属-有机框架溶液的一般的流动反应器装备的示意图。

图2B提供示出根据本发明的又一个实施方案的用于生产金属-有机框架溶液的盘管流动反应器装备的一个实施方案的示意图。

图2C提供示出根据本发明的又一个实施方案的用于生产金属-有机框架溶液的盘管流动反应器装备的另一个实施方案的示意图。

图3提供通过使用2mL.min^-1的总流量的流动化学获得的分别地a)HKUST-1晶体、b)UiO-66晶体和c)NOTT-400晶体的表征数据。通过流动(绿色)获得的XRPD图案与模拟结构(黑色)的比较。通过流动化学获得的晶体的SEM图像。

图4提供示出对粒度的控制(顶部)的HKUST-1晶体的代表性SEM图像，HKUST-1晶体通过流动化学在806℃在1分钟、2分钟和10分钟停留时间之后合成。比例尺：500nm。反应参数对基于表中(底部)提供的数据合成的产物的影响的概述图。生产质量被定义为BET表面积和百分比收率的乘积。数据已经标准化，使得每个参数的最大值被设置为一致。

图5提供相对于用于在80℃(a)和在140℃(b)使用不同的流量合成HKUST-1的不同浓度的铜的BET表面积SA_BET的图。

图6提供与HKUST-1的模拟XRPD图案(黑色)相比的通过流动化学在140℃并使用20mL·min^-1的流量合成的HKUST-1晶体的SEM图像和XRPD图案(绿色)。该XRPD图案使用Cu Kα辐射收集。

图7提供a)设置有高频系统的超声波分离器/兆声波分离器的照片；b)在(a)中示出的反应器装备中使用的一个200kHz板式换能器的照片；以及c)通过叠置在(a)中示出的分离器内的反射声波形成的驻波图案的示意图。

图8提供在根据本发明的一个实施方案的分离工艺期间在图7中示出的分离器中以特定时间(1分钟、4分钟和10分钟)处理的溶液的三张照片。

图9提供(A)富马酸铝上清液和(B)MIL-53(Al)上清液的使用离心机和超声波分离器/兆声波分离器从MOF溶液的第一分离收集的上清液的反向散射数据和传输数据的照片比较和比较图。

详细描述

本发明提供了即使在需要许多不同的反应条件时用于生产大量的金属有机框架的新的连续流动化学设备、系统和工艺。

本发明的设备包括管状流动反应器，该管状流动反应器包括管状主体，在使用中，形成金属有机框架的前体化合物被进给并且流动到该管状主体中，所述管状主体包括至少一个环形回路。在示例性实施方案中，管状主体包括盘管。因此，管状流动反应器包括盘管式管状流动反应器或盘管管状流动反应器。

发明人已经发现，与在先公布的通过连续工艺生产的MOF的研究相比，使用盘管式反应器能够实现更均匀的加热和更好的混合，并且因此能够实现较高品质的材料和较少的反应时间。还认为，在一些实施方案中，盘曲可以帮助防止管状反应器的堵塞，允许“连续”使用，导致大规模生产。因此，本发明提供以大规模生产高品质MOF材料的快速、成本有效的环境友好的策略。

有利地，该工艺能够缩放(超过30倍)，而不损失具有粒度控制的材料的收率或表面积。因此，本发明可以允许以大幅度降低的成本大规模生产MOF，从而允许这些MOF商业化用于许多潜在的现实世界应用。本发明提供以大规模生产高品质MOF材料的快速、成本有效的环境友好的策略。

流动反应器可以具有大量不同的工艺流程配置：

图1A示出用于生产MOF的第一连续工艺100的第一实施例流程图。在该工艺中，单个原料罐101被用于进给连续流动反应器105。连续流动反应器105包括盘管反应器，盘管反应器包括围绕中心线居中的多个环形回路或环形圈。原料罐101包括在溶剂中混合在一起的MOF前体化合物的溶液。然后将该溶液泵送103到连续流动反应器105中，热被应用到连续流动反应器105以引起MOF前体化合物之间的反应。产生的MOF收集在产物罐106中。

图1B示出用于生产MOF的第二连续工艺200的第二实施例流程图。在该工艺中，第一原料罐201包括第一前体化合物在溶剂中的溶液。第二原料罐202包括在溶剂中的第二前体化合物。然后将来自第一原料罐201和第二原料罐202中的每一个的溶液泵送203到T形管混合器204(在其他实施方案中，其可以是Y形混合器或交叉连接混合器)，溶液的流在其中被合并并且通过其传送到连续流动反应器205。连续流动反应器205包括盘管反应器，该盘管反应器包括围绕中心线居中的多个环形回路或环形圈。然后将热应用到反应器205，热被应用到反应器205以引起MOF前体化合物之间的反应。产生的MOF收集在产物罐206中。

