PSA窒素生成用カーボンモレキュラーシーブの紹介

1950 年代の産業革命の波に伴い、炭素材料の応用はますます広範囲になり、最も急速に拡大した分野は活性炭であり、不純物の濾過からさまざまな成分の分離まで徐々に発展してきました。同時に、技術の進歩により人間の物質処理能力が強化され、炭素分子篩が誕生しました。 1960 年代にカーボンモレキュラーシーブの製造に成功し、米国で急速に普及しました。当初は空気から酸素を分離するための吸着剤として使用され、徐々に窒素を生成する装置に応用されました。 1970 年代後半から 1980 年代初頭にかけて、世界中で窒素の需要が増加し続ける一方で、窒素製造のための圧力スイング吸着技術が徐々に成熟し、炭素モレキュラーシーブ製造技術の開発がさらに促進されました。

1982年までに、米国と日本では窒素の生産量が酸素の生産量を上回りました。現時点では、窒素生産のための圧力スイング吸着は総窒素生産量の約 18% を占めており、この技術の市場シェアは拡大し続け、世界中の主要先進国は圧力スイング吸着用カーボンモレキュラーシーブの研究開発に投資しました。このうち、米国、日本、ドイツは技術的に主導的な立場にありました。今日に至るまで、世界中の主要な炭素モレキュラーシーブ製造業者は依然として主にこれらの国に流通しています。

炭素モレキュラーシーブの原料はヤシ殻、石炭、樹脂です。

まず、これらを加工して粉末にし、次に基材と混合します。これは、主に強度を高め、材料の断片化を防ぐためです。 2番目のステップは活性化と細孔形成であり、これには600〜1000℃の温度で活性化剤を注入することが含まれます。一般的に使用される活性化剤には、水蒸気、二酸化炭素、酸素、およびそれらの混合物が含まれます。これらはより活性な非晶質炭素原子と反応して化学的に熱を発生させ、徐々に表面積を拡大して細孔を形成します。活性化と細孔の形成時間は 10 ～ 60 分間続きます。 3 番目のステップは細孔構造の制御です。ベンゼンなどの化学物質の蒸気をカーボンモレキュラーシーブの微孔質壁に堆積させ、要件を満たすように細孔サイズを調整します。

カーボンモレキュラーシーブは性能の違いにより大きく4段階に分けられます

第 1 段階では、カーボンモレキュラーシーブは製造プロセスの制限により細孔径分布が非常に不均一であり、純度約 97% ～ 98% の窒素しか生成できず、回収率はわずか 26% ～ 34% であり、高いエネルギー消費が必要でした。

第 2 段階では、炭素モレキュラーシーブの性能が向上し、99.9% 以上の純度の窒素を生成できるようになりましたが、エネルギー消費が非常に高く、大規模応用には条件が不足していました。この段階では、モレキュラーシーブは純度 97-98%、回収率 37%-42% の窒素を生成することができ、すでに広く使用されていました。

第3段階では、加工技術の向上によりモレキュラーシーブの性能が大幅に向上し、純度99.99%以上の窒素を一工程で製造できるようになり、純度99.5%の窒素を製造する場合の回収率は40%となった。第 3 世代モレキュラーシーブは、最も一般的に使用されているモレキュラーシーブであり、ほとんどのメーカーによって選択されています。

第 4 世代モレキュラーシーブは、2001 年に日本の企業によって開発に成功しました。第 3 世代モレキュラーシーブと比較して、その性能は大幅に向上しました。 Ruiqi の非等圧圧力スイング吸着技術と組み合わせることで、1 ステップで 99.9995% 以上の純度の窒素を生成できます。純度99.99%の窒素を製造する場合、窒素回収率は驚異的な32%になります。今日のエネルギーが逼迫した環境では、その重要性はさらに高まっています。