Einführung in Kohlenstoffmolekularsiebe für die PSA-Stickstofferzeugung
Mit der Welle der industriellen Revolution in den 1950er Jahren verbreitete sich die Anwendung von Kohlenstoffmaterialien immer mehr, wobei der am schnellsten wachsende Bereich die Aktivkohle war, die sich allmählich vom Filtern von Verunreinigungen zum Trennen verschiedener Komponenten entwickelte. Gleichzeitig wurden mit dem technologischen Fortschritt die menschlichen Fähigkeiten zur Verarbeitung von Materie gestärkt, wodurch das Kohlenstoffmolekularsieb geboren wurde. In den 1960er Jahren wurden Kohlenstoffmolekularsiebe erfolgreich hergestellt und in den Vereinigten Staaten schnell verbreitet. Zunächst wurden sie als Adsorptionsmittel zur Abtrennung von Sauerstoff aus der Luft verwendet und nach und nach in Geräten zur Stickstofferzeugung eingesetzt. In den späten 1970er und frühen 1980er Jahren stieg die weltweite Nachfrage nach Stickstoff weiter an, während die Technologie der Druckwechseladsorption für die Stickstoffproduktion allmählich ausgereift war, was die Entwicklung der Herstellungstechnologie für Kohlenstoffmolekularsiebe weiter vorantrieb.
Bis 1982 überstieg die Stickstoffproduktion in den Vereinigten Staaten und Japan diejenige von Sauerstoff. Zu diesem Zeitpunkt machte die Druckwechseladsorption für die Stickstoffproduktion etwa 18% der gesamten Stickstoffproduktion aus. Da der Marktanteil der Technologie weiter wuchs, investierten die wichtigsten Industrieländer der Welt in die Forschung und Entwicklung von Kohlenstoffmolekularsieben für die Druckwechseladsorption, wobei die Vereinigten Staaten, Japan und Deutschland technologisch führend waren. Bis heute sind die wichtigsten Hersteller von Kohlenstoffmolekularsieben weltweit hauptsächlich in diesen Ländern zu finden.
Die Rohstoffe für Kohlenstoffmolekularsiebe sind Kokosnussschalen, Kohle und Harze.
Zunächst werden sie verarbeitet und zu Pulver gemahlen und dann mit dem Substrat vermischt, vor allem um die Festigkeit zu erhöhen und eine Fragmentierung des Materials zu verhindern. Der zweite Schritt ist die Aktivierung und Porenbildung, bei der ein Aktivator bei einer Temperatur von 600-1000 ℃ injiziert wird. Zu den üblicherweise verwendeten Aktivatoren gehören Wasserdampf, Kohlendioxid, Sauerstoff und deren Mischungen. Sie reagieren mit aktiveren amorphen Kohlenstoffatomen und erzeugen chemisch Wärme, wodurch sich die Oberfläche allmählich vergrößert und Poren bildet. Die Aktivierung und Porenbildung dauert zwischen 10 und 60 Minuten. Der dritte Schritt ist die Regulierung der Porenstruktur, bei der sich Dämpfe chemischer Substanzen wie Benzol an der mikroporösen Wand des Kohlenstoffmolekularsiebs ablagern, um die Porengröße an die Anforderungen anzupassen.
Kohlenstoffmolekularsiebe werden grob in vier Stufen unterteilt, die sich in ihrer Leistung unterscheiden
In der ersten Stufe wies das Kohlenstoffmolekularsieb aufgrund der Beschränkungen des Herstellungsprozesses eine sehr ungleichmäßige Porengrößenverteilung auf und konnte nur Stickstoff mit einer Reinheit von etwa 97%-98% erzeugen, wobei die Rückgewinnungsrate nur 26% bis 34% betrug und ein hoher Energieverbrauch erforderlich war.
In der zweiten Phase hatte das Kohlenstoffmolekularsieb eine bessere Leistung und konnte Stickstoff mit einer Reinheit von über 99,9% produzieren, aber der Energieverbrauch war sehr hoch und es fehlten die Bedingungen für eine großtechnische Anwendung. In dieser Phase konnten Molekularsiebe Stickstoff mit einer Reinheit von 97-98% und einer Rückgewinnungsrate von 37%-42% produzieren und waren bereits weit verbreitet.
In der dritten Stufe machten die Molekularsiebe aufgrund einer verbesserten Verarbeitungstechnologie erhebliche Leistungsfortschritte und konnten Stickstoff mit einer Reinheit von über 99,99% in einem Schritt herstellen, wobei die Rückgewinnungsrate bei der Herstellung von Stickstoff mit einer Reinheit von 99,5% 40% betrug. Die Molekularsiebe der dritten Generation sind die am häufigsten verwendeten Molekularsiebe und werden von den meisten Herstellern gewählt.
Das Molekularsieb der vierten Generation wurde 2001 von einem japanischen Unternehmen erfolgreich entwickelt. Im Vergleich zu den Molekularsieben der dritten Generation konnte die Leistung erheblich verbessert werden. In Verbindung mit der nicht-isobaren Druckwechseladsorptionstechnologie von Ruiqi ist es in der Lage, Stickstoff mit einer Reinheit von über 99,9995% in einem Schritt herzustellen. Bei der Herstellung von Stickstoff mit einer Reinheit von 99,99% beträgt die Stickstoffrückgewinnungsrate unglaubliche 32%. In der heutigen energieverknappten Umwelt ist dies umso wichtiger.