图2A示出用于生产MOF的第三连续工艺300的第三实施例流程图。该流程图类似于图1B中示出的流程图，除了流动反应器305包括两个串联连接的盘管反应器。每个连续流动反应器305包括盘管反应器，该盘管反应器包括围绕中心线居中的多个环形回路或环形圈。在该工艺中，第一原料罐301包括第一前体化合物在溶剂中的溶液。第二原料罐302包括在溶剂中的第二前体化合物。然后将来自每个原料罐301和302的溶液泵送303到T形/混合器304，溶液的流在其中被合并并且通过其传送到连续流反应器305。然后将热应用到反应器305，热被应用到反应器305以引起MOF前体化合物之间的反应。反应器305包括流体样串联的两个盘管式反应器。这种布置增加了整个流动反应器305的反应长度。应理解，可以串联连接任何数目的盘管式管状反应器。产生的MOF收集在产物罐306中。

在图1A、图1B和图2A中示出的每个系统中，反应溶液经由流水线转移，并且引入到流动反应器105、205、305中。将反应溶液引入到流动反应器105、205、305中可以通过任何合适的手段来促进，但这将通常通过泵103、203、303的作用来实现。本领域技术人员将能够选择合适的泵103、203、303，以用于将反应溶液沿着流水线从容器101、201、202、301、302转移并将反应溶液引入到流动反应器105、205、305的目的。流水线具有本文描述的管状类型，并且实际上通过成形为盘管构造形成流动反应器105、205、305。流水线和流动反应器105、205、305之间的区别是，流动反应器105、205、305是流水线的指定区段，在其中促进从前体溶液形成MOF。经由向流动反应器105、205、305应用适当的热来示出促进MOF的形成。然后，流水线的盘管式区段被容易地划分为流动反应器105、205、305。

应理解，通过确保容器101、201、202、301、302保持反应溶液，可以连续地操作示出的工艺。当然还可以使用多重流水线来形成流动反应器105、205、305，以便增加从容器101、201、202、301、302中抽出的反应溶液的体积，并且因此增加产生的MOF的体积。

图2B和图2C示出流动反应器405的特定实施方案，流动反应器405可以用于图1A、图1B和图2A中示出的流动装备。2B中示出的流动反应器405的实施方案包括长形的盘管406，盘管406包括容纳在管状壳体410内的对齐的入口和出口412。长形的盘管406包括盘管反应器，该盘管反应器包括围绕中心线居中的多个环形回路或环形圈(以下更详细地描述)。管状壳体是金属的，优选地是不锈钢，并且包括两个隔板端414、415，使用螺栓419将两个隔板端414、415经由O形环417密封到壳体的主体。在使用中，MOF前体流体流经盘管406，同时加热流体穿过壳体410。壳侧部上的内容物的温度测量是经由部件418。在这方面，盘管406和壳体410经由加热入口端口连接部421和加热出口端口连接部422被加热，加热流体例如加热气体诸如氮气或加热流体诸如油或类似物通过加热入口端口连接部421和加热出口端口连接部422被进给和提取以加热长形的盘管406。盘管406可以具有任何合适的尺寸。在一个实施方案中，盘管是0.25"不锈钢管的845mm长的盘管，0.25"不锈钢管具有直径～7480mm(外径)的90匝盘管，其中每个环形回路或环形圈之间隔开3mm。在另一个实施方案中，盘管406是0.5"不锈钢管的863mm长的盘管，0.5"不锈钢管具有直径～130mm的56匝盘管，其中每个环形回路或环形圈之间隔开3mm，具有130mm的盘管直径(外径)。应当注意，示出的管由不锈钢制成。然而，材料的选择取决于MOF反应的化学成分，即所使用的金属盐、配体和溶剂。相应地，还可以使用塑料或其它合金。注意到，绝热材料被包括在管状壳体410的外部上以限制热损失。

图2C中示出的流动反应器405的实施方案包括与图2B中示出的装备非常相似的装备，除了长形盘管的入口和出口412处于壳体410的相对端上。由于这些相似性，相同的参考标记已经被用于该实施方案，并且与图2B中示出的实施方案相关的以上描述同样适用于图2C中示出的实施方案。

本发明的设备、工艺和系统还可以包括超声波分离设备/兆声波分离设备，该分离设备可以从溶液中分离金属-有机框架(MOF)内容物。已经发现该分离设备纯化MOF，从MOF的孔中除去污染物并且还提高经处理的MOF的表面积，产生纯化的MOF，纯化的MOF具有比相当的可商购的样品更高的表面积。

发明人已经发现，使用超声波频率和兆声波频率不仅将MOF材料/MOF颗粒与母液中的其它组分分离，而且还纯化分离的MOF材料。MOF材料是极其多孔的，并且因此在溶液中的污染物物质可以被捕集或以其它方式定位于这些孔中。已经发现这种分离设备将污染物从被这种分离方法和分离设备处理的MOF材料的孔中大体上除去。这产生高度可销售的合意的大体上纯的MOF材料。还已经发现超声波频率和兆声波频率的使用提高最终产物的表面积，充当传统地用于表面积提高的耗时且昂贵的煅烧的替代工艺。因此，该工艺可以有助于保持MOF产品品质，即孔隙率、热稳定性和化学稳定性。

