二十世紀(jì)五十年代，伴隨著工業(yè)革命的大潮，碳材料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其中活性碳的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展最快，從最初的過(guò)濾雜質(zhì)逐漸發(fā)展到分離不同組份。與此同時(shí)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，人類對(duì)物質(zhì)的加工能力也越來(lái)越強(qiáng)，在這種情況下，碳分子篩應(yīng)運(yùn)而生。六十年代，碳分子篩在美國(guó)最先制造成功并很快推廣應(yīng)用，最初，碳分子篩是被用作從空氣中分離氧氣的吸附劑，后來(lái)逐漸應(yīng)用在制取氮?dú)獾难b置上。到了七十年代未、八十年代初，世界各國(guó)對(duì)氮?dú)獾男枨罅坎粩嘣黾?，而變壓吸附制氮技術(shù)也逐漸成熟起來(lái)，進(jìn)一步推動(dòng)了碳分子篩制造技術(shù)的發(fā)展。 
　　到了一九八二年，美國(guó)和日本的氮?dú)猱a(chǎn)量相繼超過(guò)了氧氣，此時(shí)，變壓吸附制取的氮?dú)庖呀?jīng)占氮?dú)饪偖a(chǎn)量的18%左右，由于變壓吸附制氮所占的市場(chǎng)份額越來(lái)越大，世界各主要工業(yè)國(guó)家都投入了資金研發(fā)變壓吸附用碳分子篩，其中，美國(guó)、日本、德國(guó)在技術(shù)上處于領(lǐng)先地位。一直到今天，世界上主要的碳分子篩生產(chǎn)廠家也還是分布在這些國(guó)家。比較著名的有美國(guó)的Calgon公司、普萊克斯公司；日本的巖谷公司、武田公司；德國(guó)的BF公司等。其中，美系分子篩在國(guó)內(nèi)所占市場(chǎng)份額很小，德系和日系分子篩廠家在國(guó)內(nèi)都有代理公司，因而所占市場(chǎng)份額也是******的。
　　碳分子篩的原料為椰子殼、煤炭、樹(shù)脂等，第一步先經(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。 
　　下面以一粒分子篩為例，簡(jiǎn)單了解一下它的內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)：
如圖中所示，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。 
　　我們知道，利用碳分子篩變壓吸附制氮是靠范德華力來(lái)分離氧氣和氮?dú)獾?，因此，分子篩的比表面積越大，孔徑分布越均勻，并且微孔或亞微孔數(shù)量越多，吸附量就越大；同時(shí)，如果孔徑能盡量小，范德華力場(chǎng)重疊，對(duì)低濃度物質(zhì)也有更好的分離作用。因此，在PSA制氮設(shè)備中，分子篩的性能直接關(guān)系到整套設(shè)備的產(chǎn)氣量及能耗，所以，選擇合適的吸附劑是重中之重。 
　　瑞安鋒華空分從一九七九年研制PSA制氮設(shè)備開(kāi)始，從來(lái)就沒(méi)有停止過(guò)選擇性能優(yōu)異的分子篩的腳步，每當(dāng)廠家有新的分子篩品種研制成功，瑞氣總是第一個(gè)拿到樣品并進(jìn)行測(cè)試。總的說(shuō)來(lái)，分子篩按照性能差異，大至分四個(gè)階段：
　　第一階段的碳分子篩由于制造工藝的限制，孔徑分布很不均勻只能制得純度為97%、98%左右的氮?dú)猓厥章手挥?6%～34%，能耗較高；

　　第三階段分子篩隨著加工技術(shù)的提高，性能也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，能一次性制得99.99%以上純度的氮?dú)猓ㄈ绻捎萌饸獾牟坏葎?shì)交叉均壓流程，能一次性制得99.999%以上純度的氮?dú)猓?，在制?9.5%純度氮?dú)鈺r(shí)，回收率達(dá)到了40%,比較有代表性的分子篩如德國(guó)BF-185、日本武田3K-172、巖谷2GN-H等，都具備了這樣的水準(zhǔn)。第三代分子篩也是目前應(yīng)用最普遍的分子篩，國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家都在選用。
　　令人值得自豪的是，國(guó)產(chǎn)分子篩近年來(lái)進(jìn)步相當(dāng)快，其中走在前面的有長(zhǎng)興科博、長(zhǎng)興中泰等到廠家，生產(chǎn)的分子篩性能已經(jīng)接近進(jìn)口分子篩的性能，但國(guó)產(chǎn)分子篩由于受到條件限制，重現(xiàn)性較差，簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)就是每一批號(hào)的分子篩性能都有一定差異，不如進(jìn)口分子篩穩(wěn)定。主要原因是活化造孔及孔結(jié)構(gòu)調(diào)整技術(shù)還不太成熟，分子篩性能容易產(chǎn)生波動(dòng)，同時(shí)，也可能引起分子篩性能下降較快，在兩到三年內(nèi)性能可能下降15%左右。但由于國(guó)產(chǎn)分子篩的價(jià)格有較大優(yōu)勢(shì)，性能又與第三代進(jìn)口分子篩接近，還是得到了較廣泛的應(yīng)用。用戶也很難分辨出哪種是進(jìn)口分子篩，哪種是國(guó)產(chǎn)分子篩，這就給了一些不法廠商以機(jī)會(huì)，用國(guó)產(chǎn)分子篩代替進(jìn)口分子篩，打著低價(jià)的招牌來(lái)欺騙用戶，賺取暴利。
　　第四代分子篩是在二OO一年由日本巖谷公司研制成功的，它與第三代分子篩相比，性能又有了大幅度的提高，配合鋒華的不等勢(shì)均壓技術(shù)，能一次性制得99.9995%以上純度的氮?dú)?。在制?9.99%純度氮?dú)鈺r(shí)，氮?dú)饣厥章蔬_(dá)到了驚人的32%，在能源如此緊張的今天，它的意義更顯的重要。
   那么，是什么原因使巖谷分子篩有如此好的性能呢？碳分子篩是利用篩分的特性來(lái)達(dá)到分離氧氣、氮?dú)獾哪康摹Ｈ缜皥D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，如表一所示，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。
表一：氣體的物性數(shù)據(jù)

