碳分子筛是一种新型的非极性吸附剂。
分子筛的空气分离能力，取决于空气中各类气体在碳分子筛微孔内的扩散速度、吸附力，或两者共同作用。碳分子筛变压吸附（PSA）空分制氮技术，便是基于这一性能实现的。 碳分子筛用于制氮时，氮气浓度与产气量可根据用户需求进行调节。在产气时间与操作压力确定的前提下，若降低产气量，氮气浓度会随之升高；反之，氮气浓度则会下降。用户可根据实际需求进行调整。
碳分子筛在PSA制氮机中的影响
碳分子筛变压吸附（PSA）制氮机的制氮过程，依靠范德华力实现氧、氮分离。因此，分子筛的比表面积越大、孔径分布越均匀、微孔或亚微孔数量越多，其吸附能力就越强；此外，若能将孔径尽可能缩小，范德华力场会产生叠加效应，对低浓度物质的分离效果也会更优。 碳分子筛属于非定量化合物，其关键性能由自身的微孔结构决定。它的空气分离能力，取决于空气中各类气体在碳分子筛微孔内的扩散速度差异、吸附力差异，或两种差异共同作用的结果。在平衡状态下，碳分子筛对氧气和氮气的吸附容量较为接近，但氧气分子通过碳分子筛微孔体系狭窄缝隙的扩散速率，远快于氮气分子。碳分子筛空分制氮技术正是基于这一性能，在达到平衡状态之前，通过变压吸附（PSA）工艺将氮气从空气中分离出来。
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。
3A、4A、5A 分子筛的区别
3A、4A和 5A分子筛之间的区别主要是由于用途不同，如体积密度和抗压强度不同。很多不了解的人会认为，这些不同分子筛之间的区别在于直径。事实上，这是错误的。让我们来比较一下这三种分子筛的异同。 3A 分子筛 体积密度为 680Kg/m³，抗压强度（N）≧80/P。主要用于石油裂解气、烯烃、练气田、油田设备的干燥，以及化工、医药、空心酒等工业干燥。 4A 分子筛 体积密度为 680Kg/m³，抗压强度（N）≧80/P。主要用于天然气及各种化工气体和液体、制冷剂、药品、电子材料和异常物质的干燥。 5A 分子筛 体积密度为 680Kg/m³，抗压强度（N）≧80/P。主要用于天然气干燥、脱硫、脱二氧化碳、氮氢分离、制氧、制氮、制氢、石油脱蜡等。 分子筛有 3A/4A/5A/10X/13X 等型号，每种型号的直径有 0.4-0.8mm、1-2mm、1.6-2.5mm、2-4mm、3-5mm 和 4-6mm。
分子筛材料介绍
日前，在建龙微纳第七届分子筛技术与应用高峰论坛上，中国城市燃气协会、国内知名燃气设备企业负责人等 200 余位嘉宾齐聚，共同探讨分子筛在能源、化工、环保领域的应用。 分子筛吸附剂通过物理吸附的方式，对空气中的二氧化碳、氮气等组分进行筛选，从而实现净化目标气体的目的。由于分子筛具有吸附容量大、选择性强、耐高温等优势，已在石油化工、煤化工、空气分离净化、环境治理等多个领域得到广泛应用。 目前，可行的碳中和技术主要有四大路径，分别是能源转型、碳捕集利用、低碳生活以及植物碳汇。北京科技大学气体分离工程研究所所长、中国城市燃气协会团体标准委员会主任刘应书在论坛上介绍，上述技术路径中均能看到分子筛的应用身影： 在碳捕集利用方面，利用分子筛吸附剂与催化剂对二氧化碳进行收集和储存，进而实现工业碳减排与资源化利用； 在植被改造方面，借助沸石保水剂与修复剂为土壤固水保湿、改良修复，从而实现沙漠固水造林、盐碱地治理等目标。 数据显示，全国钢铁厂每年用于制氧的分子筛需求量达 13 万吨。此外，在制氢领域，分子筛不仅可用于各类工业含氢尾气中氢气的回收提纯，还能助力减少尾气直接排放或燃烧所造成的环境污染。 除上述领域外，分子筛在核能利用中也发挥着重要作用。中国生态环境部核与辐射安全中心主任刘志辉表示，作为无机离子交换剂，分子筛具有耐辐射性强、机械稳定性、热稳定性及电离稳定性优异等特点。在日本福岛核电站核事故的放射性废水处理中，就曾应用到分子筛，并取得了良好效果。 据预测，随着新兴经济体油气工业的持续发展，2020 年至 2025 年全球分子筛市场的年复合增长率将达 5.65%，到 2025 年市场规模将达到 43.9 亿美元。在这一细分赛道上，目前已涌现出一批具备相当实力的上市公司。
便携式制氮机的特点
1.深冷制氮 原理是通过低温手段将空气全部转化为液态，随后在加热过程中，利用气体中不同组分沸点的差异实现分离（例如，氮气沸点约为 - 195.8℃，氧气沸点约为 - 183℃，加热时氮气会先汽化分离）。其特点为： 规模相对较大，适合大规模工业用氮场景； 氮气纯度相对较高，可满足高纯度（如 99.999% 以上）用氮需求； 占地面积大，需配套建设低温相关设备与厂房； 启动时间长，从设备启动到稳定产氮通常需要数小时甚至更久。 2.常温制氮 原理是在常温条件下，利用吸附剂（如分子筛，常见为碳分子筛或沸石分子筛）的选择性吸附特性，分离空气中的氧气与氮气（吸附剂优先吸附氧气，未被吸附的氮气则作为产品输出）。其特点为： 需在一定压力条件下运行（通常通过空压机提供所需压力）； 占地面积小，设备集成度高，可灵活布置； 启动速度快，一般开机后数十分钟内即可稳定产氮； 规模相对较小，更适用于中小用氮量场景； 氮气纯度相对较低，常规纯度多在 95%-99.99% 之间（特殊工艺可提升纯度，但成本会相应增加）。