根据本发明的超声波分离和/或兆声波分离应用>20kHz、在某些情况下>400kH、优选地在20至4MHz之间、优选地500kHz至2MHz、更优选地在800kHz和2MHz之间、并且还更优选地在1MHz和2MHz之间的高频超声波以产生驻波，即在液体填充的分离室内的最小压力(波节)和最大压力(波腹)的区域。同时，不希望受限于任何一种理论，发明人认为，当使用这种方法时，由于声辐射力，悬浮的颗粒或小滴基于它们的密度和压缩性特定地朝向这两个区域中的一个迁移。通常，聚集的MOF比周围的流体略致密，并且朝向压力节点迁移。MOF材料的这种聚集增强了形成较大聚集体的趋势，较大聚集体然后以大大加速的速率沉降到分离室的底部，在那里这些聚集体可以被收集。

超声波和/或兆声波操作还具有通过调节诸如频率和能量密度的操作参数实现基于粒度的分离特异性的能力。

超声波操作和/或兆声波操作不涉及移动的部件，并且可以具有与流体接触的低表面积，提供较低的结垢能力并且易于清洁。根据本发明的分离器本质上包括其中可以形成液体储器的壳体或容器。液体储器填充有本发明的管状流动反应器产生的含MOF的溶液。高频换能器例如板式换能器浸没在液体填充的储器中或与储器的壁接合，以将超声波频率和/或兆声波频率发射穿过含MOF的溶液持续一定时间长度，以实现MOF与溶液的期望的分离和/或将污染物从MOF分离到溶液中。

申请人认为，分离容器或壳体(在一些情况下，其可以容纳在管状反应器内)的尺寸、材料和/或几何结构可能对MOF的分离工艺的结果(程度、效率或类似结果)具有影响。类似地，分离设备内的换能器的定位、布置和校准可能对MOF的分离工艺的结果(程度、效率或类似结果)具有影响。

申请人提到，超声波和兆声波是众所周知的颗粒分离技术，特别是在生物技术和食品加工领域中。超声波和兆声波的以前的应用涉及尤其在食品加工(乳脂分离和棕榈油分离)中的液/液分离和固/液分离。然而，发明人不知晓使用超声波、特别是兆声波用于任何多孔材料的组合的分离、洗涤和/或活化的任何以前公布的研究。

发明人认为，本发明的超声波范围和兆声波范围为含MOF的溶液提供表面积提高、分离性质和/或洗涤性质中的至少一种。超声波和兆声波之间的差异在于用于产生声波的频率。超声波使用较低频率(20kHz至400kHz)并产生随机的空化。兆声波使用较高频率频率(>0.4MHz至若干MHz)并产生受控制的且较小的空化，这允许纳米晶体(在我们的情况中，MOF)的分离。此外，较高的兆声波频率不会引起利用超声波频率所发现的剧烈空化效应。这显著地降低或消除空蚀和被清洁的产物的表面损坏的可能性。

实施例

现在将通过实施例来例证使用根据本发明的工艺、系统和设备的五种研究的MOF的生产，苯三甲酸铜(copper trimesate)(HKUST-1)、对苯二甲酸锆(UiO-66)、联苯基四羧酸钪(NOTT-400)、富马酸铝(Al-fum)和对苯二甲酸铝(MIL-53)。然而，应当理解，本发明适合与大量的MOF一起使用，并且因此不应限于这些实施例中的示例性的MOF结构。因此，所提供的实施例可以更通常地应用于范围广泛的MOF。

实施例1-HKUST-1、UiO-66和NOTT-400的合成。

为了证明此方法的有效性和通用性，已经合成三种不同的MOF族：苯三甲酸铜(HKUST-1)、对苯二甲酸锆(UiO-66)和联苯基四羧酸钪(NOTT-400)。这三种MOF是热稳定且化学稳定的晶体，代表用于气体储存和催化中潜在应用的最感兴趣的材料中的一些。

整个实验设备的示意图在图2A中示出。设备300和生产方法使用可商购的流动化学合成平台(参见下面的 R2+/R4)，以将有机配体301和金属盐302的单独的前体溶液经由HPLC泵303同时泵入T-微混合器304中。混合的溶剂流被合并并且引导至反应器305中，反应器305包括盘管式流动反应器，盘管式流动反应器由一个至四个(在此情况下是一个)串联连接的1.0mm ID全氟烷氧基聚合物(PFA)盘管模块组成。

