目前實(shí)驗(yàn)室常用氮?dú)庵迫⌒问?，分為兩個(gè)技術(shù)路線，一 個(gè)是采用中空纖維膜來分離出氮?dú)猓粋€(gè)是采用分子篩變壓 吸附技術(shù)來分離氮?dú)狻?/p>

首先來講一下膜分離技術(shù)的原理，具體示意圖如下：

1 、 膜分離氮?dú)獾脑?/p>

膜分離技術(shù)，把空氣加壓到一定壓力后，通過中空纖維膜管束，把空氣中的氧氣，一氧 化碳，二氧化碳，氫氣，水氣等成分?jǐn)D壓過濾出纖維膜管壁，排到空氣中去，氮?dú)鈩t被 截留在中空的纖維膜管中，從而不斷的產(chǎn)生氮?dú)狻?/p>

2 、分離膜的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)

氮?dú)夥蛛x膜的核心材質(zhì)主要為高分子聚合物，主要以聚酰亞胺（Polyimide）。這類材料 然后通過特殊工藝制成中空纖維膜，膜的外徑一般 0.2-0.4 毫米，內(nèi)徑 0.1-0.2 毫米。這 個(gè)結(jié)構(gòu)可以承受比較高的壓力，具有優(yōu)秀的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度（因?yàn)檫@個(gè)特性，很 多廠家會(huì)宣傳分離膜可以“使用 ”10 年的原因），且中空纖維膜的膜壁上有納米級(jí)微孔，

用來實(shí)現(xiàn)氮?dú)夂脱鯕獾姆蛛x。

3 、 有效使用壽命

在理想狀態(tài)中，氮?dú)夥蛛x膜的使用壽命通常為 4-6 年（指純度沒有太大衰減的壽命），但 是具體壽命取決于使用環(huán)境和維護(hù)水平。因?yàn)橹锌绽w維膜膜壁的納米級(jí)微孔，很容易被 前段空氣中的雜質(zhì)堵塞（雜質(zhì)包括空氣中的微量油霧，顆粒物，水性溶解物等），而一 旦堵塞住微孔，則是不可逆的。因?yàn)槟し蛛x等同于單向過濾，微孔越堵，過濾效率會(huì)越 來越差，即使膜的使用壽命沒到，但是因?yàn)檫^濾效率的下降，導(dǎo)致本來應(yīng)該被高壓擠出 中空纖維膜的 CO ，CO2，O2 等雜質(zhì)氣體不能很好的被擠壓出去，留在中空纖維膜中， 跟氮?dú)庖黄鸪蔀楫a(chǎn)品氣流向后端質(zhì)譜，這就是為什么膜分離的發(fā)生器，膜使用 1-2 年后， 氮?dú)饧兌认陆当容^大的原因。

4 、 膜的品牌和種類

一般質(zhì)量要求比較高的膜分離廠家，使用的是日本 UBE 的膜，而為了控制成本，現(xiàn)在 很多企業(yè)用的是韓國(guó)的膜，也有部分國(guó)產(chǎn)膜，每個(gè)膜的價(jià)格和理論使用壽命也不一樣， 同時(shí)分離效率也不盡相同。導(dǎo)致目前國(guó)內(nèi)膜分離發(fā)生器的價(jià)格也比較混亂。

5 、 膜分離的氮?dú)饧兌群臀叫?/p>

一般膜分離理論值氮?dú)饧兌?，可以做?99.5%的。實(shí)際在質(zhì)譜應(yīng)用中，膜分離氮?dú)饧兌?大多數(shù)集中在 95%左右。吸附效率在 35-40%左右。

其次，我們講下分子篩變壓吸附的技術(shù)原理，具體示意圖如下：

1 、 分子篩變壓吸附技術(shù)原理：

分子篩變壓吸附技術(shù)是一種先進(jìn)的氣體分離技術(shù)，它在當(dāng)今世界的現(xiàn)場(chǎng)供氣方面具有不 可替代的地位。通過吸附器里的碳分子篩（CMS）為吸附劑，在一定壓力下能夠很好的 吸附空氣中的氧氣、二氧化碳、水分等，而氮?dú)獠灰妆晃?，從而產(chǎn)生氮?dú)狻Ｍ瑫r(shí)考慮 到吸附飽和性和釋放，所以一般分子篩吸附需要 2 個(gè)吸附器，交替工作，一個(gè)吸附器在 工作時(shí)，另外一個(gè)吸附器進(jìn)行壓力釋放，排出被分子篩吸附住的氧氣，一氧化碳，二氧 化碳，水氣等氣體。

