气体分离新技术：变压吸附与膜分离  

气体的主要成分是N2（78%）和氧气（21%），因此可以说空气是氮气和氧气取之不尽的来源。N2

主要用于化工生产中合成氨和金属热处理的保护氛围和惰性保护气体（管道和氧化物在减少材料后进

行N2密封和清洁）。粮食储存、水果保存、电子工业等。O2主要用于冶金、燃烧气体、诊断和解决

方案、污水处理和化工行业的氧化物。化学工作者一直在努力学习和处理根据低成本气体分离获得氧

气和氮气的问题。

传统的工业气体分离方法是选择低温分离方法，将蒸发冷却到-150℃以下，然后通过低温蒸馏完成分

离。该方法存在能耗高、工艺长、启动工艺长、设备维护要求高等缺陷。因此，在过去的十年里，随

着变压吸附和膜分离等新兴分离方法的出现，形势变得严峻。

采用变压吸附分离气体有两个原理。一是利用5a分子筛的选择性吸附特性，即5a分子筛对N2的平衡

吸附超过氧气的平衡吸附，使N2在沸石层的基础上吸附空气，O2作为产品流出。N2饱和后，沸石停

止进入气体，在真空下抽空材料层，获得N2作为产品。另外一种方法是利用碳分子筛的输送吸附特性，

其中碳分子筛对氧气和氮气表现出类似的平衡吸附。但是，由于氧气的分子规格(2.8)×与N2(4.1)相比，

分子规格(3.0)体积小，O2在碳分子筛中的传播速度更快，进而具有更大的吸附能力。所以O2在碳分子

筛中具有较快的传播速度和较高的吸附能力。所以，O2被吸附，N2作为产品流出。一段时间后，停止

进入气体和真空材料层，再生碳分子筛。这种方法通常为0.1-0.5×在常压、真空、室温条件下进行106

pa吸收阶段，便于在工业上实施。

富氧空气和99.9%纯N2可根据变压吸附分离气体获得，功耗低于1.0。目前，日本最完善的制氧系统是

5a沸石筛，氧浓度为96%，耗电量仅为0.4。千瓦时/立方米

一般来说，变压吸附气体分离的选择具有能耗低、生产工艺短、关闭时间短、自动控制、可调商品浓

度等优点，有望得到显著发展。

气体膜分离的渗透原理是氧气和氮气在无孔聚合物膜中具有不同的扩散速率。当氧气和氮气粘附在聚

合物膜表面时，由于聚合物膜两侧的浓度梯度，气体通过聚合物膜扩散，然后在膜的另一侧进行分析。

由于氧气分子的体积小于N2分子，因此聚合物膜中O2的扩散速率超过N2。当空气进入膜的一侧时，

富氧空气可以在另一侧获得，N2可以在同一侧获得。

根据气膜分离，N2和富氧空气可以连续获得。目前，用于氧氮分离的聚合物膜的选择性指数仅为3.5

左右，透水性相对较低。分离产品的N2浓度范围为95%至30%，膜气体分离为99%至40%。一般情况

下，操作应在室温和106Pa下0.1至0.5倍的压力下进行。

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