使用可商购的连续流动反应器Vapourtec R2+/R4(www.vapourtec.co.uk)进行实验，该连续流动反应器由用于典型的MOF中等规模合成的两个PFA聚合物管状反应器组成。系统包括泵送和试剂选择模块(顶级)以及四通道空气循环加热反应器盘管(较低级)。在金属-有机框架的典型合成中，前体的单独的溶液通过HPLC泵303经由T型静态混合器304被引导至反应器中，以促进单独的试剂流的完全混合。然后，将合并的混合反应物引导至Vapourtec R4单元的加热反应器区中，Vapourtec R4单元包括由全氟烷氧基聚合物(PFA)管(1mm的内径，并且对于每个管状反应器305 10mL的体积)制造的盘管式管状反应器305。在需要的情况下，反应器体积可以通过串联地连接盘管式反应器管而容易地增加(对于单个Vapourtec R4单元多达四个盘管)。在离开反应器区时，流通过背压调节器307(Upchurch)(100psi)，以使流动流的压力保持恒定。然后将离开的产物流收集到容量瓶306(100mL)中，于是离开的产物流被冷却至室温。

每个反应器盘管305具有10mL的体积，并且反应器盘管305的温度在整个反应中被调节为是恒定且均匀的，消除了在间歇式反应器中经常观察到的可能的温度梯度。

如下文提到的，在80℃并且以2mL.min^-1、10mL.min^-1和20mL.min^-1的总流量以20mL的总体积进行HKUST-1的合成，这分别导致10分钟、5分钟和1分钟的停留时间。UiO-66使用相同的装备但在130℃以10分钟并且使用2mL.min^-1的流量也成功地合成，并且NOTT-400在85℃以15分钟以2mL.min^-1的流量使用30mL的总体积也成功地合成。

使用Vapourtec R4/R21反应器合成HKUST-1

在典型的反应中，将0.1M Cu(NO₃)₂·3H₂O和0.24M苯-1,3,5-三羧酸(BTC)两者在乙醇中的溶液泵送到流动反应器(PFA管，20mL)中。合成在80℃进行，使用2mL.min^-1、10mL.min^-1和20mL.min^-1的三种总流量，分别给出10分钟、5分钟和1分钟的停留时间，以及合成在140℃使用20mL.min^-1的流量进行。该材料用乙醇洗涤两次并在40℃在真空下干燥持续8小时。收率：在80℃对于2mL.min^-1，74％；在80℃对于10mL.min^-1，61％；在80℃对于20mL.min^-1，58％；在140℃对于20mL.min^-1，89％。

使用Vapourtec R4/R21反应器合成UiO-66

在典型的反应中，两种反应物是0.1M的ZrCl₄和0.1M的1,4-三羧酸(BDC)，两者均在二甲基甲酰胺(DMF)中制备。总体积是20mL。合成在130℃并且利用2mL.min^-1的合并流量进行，产生10分钟的停留时间。将材料用DMF洗涤一次并浸没在甲醇浴中持续2天。最终产物在40℃在真空下干燥持续8小时。产生的收率是67％。

使用Vapourtec R4/R21反应器合成NOTT-400

在典型的反应中，0.04M的Sc(SO₃CF₃)₃和0.08M联苯基-3,39,5,59-四甲酸(H4BPTC)在DMF、四氢呋喃(THF)和水的混合物中被制备，并且连续地泵送到流动反应器中。总反应器体积为30mL。合成在85℃并且以1mL.min^-1的单独流量进行，给出15分钟的停留时间。将材料用DMF洗涤一次并浸没在丙酮浴中持续1天。最终产物在40℃在真空下干燥持续8小时。产生的收率是61％。

表征

在Quanta 400FEG ESEM(FEI)上以0.2kV-30kV的加速电压收集扫描电子显微镜(SEM)图像。铜被用作支撑体。使用X'Pert Pro MPD衍射仪(Panalytical)在5°至45°的2θ范围内进行X射线粉末衍射(XRPD)测量。热重分析(TGA)在恒定的N₂流下以5℃/分钟的升温速率在Perkin-Elmer STA-600上进行。通过使用Micrometrics ASAP 2420仪器的体积方法来测量范围在0kPa-120kPa中的压力的气体吸附等温线。将所有样品转移到预干燥且称重的分析管，并且用Transcal塞子密封。将HKUST-1、UiO-66和NOTT-400抽空并且在1026托的动态真空下活化，活化分别在140℃持续8小时、120℃持续12小时和170℃持续12小时。超高纯度的N₂和H₂气体被用于实验。在77K进行N₂和H₂的吸附测量和解吸测量。使用Brunauer-Emmer-Teller(BET)模型在0.005至0.2的相对压力的吸附值增加范围下在77K对N₂等温线进行表面积测量。为了评估MOF的粒度，基于每种MOF的五个不同的SEM图像进行统计学研究。

结果

常规的批次合成需要24h用于生产HKUST-1和UiO-66以及72h用于生产NOTT-400。因此，使用连续流动反应器的反应时间对于间歇式合成结果是一种改进。通过反应器中的高的表面积与体积比使这些短的反应时间成为可能，该高的表面积与体积比远高于用于溶剂热合成的典型的底烧瓶的表面积与体积比。流动反应器(1mm ID)的尺寸确保优异的传热和传质，示出窄的停留时间分布和接近活塞流状的轮廓(near plug-flow like profile)。

