碳分子篩是20世紀七十年代發(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用。

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PSA制氮用碳分子篩
PSA制氮用碳分子篩
二十世紀五十年代，伴隨著工業(yè)革命的大潮，碳材料的應用越來越廣泛，其中活性碳的應用領域PSA制氮用碳分子篩
擴展快，從初的過濾雜質逐漸發(fā)展到分離不同組份。與此同時，隨著技術的進步，人類對物質的加工能力也越來越強，在這種情況下，碳分子篩應運而生。

碳分子篩是利用篩分的特性來達到分離氧氣、氮氣的目的。在分子篩吸附雜質氣體時，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，碳分子篩內部包含有大量的微孔，這些微孔允許動力學尺寸小的分子快速擴散到孔內，同時限制大直徑分子的進入。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，碳分子篩內部微孔分布應在0.28～0.38nm。在該微孔尺寸范圍內，氧氣可以快速通過微孔孔口擴散到孔內，而氮氣卻很難通過微孔孔口，從而達到氧、氮分離。微孔孔徑大小是碳分子篩分離氧、氮的基礎，如果孔徑過大，氧氣、氮氣分子篩都很容易進入微孔中，也起不到分離的作用；而孔徑過小，氧氣、氮氣都不能進入微孔中，也起不到分離的作用。

國產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行熱化學反應，以擴大比表面積逐步形成孔洞活化造孔時間從10～60min不等；第三步為孔結構調節(jié)，利用化學物質的蒸氣：如苯在碳分子篩微孔壁進行沉積來調節(jié)孔的大小，使之滿足要求。

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

我國碳分子篩的研發(fā)是在上個世紀八十年代開始的，比美國晚大約二十年。當時國際市場有供應的主要是德國BF和日本武田產的碳分子篩，價格約在20萬元/噸，但其產氮量為100NM3/h.t左右，到九十年代升級為產氮量185NM3/h.t。當時國產碳分子篩（長興中泰的前身長興化工廠產）的產氮量只有140NM3/h.t，指標雖然落后有近30%的差距，但也改寫了中國只能依賴進口碳分子篩的歷史，實現(xiàn)了從無到有的一次飛躍！又由于國產碳分子篩的價格低廉，從而迫使進口碳分子篩的價格有了大幅度的下降，為國家節(jié)約了外匯的同時也推動了國內PSA制氮裝置的蓬勃發(fā)展。