氣體	沸點(diǎn) K	臨界溫度 K	分子尺寸		空氣中的組成%
			長(zhǎng)，nm	寬,nm
O2	90	155	0.39	0.28	21
Ar	87	151	0.384		1.0
N2	77	126	0.41	0.30	78

微孔孔徑大小是碳分子篩分離氧、氮的基礎(chǔ)，如果也徑過(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。然而。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。目前，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。表二是各類碳分子篩的一些物理參數(shù)。
表二：碳分子篩的物理參數(shù)

品牌	顆粒真徑	堆比重	吸附周期	抗壓強(qiáng)度
BF	2.0～2.1	630～650	120s	≥120 N/顆
武田	1.8～2.0	670～680	120s	≥130 N/顆
巖谷	1.4～1.6	650～680	120s	≥105 N/顆
長(zhǎng)興中泰	1.9～2.1	630～650	120s	≥100 N/顆
長(zhǎng)興科博	2.0～2.2	640～660	120s	≥100 N/顆

巖谷分子篩公司在日本、菲律賓等地?fù)碛泄S，是一家大規(guī)模，具有多品種活性碳生產(chǎn)能力的國(guó)際性大公司年產(chǎn)各類活性碳約三萬(wàn)五千多噸。二OO二年，它在日本的市場(chǎng)占有率為50%。目前，其生產(chǎn)的第四代碳分子篩在大陸只對(duì)瑞氣公司出售，并不向其它廠家提供。

   目前，除巖谷分子篩在顆粒直徑上與其它廠家的分子篩有較大區(qū)別外，大多數(shù)廠家生產(chǎn)的碳分子篩在外型上并無(wú)多大差別，因此用戶只靠觀察分子篩外型是很難區(qū)分到底是進(jìn)口分子篩還是國(guó)產(chǎn)分子篩的。但有一點(diǎn)，如果在購(gòu)買設(shè)備時(shí)，廠家宣稱使用的是優(yōu)質(zhì)進(jìn)口分子篩，但價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于市場(chǎng)價(jià)格的話，那就要小心了。買的沒(méi)有賣的精， 設(shè)備制造廠家是不可能虧本賣設(shè)備的。買內(nèi)裝國(guó)產(chǎn)分子篩的設(shè)備并不可怕，但花了進(jìn)口分子篩的價(jià)錢卻買了國(guó)產(chǎn)分子篩，那損失可就大了。