计算合成的MOF生产的小时率(hourly rate)，以评估连续流动方法对较大规模生产的影响。表1中提供了结果，表1提供了本发明的与用于MOF的较大规模生产的其他候选物以及来源于所列出的文献来源的商业生产的HKUST-1相比的结果。

表1-通过对流批次和通过流动化学合成的MOF之间的反应时间的比较。BET表面积、使用流动化学每1小时产生的MOF的克数和时空收率(STY)。

MOF	反应时间	SA_BET(m²g^-1)	g.h^-1	STY(kg m^-3d^-1)^f
					HKUST-1^a	1分钟	1852	1.48	592
HKUST-1^b	5分钟	1673	2.04	n/a
					Basolite C300^b	150分钟	1820	n/a	225
UiO-66^a	10分钟	1186	1.68	672
					UiO-66^d	24h	1147	n/a	n/a
NOTT-400^a	15分钟	1078	2.78	741
					NOTT-400^e	72h	1350	n/a	n/a

a-Vapourtec流动化学反应器(中等规模).

b-来自参考文献的数据，Faustini,M.等人Microfluidic Approach towardContinuous and Ultra-Fast Synthesis of Metal-Organic Framework Crystals andHetero-Structures in Confined Microdroplets.J.Am.Chem.Soc.135,14619–14626(2013).

c-来自参考文献的数据，Mueller,U.等人Metal–organic frameworks—prospective industrial applications.J.Mater.Chem.16,626–636(2006).

d-来自参考文献的数据，Cavka,J.H.等人ANew Zirconium Inorganic BuildingBrick Forming Metal Organic Frameworks with ExceptionalStability.J.Am.Chem.Soc.130,13850–13851(2008).

e-来自参考文献的数据，Ibarra,I.A.等人Highly porous and robustscandium-based metal–organic frameworks for hydrogen storage.Chem.Commun.47,8304(2011).

f–基于8小时内反应混合物的体积在该表中给出的时空收率。

通过本发明的流动化学方法获得的反应速率值，比文献中报告的任何其它值高很多倍。此事实强调了用于MOF材料的工业生产的连续流动加工的巨大潜力，特别是考虑到该装备允许连续地生产材料持续延长的时间段，而没有反应器盘管或背压调节器的可观察到的阻塞。

使用X射线粉末衍射(XRPD)证实所生产的HKUST-1晶体、UiO-66晶体和NOTT-400晶体的总体品质。图3中所示的衍射图案证实，通过流动化学获得的晶体的纯度与通过常规溶剂热方法合成的晶体相同。热重分析(TGA)曲线示出在50℃至100℃的温度范围内由溶剂损失造成的连续重量损失，其中小的差异是由于纯化工艺中使用的溶剂的类型。如图3和图6中所示，通过扫描电子显微镜(SEM)确证了晶体的尺寸和形态。

使用不同的停留时间和温度获得典型的八面体HKUST-1晶体，其中较低的流速产生更理想的晶体形状(见图4)。对于UiO-66，获得100nm以下的小晶体，而对于NOTT-400获得10mm以下的矩形晶体。正如其它较快的合成方法如微波，这些晶体尺寸小于在标准溶剂热条件下获得的晶体。这种效应归因于由流动化学方法引起的快速结晶动力学。标准的N₂和H₂吸附测量证明了MOF的多孔特性并且产生了与通过常规方法获得的值相似的BET(Brunauer，Emmett和Teller)表面积，由于纳米尺寸的晶体之间的颗粒间堆积，在UiO-66中观察到一些介孔性。

在本发明案例中采用的连续流动化学装备易于精确控制反应参数。利用这一点，进行了对不同反应条件的详细研究，以阐明在产品品质损失之前可以在什么情况下采用易做到的且商业上有吸引力的条件(即低温、高浓度、短停留时间)，这在图4中被定义为收率乘以表面积的结果，其被标准化为0和1之间的值。对于特定应用的定制MOF生产，粒度的控制也是有吸引力的，而不需要定制设备。例如，在混合基质膜中使用需要纳米颗粒材料，而诸如气体储存的大批应用更适合于不是絮凝状的宏观尺度颗粒。

结果表明(图4、图5和图6)，反应温度是影响产品品质的关键因素，包括在这种情况下相关的收率和表面积两者。较高的铜浓度减少收率，但表面积基本上不受影响。令人鼓舞的是，减少停留时间看起来提高了表面积而不削减收率。在这种情况下，表面积的增加可以通过相应的粒度减小来解释(图4，顶部)。对从100nm至100μm的粒度分布的这种类型的控制对于许多应用例如吸附和催化是最重要的。

因此，本发明的连续反应设备导致三种单独的MOF即HKUST-1、UiO-66和NOTT-400的快速生产。这可以在不损失产品品质的情况下实现，其中工艺优化导致如通过时空收率测量的前所未有的生产效率以及在不损失表面积或收率的情况下控制粒度。

