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碳分子篩

時間:2018/10/17 12:16:15  字體:

碳分子篩

碳分子篩是20世紀七十年代發展起來的一種新型吸附劑,是一種優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、氮氣成本低等優點。因此,它是目前工程界首選的變壓吸附(簡稱P.S.A)空分富氮吸附劑,這種氮氣在化學工業、石油天然氣工業、電子工業、食品工業、煤炭工業、醫藥工業、電纜行業、金屬熱處理、運輸及儲存等方面廣泛應用。

碳分子篩的主要成分為元素碳,外觀為黑色柱狀固體。因含有大量直徑為4埃的微孔,該微孔對氧分子的瞬間親和力較強,可用來分離空氣中的氧氣和氮氣,工業上利用變壓吸附裝置(PSA)制取氮氣。鑫陶碳分子篩制氮量大、氮氣回收率高,使用壽命長,適用于各種型號的變壓吸附制氮機,是變壓吸附制氮機的首選產品。

碳分子篩空分制氮已廣泛地應用于石油化工、金屬熱處理、電子制造、食品保鮮等行業。

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。[1]

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,第一步先經加工后粉化,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,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孔的大小,使之滿足要求。

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