Introdução à peneira molecular de carbono para a produção de nitrogénio PSA

Com a onda da revolução industrial na década de 1950, a aplicação de materiais de carbono tornou-se cada vez mais generalizada, sendo o carvão ativado o campo de mais rápida expansão, que se desenvolveu gradualmente da filtragem de impurezas para a separação de diferentes componentes. Ao mesmo tempo, com os avanços tecnológicos, as capacidades humanas de processamento da matéria tornaram-se mais fortes, o que levou ao nascimento da peneira molecular de carbono. Na década de 1960, as peneiras moleculares de carbono foram fabricadas com sucesso e rapidamente promovidas nos Estados Unidos. Inicialmente, foram utilizadas como adsorventes para separar o oxigénio do ar e gradualmente aplicadas em dispositivos de produção de azoto. No final da década de 1970 e início da década de 1980, a procura de azoto a nível mundial continuou a aumentar, enquanto a tecnologia de adsorção por oscilação de pressão para a produção de azoto amadureceu gradualmente, impulsionando ainda mais o desenvolvimento da tecnologia de fabrico de crivos moleculares de carbono.

Em 1982, a produção de azoto nos Estados Unidos e no Japão excedia a do oxigénio. Nessa altura, a adsorção por oscilação de pressão para a produção de azoto representava cerca de 18% da produção total de azoto. À medida que a quota de mercado da tecnologia continuava a crescer, os principais países industriais do mundo investiam na investigação e desenvolvimento de crivos moleculares de carbono para adsorção por oscilação de pressão, dos quais os Estados Unidos, o Japão e a Alemanha ocupavam uma posição de liderança tecnológica. Até à data, os principais produtores mundiais de crivo molecular de carbono continuam a estar principalmente distribuídos por estes países.

As matérias-primas para a peneira molecular de carbono são cascas de coco, carvão e resinas

Primeiro, são processados e moídos em pó, depois misturados com o substrato, principalmente para aumentar a resistência e evitar a fragmentação do material. O segundo passo é a ativação e a formação de poros, que envolve a injeção de um ativador a uma temperatura de 600-1000 ℃. Os activadores habitualmente utilizados incluem vapor de água, dióxido de carbono, oxigénio e as suas misturas. Estes reagem com átomos de carbono amorfo mais activos para gerar calor quimicamente, expandindo gradualmente a área de superfície para formar poros. O tempo de ativação e formação de poros dura entre 10 e 60 minutos. O terceiro passo é a regulação da estrutura dos poros, utilizando vapores de substâncias químicas, como o benzeno, para se depositarem na parede microporosa da peneira molecular de carbono e ajustar o tamanho dos poros de acordo com os requisitos.

O crivo molecular de carbono divide-se, grosso modo, em quatro fases, de acordo com as suas diferenças de desempenho

Na primeira fase, a peneira molecular de carbono tinha uma distribuição muito irregular do tamanho dos poros devido a limitações do processo de fabrico e só podia produzir azoto com uma pureza de cerca de 97%-98%, com uma taxa de recuperação de apenas 26% a 34%, exigindo um elevado consumo de energia.

Na segunda fase, a peneira molecular de carbono melhorou o seu desempenho e podia produzir azoto com uma pureza superior a 99,9%, mas o consumo de energia era muito elevado e não havia condições para uma aplicação em grande escala. Nesta fase, os crivos moleculares podiam produzir azoto com uma pureza de 97-98%, com uma taxa de recuperação de 37%-42%, e já tinham sido amplamente utilizados.

Na terceira fase, as peneiras moleculares registaram progressos significativos em termos de desempenho devido à melhoria da tecnologia de processamento, podendo produzir azoto com uma pureza superior a 99,99% numa única etapa, com uma taxa de recuperação de 40% ao produzir azoto com uma pureza de 99,5%. As peneiras moleculares de terceira geração são as peneiras moleculares mais utilizadas e são escolhidas pela maioria dos fabricantes.

A peneira molecular de quarta geração foi desenvolvida com sucesso por uma empresa japonesa em 2001. Em comparação com as peneiras moleculares de terceira geração, o seu desempenho registou uma melhoria substancial. Juntamente com a tecnologia de adsorção de oscilação de pressão não isobárica da Ruiqi, é capaz de produzir azoto com uma pureza superior a 99,9995% numa única etapa. Ao produzir azoto com uma pureza de 99,99%, a taxa de recuperação de azoto é de uns incríveis 32%. No atual ambiente de escassez de energia, o seu significado é ainda mais importante.