实施例4-MOF合成和兆声波分离

使用流动化学技术按照实施例1中概述的方法合成富马酸铝(Al-fum)和对苯二甲酸铝(MIL-53)。

示出在该实施例中使用的一般的流动反应器装备的示意图被示出并且在上文关于图2A被描述。在该装备中使用的反应器405在图2B中示出，并且已经在上文详细描述。

将溶液中的有机配体和金属离子与溶剂、优选地水和/或水和乙醇的混合物一起在T-混合器304中混合之后，然后在从约25℃至约130℃的温度(取决于MOF合成)引导至加热的管状流动反应器305(图2A)和反应器405(图2B)中。本申请中使用的特定的盘管流动反应器405(图2B)具有108mL的容量、6.0mm ID的不锈钢管和90mLmin^-1的总流量。从流动反应器405/流动反应器305获得MOF流，并且使用水浴热交换器将MOF流冷却至室温。

注意到，较高的配体浓度增加收率，然而也增加流动反应器405/流动反应器305中阻塞的风险。

获得MOF流并且使用水浴热交换器(未示出)将MOF流冷却至室温。如果需要，溶剂可以通过在第一分离阶段之后再循环而被再使用。这对于再循环通常是最昂贵的反应物的未反应配体或在使用昂贵或有毒性的溶剂时是特别有吸引力的。

洗涤阶段和分离阶段(再次未示出)优选地用水和/或用水和乙醇的混合物进行。洗涤介质的一部分可以再循环回到反应器305/反应器405，而剩余的液体被送到废物。取决于反应条件，再循环流和废物流由溶剂、未反应的配体和盐以及反应副产物组成。副产物浓度取决于再循环流量。注意到，高浓度可能对MOF的合成产生降低收率的不利影响，指示最大可行的再循环流量。

使用根据本发明的一个实施方案的兆声波设备和工艺从溶剂中分离实施例4中形成的MOF晶体。常规离心机被用作对照参考。

在图7中示出了兆声波分离器500。兆声波分离器500应用>400KHz的高频超声波以产生驻波，即在兆声波分离器500的分离室510内的最小压力(波节)和最大压力(波腹)的区域。

图7(a)示出了设置有高频系统的兆声波分离器500，该高频系统使用一个200kHz板式换能器505(最佳显示于图7(b)中)。兆声波分离器500基本上包括1.1L不锈钢容器。应当注意，最初使用图中示出的透明聚碳酸酯6升容器，以使分离工艺可视化。然而，正常的操作和实验在1.1升不锈钢容器(无照片)中进行。

示出的透明聚碳酸酯6升容器被分为两个区段，包含换能器板505的1.1L处理区段510和未加工区段512。处理区段510和未加工区段512被用于反射兆声波的金属(不锈钢)反射器板515隔开。

板式换能器505被用于在2MHz(305W)的频率进行声处理持续10分钟。

图7c示出了通过在处理区段510内叠置反射声波而形成的驻波图案的示意图。相邻波节或波腹之间的分隔距离为波长的一半。取决于颗粒的比密度和压缩率，对于亮黄色颗粒将收集在波节(顶部，黑色虚线平面)压力平面中，或对于较暗黄色颗粒将收集在波腹(底部，红色虚线平面)压力平面中。如先前提到的，基于颗粒的密度和压缩率，悬浮的颗粒或小滴由于声辐射力特定地朝向这两个区域中的一个迁移。通常，聚集的MOF比周围流体略致密，并且朝向压力节点迁移。如图8中所示，MOF材料的这种聚集增强了形成较大聚集体的趋势，然后沉降物以大大加速的速率沉降到分离室的底部，在那里沉降物能够被收集。

图8提供了在上文描述的兆声波分离工艺期间在特定时间(1分钟、4分钟和10分钟)在图8(a)中示出的兆声波处理设备500中处理的MOF溶液的三张照片。在左隔室或分离隔室510中，示出了Al-MOF的兆声波分离和纯化过程。右隔室512示出没有声处理的相同的MOF溶液。与右隔室512中示出的没有声处理的相同的MOF溶液的混浊相比，在4分钟和10分钟后，MOF的沉降在分离隔室510中是清楚可见的。

实施例5–MOF组成变化的研究

为了研究兆声波分离是否引起MOF组成的变化，在实施例5的每次洗涤步骤之后记录ζ-电位测量值，如表2所示。

表2.使用兆声波、使用水作为分散剂的在每次洗涤步骤之后的富马酸铝和MIL-53MOF材料的ζ-电位。

没有观察到表面电荷的显著变化，表明基于可逆聚集的分离。

为了确定晶体的品质，比较利用兆声波分离的和通过标准实验室规模离心机分离的MOF的XRPD测量和SEM测量。X射线粉末衍射(XRPD)证实我们的Al-fum和MIL-53的结晶度，示出与通过溶剂热方法合成的晶体的图案相同的图案。通过扫描电子显微镜观察到，高频处理也不影响MOF的尺寸和形状分布。

