碳分子篩是20世紀(jì)七十年代發(fā)展起來(lái)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?dú)猓捎贸氐蛪褐频に?，比傳統(tǒng)的深冷高壓制氮工藝具有投資費(fèi)用少，產(chǎn)氮速度快、氮?dú)獬杀镜偷葍?yōu)點(diǎn)。因此，它是工程界的變壓吸附(簡(jiǎn)稱P.S.A)空分富氮吸附劑，這種氮?dú)庠诨瘜W(xué)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(yùn)輸及儲(chǔ)存等方面廣泛應(yīng)用。

碳分子篩是利用篩分的特性來(lái)達(dá)到分離氧氣、氮?dú)獾哪康?。在分子篩吸附雜質(zhì)氣體時(shí)，大孔和中孔只起到通道的作用，將被吸附的分子運(yùn)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(nèi)部包含有大量的微孔，這些微孔允許動(dòng)力學(xué)尺寸小的分子快速擴(kuò)散到孔內(nèi)，同時(shí)限制大直徑分子的進(jìn)入。由于不同尺寸的氣體分子相對(duì)擴(kuò)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(shí)，根據(jù)分子尺寸的大小，碳分子篩內(nèi)部微孔分布應(yīng)在0.28～0.38nm。在該微孔尺寸范圍內(nèi)，氧氣可以快速通過(guò)微孔孔口擴(kuò)散到孔內(nèi)，而氮?dú)鈪s很難通過(guò)微孔孔口，從而達(dá)到氧、氮分離。微孔孔徑大小是碳分子篩分離氧、氮的基礎(chǔ)，如果孔徑過(guò)大，氧氣、氮?dú)夥肿雍Y都很容易進(jìn)入微孔中，也起不到分離的作用；而孔徑過(guò)小，氧氣、氮?dú)舛疾荒苓M(jìn)入微孔中，也起不到分離的作用。

國(guó)產(chǎn)分子篩由于受條件限制，對(duì)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(shù)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(qiáng)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(wú)定型碳原子進(jìn)行熱化學(xué)反應(yīng)，以擴(kuò)大比表面積逐步形成孔洞活化造孔時(shí)間從10～60min不等；第三步為孔結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)，利用化學(xué)物質(zhì)的蒸氣：如苯在碳分子篩微孔壁進(jìn)行沉積來(lái)調(diào)節(jié)孔的大小，使之滿足要求。

國(guó)際市場(chǎng)
隨著變壓吸附技術(shù)的不斷成熟，制氮機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越寬闊，國(guó)際上對(duì)碳分子篩的需求也越來(lái)越大，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的需求量每年都穩(wěn)步增長(zhǎng)，近幾年發(fā)展中國(guó)家的需求量更是突飛猛進(jìn)，每年以成倍的速度增長(zhǎng)，保守估計(jì)，2013年國(guó)際上碳分子篩總需求量在數(shù)十萬(wàn)噸以上。

行業(yè)發(fā)展
根據(jù)國(guó)際國(guó)內(nèi)的分析，碳分子篩行業(yè)呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)：，隨著變壓吸附制氮機(jī)的使用范圍不斷擴(kuò)大，對(duì)碳分子篩的需求不斷增加，這將進(jìn)一步促進(jìn)行業(yè)發(fā)展，未來(lái)幾年，這一行業(yè)將從一個(gè)生僻的行業(yè)變得眾所周知。其次，隨著應(yīng)用深度的提高，對(duì)碳分子篩的產(chǎn)氮量、氮回收率、堆密度、抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)的要求越來(lái)越高，進(jìn)一步提高產(chǎn)品性能指標(biāo)將是這一行業(yè)今后發(fā)展的大趨勢(shì)。第三，由于碳分子篩是變壓吸附制氮機(jī)的主要構(gòu)成要素，成本占整個(gè)設(shè)備的70%以上，因此，降低成本將是促進(jìn)本行業(yè)發(fā)展的重要條件。今后一個(gè)時(shí)期，各企業(yè)將會(huì)在采用新材料新工藝方面不斷探索，爭(zhēng)取用低成本達(dá)到高水平。

該產(chǎn)品屬于碳素吸附劑，是由碳組成的多孔物質(zhì)，孔結(jié)構(gòu)模型為無(wú)序堆積碳素結(jié)構(gòu)。碳分子篩是非計(jì)量化合物，其重要性質(zhì)是基于它的微孔結(jié)構(gòu)。它分離空氣的能力，取決于空氣中各種氣體在碳分子篩微孔中的不同擴(kuò)散速度，或不同的吸附力，或兩種效應(yīng)同時(shí)起作用。在平衡條件下，碳分子篩對(duì)氧和氮的吸附量相當(dāng)接近，但氧分子通過(guò)碳分子篩微孔系統(tǒng)的狹窄空隙的擴(kuò)散速度要比氮分子快得多，碳分子篩空分制氮就是基于這一性能，在遠(yuǎn)未達(dá)到平衡條件的時(shí)間之前，通過(guò)PSA工藝流程使氮?dú)鈴目諝庵蟹蛛x出來(lái)。