碳分子篩是20世紀(jì)七十年代發(fā)展起來的一種新型吸附劑，是一種優(yōu)良的非極性碳素材料，制氮碳分子篩(Carbon Molecular Sieves，CMS)用于分離空氣富集氮氣，采用常溫低壓制氮工藝，比傳統(tǒng)的深冷高壓制氮工藝具有投資費用少，產(chǎn)氮速度快、氮氣成本低等優(yōu)點。因此，它是工程界的變壓吸附(簡稱P.S.A)空分富氮吸附劑，這種氮氣在化學(xué)工業(yè)、石油天然氣工業(yè)、電子工業(yè)、食品工業(yè)、煤炭工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、電纜行業(yè)、金屬熱處理、運輸及儲存等方面廣泛應(yīng)用。

碳分子篩是利用篩分的特性來達(dá)到分離氧氣、氮氣的目的。在分子篩吸附雜質(zhì)氣體時，大孔和中孔只起到通道的作用，將被吸附的分子運送到微孔和亞微孔中，微孔和亞微孔才是真正起吸附作用的容積。如前圖所示，碳分子篩內(nèi)部包含有大量的微孔，這些微孔允許動力學(xué)尺寸小的分子快速擴散到孔內(nèi)，同時限制大直徑分子的進(jìn)入。由于不同尺寸的氣體分子相對擴散速率存在差異，氣體混合物的組分可以被有效的分離。因此，在制造碳分子篩時，根據(jù)分子尺寸的大小，碳分子篩內(nèi)部微孔分布應(yīng)在0.28～0.38nm。在該微孔尺寸范圍內(nèi)，氧氣可以快速通過微孔孔口擴散到孔內(nèi)，而氮氣卻很難通過微孔孔口，從而達(dá)到氧、氮分離。微孔孔徑大小是碳分子篩分離氧、氮的基礎(chǔ)，如果孔徑過大，氧氣、氮氣分子篩都很容易進(jìn)入微孔中，也起不到分離的作用；而孔徑過小，氧氣、氮氣都不能進(jìn)入微孔中，也起不到分離的作用。

國產(chǎn)分子篩由于受條件限制，對孔徑大小控制的不是很好。市面上銷售的碳分子篩微孔孔徑分布在0.3～1nm，只有巖谷分子篩做到了0.28～0.36nm。碳分子篩的原料為椰子殼、煤炭、樹脂等，步先經(jīng)加工后粉化，然后與基料揉合，基料主要是增加強度，防止破碎粉化的材料；第二步是活化造孔，在600～1000℃溫度下通入活化劑，常用的活化劑有水蒸氣、二氧化碳、氧氣以及它們的混合氣。它們與較為活潑的無定型碳原子進(jìn)行熱化學(xué)反應(yīng)，以擴大比表面積逐步形成孔洞活化造孔時間從10～60min不等；第三步為孔結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)，利用化學(xué)物質(zhì)的蒸氣：如苯在碳分子篩微孔壁進(jìn)行沉積來調(diào)節(jié)孔的大小，使之滿足要求。

未來幾年，碳分子篩產(chǎn)品將向高指標(biāo)、高強度、高堆密度方向發(fā)展，低指標(biāo)低檔次的產(chǎn)品將會被淘汰，空分設(shè)備將趨向小型化，對分子篩行業(yè)提出了更高的要求，因此如抓住當(dāng)前的良好時機，擴大生產(chǎn)，逐步改變國際國內(nèi)對于中國產(chǎn)碳分子篩低質(zhì)的認(rèn)識，迅速搶占國內(nèi)國際市場，將有可能在兩到三年內(nèi)成為行業(yè)排頭兵。


2012年，主要采用中低檔碳分子篩，年總需求量在6000噸以上，隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，工業(yè)尤其是化工業(yè)規(guī)模不斷擴大，對碳分子篩的需求水平會逐年增長，尤其是近幾年，國家對煤礦、油田、油輪的安全高度重視，強制油田、油輪配備制氮機，電子工業(yè)和材料工業(yè)的需求，進(jìn)一步擴大了國內(nèi)碳分子篩的需求量。據(jù)調(diào)查，自2000年以來，年平均增長率都在80%以上，前景十分廣闊。

該產(chǎn)品屬于碳素吸附劑，是由碳組成的多孔物質(zhì)，孔結(jié)構(gòu)模型為無序堆積碳素結(jié)構(gòu)。碳分子篩是非計量化合物，其重要性質(zhì)是基于它的微孔結(jié)構(gòu)。它分離空氣的能力，取決于空氣中各種氣體在碳分子篩微孔中的不同擴散速度，或不同的吸附力，或兩種效應(yīng)同時起作用。在平衡條件下，碳分子篩對氧和氮的吸附量相當(dāng)接近，但氧分子通過碳分子篩微孔系統(tǒng)的狹窄空隙的擴散速度要比氮分子快得多，碳分子篩空分制氮就是基于這一性能，在遠(yuǎn)未達(dá)到平衡條件的時間之前，通過PSA工藝流程使氮氣從空氣中分離出來。