如图9中所示，对使用离心机和兆声波从MOF溶液的第一分离收集的上清液的反向散射和传输数据进行比较。如图9中所示，与常规离心机方法相比，用兆声波分离获得的可回收的MOF收率对于每个洗涤步骤少了3％。这种差异可以归因于以下事实：相比于在兆声波中通过重力沉降，离心机分离产生较高的G-力，这导致更有效地除去MOF材料。

BET表面积的测量结果揭示，利用兆声波分离和洗涤的MOF示出超过标准离心机洗涤的MOF的对于Al-Fum 21％的显著增加和对于MIL-5347％的显著增加，标准离心机洗涤的MOF具有与文献类似的BET值(见表3)。

表3：通过对流批次(使用水作为反应溶剂)合成的MOF和通过流动化学合成的MOF之间的反应时间的比较。BET表面积、使用流动化学和STY每1小时产生的MOF克数。全吸附等温线在补充信息中提供。

a)M.Gaab,N.Trukhan,S.Maurer,R.Gummaraju和U.Müller,MicroporousMesoporous Mater.,2012,157,131–136.

b)P.A.Bayliss,I.A.Ibarra,E.Pérez,S.Yang,C.C.Tang,M.Poliakoff和M.Green Chem.,2014,16,3796.

发明人将这种改进归因于在兆声波应用期间由声流引起的增强的传质，其促进孔内部过量的有机配体分子的除去。这是推进MOF的成本有效且绿色的生产的重要步骤，因为类似的表面积只有使用以大规模将是昂贵的实验室规模的方法获得，即通过使用超临界乙醇或多达330℃的煅烧。

前述实施例表明，本发明的设备、工艺和系统提供以下优点：

·反应时间：流动化学能够以显著减少的反应时间产生MOF，例如，HKUST-1以1分钟，这与使用传统的方法的24h截然相反；或NOTT-400以10分钟而不是72h；

·时空收率：通过本发明的工艺和设备获得的时空收率是商业使用的方法的10倍；以及

·绿色化学原理：本发明(反应器和兆声波分离)遵循绿色化学原理，导致改进的工作场所安全性和较低的环境影响。

本领域技术人员将理解，本文描述的发明易于变型和修改，除了特定描述的那些之外。应当理解，本发明包括落在本发明的精神和范围内的所有这些变型和修改。

在术语“包括(comprise)”、“包括(comprises)”、“包括(comprised)”或“包括(comprising)”被用于本说明书(包括权利要求书)的情况下，它们将被解释为指定所陈述的特征、整体、步骤或组成的存在，但不排除一个或更多个其他的特征、整体、步骤、组成或其组的存在。

Claims

1.一种用于生产金属有机框架的设备，包括：

管状流动反应器，所述管状流动反应器包括管状主体，在使用时，形成所述金属有机框架的前体化合物被进给并且流动到所述管状主体中，所述管状主体包括至少一个环形回路。

2.根据权利要求1所述的设备，其中每个环形回路的平均半径是在10mm和1000mm之间，优选地在20mm和500mm之间。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中每个环形回路围绕中心轴线径向地居中并且沿着中心轴线轴向地隔开。

4.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述环形回路包括盘管。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述环形回路形成大体上管状的盘管，所述大体上管状的盘管围绕所述中心轴线径向地居中。

6.根据权利要求4或5所述的设备，其中所述盘管的长度大于50mm，优选地大于100mm，更优选地在20mm和2000mm之间。

7.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述管状流动反应器包括毛细管管状流动反应器。

8.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述管状主体的内径是在0.5mm和50mm之间，优选地在1mm和15mm之间。

9.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述管状主体包括单个长度的盘管。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中所述管状主体包括至少两个流体地连接的盘管。

11.根据任一前述权利要求所述的设备，还包括在所述管状反应器下游的限流装置，所述限流装置用于控制所述管状反应器内的压力。

12.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述管状主体被定位于加热壳体内部。

13.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述管状主体将所述前体化合物加热至在20℃和200℃之间、优选地在25℃和150℃之间、更优选地在25℃和130℃之间的温度。

14.根据任一前述权利要求所述的设备，还包括用于从溶液中分离金属有机框架(MOF)的设备，所述用于从溶液中分离金属有机框架(MOF)的设备包括：

壳体，所述壳体具有能够接纳含MOF的溶液的储器；以及

高频超声波换能器，所述高频超声波换能器可操作地连接到所述储器，并且能够将至少400kHz的兆声波频率应用到所述含MOF的溶液。

15.根据权利要求14所述的设备，其中所述壳体包括容器，所述容器包括定位成接触所述含MOF的至少一个壁，并且所述换能器是高频超声波换能器，所述高频超声波换能器定位在所述储器内或与所述至少一个壁接合。

