什么是碳分子筛

碳分子筛是 20 世纪 70 年代研发的新型吸附剂，属于性能优异的非极性碳基多孔材料（注：原文 “cellulose material” 应为 “porous material” 笔误，结合碳分子筛结构特性修正为 “多孔材料”）。碳分子筛（CMS）用于空气分离与氮气富集，采用常温低压制氮工艺，相较于传统深冷高压制氮工艺，具有投资成本更低、制氮速度更快、氮气成本更低的优势。因此，它目前是工程领域空气分离用变压吸附（PSA）富氮吸附剂的首选。这类氮气广泛应用于化工行业、油气行业、电子行业、食品行业、煤炭行业、制药行业、电缆行业、金属热处理以及交通运输与仓储领域。

研发背景
20 世纪 50 年代，伴随工业革命浪潮，碳材料的应用日益广泛。其中，活性炭的应用领域拓展速度最快，从最初的杂质过滤，逐步延伸至不同组分的分离。与此同时，随着技术的进步，人类对材料的加工能力不断增强，在这一背景下，碳分子筛应运而生。

碳分子筛的主要成分
碳分子筛的主要成分为元素碳，外观呈黑色柱状固体。因其内部含有大量直径为 4 埃（Å）的微孔（1 埃 = 0.1 纳米），这些微孔对氧分子具有强烈的瞬时吸附亲和力，可用于分离空气中的氧气与氮气。工业上利用变压吸附装置（PSA）实现制氮，碳分子筛具有制氮量大、氮气回收率高、使用寿命长的特点，适用于各类 PSA 制氮机，是 PSA 制氮机的首选吸附材料。
目前，碳分子筛空分制氮技术已广泛应用于石油化工、金属热处理、电子制造、食品保鲜等行业。

工作原理
碳分子筛利用 “筛分效应” 实现氧、氮分离。当分子筛吸附杂质气体时，其内部的大孔与中孔仅起到 “通道” 作用，将被吸附分子输送至微孔与亚微孔中，而微孔与亚微孔才是真正的吸附空间。
如前文图示所示，碳分子筛内部含有大量微孔，这些微孔允许动力学尺寸较小的分子快速扩散进入孔内，同时阻止大直径分子进入。由于不同尺寸的气体分子在微孔中的相对扩散速率存在差异，混合气体的各组分得以有效分离。
因此，在制备碳分子筛时，需根据目标分离分子（氧分子直径约 0.346 纳米，氮分子直径约 0.364 纳米）的尺寸，将其内部微孔分布控制在0.28-0.38 纳米的范围内。在此微孔尺寸区间内，氧气能通过微孔通道快速扩散进入孔内，而氮气难以通过微孔通道，从而实现氧、氮分离。
碳分子筛的孔径是氧、氮分离的核心基础：

• 若孔径过大，氧气分子与氮气分子均可轻松进入孔内，无法实现分离；
• 若孔径过小，氧气分子与氮气分子均无法进入孔内，同样不具备分离效果。