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碳分子筛是20世纪七十年代发展起来的一种新型吸附剂,是一种优良的非极性碳素材料,制氮碳分子筛(Carbon Molecular Sieves,CMS)用于分离空气富集氮气,采用常温低压制氮工艺,比传统的深冷高压制氮工艺具有投资费用少,产氮速度快、氮气成本低等优点。因此,它是工程界的变压吸附(简称P.S.A)空分富氮吸附剂,这种氮气在化学工业、石油天然气工业、电子工业、食品工业、煤炭工业、医药工业、电缆行业、金属热处理、运输及储存等方面广泛应用。
碳分子筛可以通过各种方法回收。,可以将碳分子筛加热到高温,以除去可能附着在表面上的任何污染物。第二,可以用水或合适的溶剂洗涤碳分子筛,以除去可能已经附着的任何杂质。后,碳分子筛可以通过使蒸汽或调节的气体混合物通过该材料而再生。这将使材料恢复到其原始形式,并允许其重复使用。
碳分子筛是利用筛分的特性来达到分离氧气、氮气的目的。在分子筛吸附杂质气体时,大孔和中孔只起到通道的作用,将被吸附的分子运送到微孔和亚微孔中,微孔和亚微孔才是真正起吸附作用的容积。如前图所示,碳分子筛内部包含有大量的微孔,这些微孔允许动力学尺寸小的分子快速扩散到孔内,同时限制大直径分子的进入。由于不同尺寸的气体分子相对扩散速率存在差异,气体混合物的组分可以被有效的分离。因此,在制造碳分子筛时,根据分子尺寸的大小,碳分子筛内部微孔分布应在0.28~0.38nm。在该微孔尺寸范围内,氧气可以快速通过微孔孔口扩散到孔内,而氮气却很难通过微孔孔口,从而达到氧、氮分离。微孔孔径大小是碳分子筛分离氧、氮的基础,如果孔径过大,氧气、氮气分子筛都很容易进入微孔中,也起不到分离的作用;而孔径过小,氧气、氮气都不能进入微孔中,也起不到分离的作用。
国产分子筛由于受条件限制,对孔径大小控制的不是很好。市面上销售的碳分子筛微孔孔径分布在0.3~1nm,只有岩谷分子筛做到了0.28~0.36nm。碳分子筛的原料为椰子壳、煤炭、树脂等,步先经加工后粉化,然后与基料揉合,基料主要是增加强度,防止破碎粉化的材料;第二步是活化造孔,在600~1000℃温度下通入活化剂,常用的活化剂有水蒸气、二氧化碳、氧气以及它们的混合气。它们与较为活泼的无定型碳原子进行热化学反应,以扩大比表面积逐步形成孔洞活化造孔时间从10~60min不等;第三步为孔结构调节,利用化学物质的蒸气:如苯在碳分子筛微孔壁进行沉积来调节孔的大小,使之满足要求。
长期以来,碳分子筛成为日本和德国垄断的产品,2000年以前国内80%的份额被其占有,国际市场上更是如此。碳分子筛技术通过长兴化工厂引进国内,国内碳分子筛厂家主要分布在长兴、山东、宣城、等地。国产分子筛逐步抢占了大部分市场份额,但要想在这个行业做大做强,自主创新,提高产品性能指标,打破技术贸易壁垒。
未来几年,碳分子筛产品将向高指标、高强度、高堆密度方向发展,低指标低档次的产品将会被淘汰,空分设备将趋向小型化,对分子筛行业提出了更高的要求,因此如抓住当前的良好时机,扩大生产,逐步改变国际国内对于中国产碳分子筛低质的认识,迅速抢占国内国际市场,将有可能在两到三年内成为行业排头兵。
2012年,主要采用中低档碳分子筛,年总需求量在6000吨以上,随着我国经济的不断发展,工业尤其是化工业规模不断扩大,对碳分子筛的需求水平会逐年增长,尤其是近几年,国家对煤矿、油田、油轮的安全高度重视,强制油田、油轮配备制氮机,电子工业和材料工业的需求,进一步扩大了国内碳分子筛的需求量。据调查,自2000年以来,年平均增长率都在80%以上,前景十分广阔。
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