16.根据权利要求14或15所述的设备，其中所述高频超声波换能器包括板式换能器。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的设备，其中所述壳体包括至少一个反射器表面，所述反射器表面被设计成反射所述储器内所应用的兆声波频率。

18.根据权利要求14至17中任一项所述的设备，其中所应用的高频超声波是在400kHz至4MHz之间，优选地在600kHz和2MHz之间，更优选地在600kHz和1MHz之间。

19.根据权利要求14至17中任一项所述的设备，其中所应用的高频超声波大于1MHz，优选地在1MHz和4MHz之间，并且更优选地在1MHz和2MHz之间。

20.根据权利要求14至19中任一项所述的设备，其中至少一种污染物包括在所述MOF的孔内包藏的未反应的配体。

21.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述MOF包括多个金属簇，每个金属簇包括一种或更多种金属离子；以及连接相邻金属簇的多个带电多齿连接配体，并且其中所述前体化合物包括以下中的至少一种：所述多齿连接配体；或所述金属簇或其金属盐。

22.根据权利要求21所述的设备，其中每个金属簇包括两种或更多种金属离子，并且所述多个多齿配体中的每个配体包括两种或更多种羧酸盐。

23.根据权利要求21所述的设备，其中所述多个多齿配体中的至少一个配体包括有机配体，所述有机配体是至少二齿的并且选自由以下组成的组：甲酸、乙酸、草酸、丙酸、丁二酸、(E)-丁烯二酸、苯-1,4-二羧酸、苯-1,3-二羧酸、苯-1,3,5-三羧酸、2-氨基-1,4-苯二羧酸、2-溴-1,4-苯二羧酸、联苯基-4,4'-二羧酸、联苯基-3,3',5,5'-四羧酸、联苯基-3,4',5-三羧酸、2,5-二羟基-1,4-苯二羧酸、1,3,5-三(4-羧基苯基)苯、(2E,4E)-己-2,4-二烯二酸、1,4-萘二羧酸、芘-2,7-二羧酸、4,5,9,10-四氢芘-2,7-二羧酸、天冬氨酸、谷氨酸、腺嘌呤、4,4'-联吡啶、嘧啶、吡嗪、吡啶-4-羧酸、吡啶-3-羧酸、咪唑、1H-苯并咪唑、2-甲基-1H-咪唑及其混合物。

24.根据权利要求21、22或23所述的设备，其中所述金属离子选自由IUPAC元素周期表的第1族至第16族的金属组成的组，包括锕系元素和镧系元素及其组合。

25.根据权利要求21至24中任一项所述的设备，其中所述多齿连接配体具有6个或更多个被结合到芳香族环或非芳香族环的原子，优选地12个或更多个被结合到芳香族环或非芳香族环的原子。

26.一种用于生产金属有机框架(MOF)的系统，包括：

根据权利要求1至25中任一项所述的设备，所述设备用于从前体材料形成金属有机框架；以及

用于洗涤和/或纯化所述金属有机框架的设备，包括：壳体，所述壳体具有能够接纳来自所述反应器的含MOF的溶液的储器；以及高频超声波换能器，所述高频超声波换能器可操作地连接到所述储器，并且能够将至少20kHz的兆声波频率应用到所述含MOF的溶液。

27.一种用于生产金属有机框架的工艺，所述工艺包括：

将根据权利要求1至25中任一项所述的设备引入包含前体化合物的溶液中，以用于在溶剂中形成所述金属有机框架；以及

促进所述管状流动反应器内的反应，以形成所述金属有机框架。

28.根据权利要求27所述的工艺，其中所述前体化合物被提供在包含不同前体化合物的至少两种不同的前体溶液中，所述前体溶液在引入所述管状主体中之前被混合。

29.根据权利要求28所述的工艺，其中所述前体溶液在引入所述管状主体中之前在混合容器内被混合。

30.根据权利要求27所述的工艺，其中所述前体溶液通过在线混合在进给导管中被混合，所述进给导管流体地连接到所述管状主体的入口。

31.根据权利要求30所述的工艺，其中所述在线混合包括在两种或更多种前体溶液的进给流之间的混合接头、优选地T-连接部、Y-连接部或交叉连接部。

32.根据权利要求27所述的工艺，其中所述前体化合物被提供在包含不同前体化合物的至少两种不同的前体溶液中，所述前体溶液在引入所述管状主体中之后被混合。

33.根据权利要求27至32中任一项所述的工艺，还包括以下步骤：

将至少20kHz的高频超声波应用到源自所述管状流动反应器的含MOF的溶液，从而使所述MOF材料作为从所述含MOF的溶液中沉降出的聚集沉降物与溶液大体上分离。

34.根据权利要求27所述的工艺，其中来自所述设备的MOF的收率优选地大于60％，更优选地大于80％。

35.管状流动反应器用于生产金属有机框架的用途，其中所述管状流动反应器包括管状主体，所述管状主体包括至少一个环形回路，并且在使用时，用于形成所述金属有机框架的前体化合物被进给并且流动通过所述管状主体。