設(shè)備規(guī)格		BGPN295-300
原 理	分離介質(zhì)	國(guó)產(chǎn)分子篩	武田分子篩	BF分子篩	巖谷分子篩
	分離原理	變壓吸附原理+ 不等勢(shì)均壓流程	變壓吸附原理+ 不等勢(shì)均壓流程	變壓吸附原理+ 不等勢(shì)均壓流程	變壓吸附原理+ 不等勢(shì)均壓流程
設(shè) 備 配 置	空氣壓縮機(jī)	ATLAS  GA90-7.5P	ATLAS GA90-7.5P	ATLAS  GA90-7.5P	ATLAS  GA75-7.5P
	冷凍干燥機(jī)	貝斯特 J2K-125G	貝斯特 J2K-125G	貝斯特 J2K-125G	貝斯特 J2K-100G
	控制系統(tǒng)	PLC控制系統(tǒng)一套電磁閥十只	PLC控制系統(tǒng)一套電磁閥十只	PLC控制系統(tǒng)一套電磁閥十只	PLC控制系統(tǒng)兩套 電磁閥十只
	其  它	二只吸附塔、十二只氣動(dòng)閥門	二只吸附塔、十二只氣動(dòng)閥門	二只吸附塔、十二只氣動(dòng)閥門	二只吸附塔、十二只氣動(dòng)閥門
動(dòng)力	①裝機(jī)功率kW	93.2	93.2	93.2	78.2
	冷卻水t/h	11.2	10.77	11	9.84
原材料	碳分子篩kg	1665	1580	1620	1200
	氧化鋁	95	90	93	78
設(shè)備性能	N2回收率%	38	40	39	48
	②實(shí)際單位電耗 kW.h/ m3	0.265	0.255	0.258	0.222
	③成本 元/ m3	≈0.171	≈0.165	≈0.167	≈0.143
	耗空氣量m3/h	995	957	968	787
	產(chǎn)氮量m3/h	300	300	300	300
	氮?dú)饧兌?	99.5	99.5	99.5	99.5
	產(chǎn)品壓力MPa	0.6	0.6	0.6	0.6
	啟動(dòng)時(shí)間h	0.8	0.8	0.8	0.6
	維修量	五到七年無(wú)需大維修，氣動(dòng)閥約三年維修更換	八到十年無(wú)需大維修，氣動(dòng)閥約三年維修更換	八到十年無(wú)需大維修，氣動(dòng)閥約三年維修更換	八到十年無(wú)需大維修，氣動(dòng)閥約三年維修更換
設(shè)備參數(shù)	工藝流程	簡(jiǎn)單	簡(jiǎn)單	簡(jiǎn)單	簡(jiǎn)單
	占地面積	約20m3	約20m3	約20m3	約18m3
	安裝	整體安裝	整體安裝	整體安裝	整體安裝
	自動(dòng)化程度	高	高	高	高

表四：兩種制高純氮?dú)夥椒ɑ緟?shù)比較

設(shè)備規(guī)格		高純制氮機(jī)	變壓吸附制得普氮+氮?dú)馓峒冄b置
		BGPN59-300	BGPN39-330	NCH-300
原 理	分離介質(zhì)	巖谷分子篩	BF分子篩	C-基催化劑
	分離原理	變壓吸附原理+ 不等勢(shì)均壓流程	變壓吸附原理+ 不等勢(shì)均壓流程	碳化除氧
設(shè) 備 配 置	空氣壓縮機(jī)	ATLAS GA200-10P	ATLAS GA132-10P	/
	冷凍干燥機(jī)	貝斯特 J2K-250G	貝斯特 J2K-150G	貝斯特 J2K-60G
	控制系統(tǒng)	PLC控制系統(tǒng)一套電磁閥十只	PLC控制系統(tǒng)一套電磁閥十只	PLC控制系統(tǒng)一套 電磁閥十六只
	其  它	二只吸附塔、十二只氣動(dòng)閥門	二只吸附塔、十二只氣動(dòng)閥門	除氧塔、備用除氧塔、干燥塔、十六只氣動(dòng)閥門
動(dòng)力	①裝機(jī)功率kW	207.6	137.8	52.5
	冷卻水t/h	20.16	10.8	25
化工原材料	碳分子篩kg	4300	2360	/
	氧化鋁	245	120	/
	13X分子篩	/	/	470
	C-基催化劑	/	/	462
設(shè)備性能	N2回收率%	21	34	90
	②實(shí)際單位電耗 kW.h/ m3	0.586	0.391	0.149
	③成本 元/ m3	≈0.382	≈0.395
	耗空氣量m3/h	1808	1228	/
	產(chǎn)氮量m3/h	300	330	300
	氮?dú)饧兌?	99.999	99.9	99.999
	產(chǎn)品壓力MPa	0.8	0.8	0.70
	啟動(dòng)時(shí)間h	1.2	0.6	0.6
	維修量	八到十年無(wú)需大維修，氣動(dòng)閥約三年維修更換	八到十年無(wú)需大維修，氣動(dòng)閥約三年維修更換	定期補(bǔ)充或更換催化劑，氣動(dòng)閥約一年維修更換
設(shè)備參數(shù)	工藝流程	簡(jiǎn)單	簡(jiǎn)單	較復(fù)雜
	占地面積	約26m3	約20m3	約13m3
	安裝	整體安裝	整體安裝	整體安裝
	自動(dòng)化程度	高	高	操作彈性小

注：①、指設(shè)備中所有配件的額定功率總和 
　　②、指設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)每產(chǎn)出1m3氮?dú)庑枰牡碾娏?nbsp;
　　③、成本包括水、電消耗的費(fèi)用，不包括設(shè)備折舊、C-基催化劑（每年約20萬(wàn)元）及配件更換費(fèi)用

　　從上面對(duì)比可以看出，采用巖谷第四代分子篩作為吸附劑的制氮設(shè)備，在各項(xiàng)性能指標(biāo)上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于采用其它分子篩作為吸附劑的制氮設(shè)備。正因如此，已有多家企業(yè)選用鋒華公司采用巖谷分子篩作為吸附劑的制氮機(jī)，其中較有代表性的如江蘇三房巷集團(tuán)RDZ498—400一次性制取高純氮設(shè)備，上海造幣廠RDZ495—300制氮投備等。

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