兩個(gè)吸附器交替進(jìn)行吸附和再生，從而產(chǎn)生流量和純度穩(wěn)定的產(chǎn)品氮?dú)?。兩只吸附器?切換由控制系統(tǒng)智能控制自動(dòng)完成。

2、 分子篩的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)

分子篩吸附技術(shù)所用的是一種多孔的棒狀碳顆粒，一般由椰殼通過特殊工藝制作而成。 一般直徑在 1.0-1.2 毫米，堆積密度 0.65-0.69g/ml，顆粒強(qiáng)調(diào)大于 38N。

3 、有效使用壽命

在理想狀態(tài)中，分子篩的使用壽命通常為 10-12 年，但是具體壽命同樣取決于使用環(huán)境 和維護(hù)水平。因?yàn)樘挤肿雍Y是柱狀多孔顆粒，里面很多納米級(jí)微孔，微孔容易被液態(tài)水 或油霧污染，從而導(dǎo)致分子篩內(nèi)部微孔被堵塞或者粉化，俗稱分子篩中毒現(xiàn)象，導(dǎo)致分 子式完全失效。所以采用分子篩吸附技術(shù)的廠家，對(duì)前端壓縮空氣的處理會(huì)相當(dāng)嚴(yán)格。

4、分子篩的品牌和種類

分子篩技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在半導(dǎo)體行業(yè)，制藥行業(yè)，熱處理行業(yè)等需要高純氮?dú)獾念I(lǐng) 域，工業(yè)級(jí)氮?dú)庀到y(tǒng)都是采用分子篩吸附技術(shù)。采用的分子篩目前主要是國(guó)產(chǎn)品牌，而 且基本上已經(jīng)壟斷國(guó)際市場(chǎng)。

5 、 分子篩技術(shù)的氮?dú)饧兌群臀叫?/p>

一般分子篩技術(shù)理論值氮?dú)饧兌龋梢宰龅?99.9995%的。實(shí)際在質(zhì)譜應(yīng)用中，分子篩分 離氮?dú)饧兌却蠖鄶?shù)集中在 98-99.5%左右。吸附效率在 50%左右。

通過前面的氮?dú)庠谫|(zhì)譜應(yīng)用中的要求和兩種技術(shù)的分析，我們可以分別對(duì)兩種技術(shù)從多維度進(jìn)行對(duì)比。

1 、 尺寸和重量

膜分離技術(shù)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，只有一根膜，所以在體積上會(huì)比較小，重量也更輕便。 而分子篩篩技術(shù)因?yàn)榭紤]到氮?dú)饧兌?，根?jù)工藝要求，設(shè)有 2 組吸附器，交替工作，重 復(fù)再生。同時(shí)也比膜分離多了一只空氣儲(chǔ)罐，所以在體積上相對(duì)較大，重量也更重一些。 但是在高度上，也是有廠家機(jī)型可以放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)或者質(zhì)譜桌下方。

2 、 噪音

如果單獨(dú)分開膜組件，膜分離的中空纖維膜是沒有任何噪音的，分子篩吸附會(huì)有氣動(dòng)閥 切換的聲音。但是無論膜分離還是分子篩吸附技術(shù)，都需要壓縮空氣源，而壓縮空氣源 主要是由壓縮機(jī)提供，在一臺(tái)發(fā)生器中，壓縮機(jī)才是發(fā)生器的最大噪音源。所以從這個(gè) 層面來說，膜分離和分子篩技術(shù)噪音一樣，主要看各家對(duì)壓縮機(jī)噪音的處理效果。

3 、 純度

氮?dú)庠诓煌瑑x器中，的確對(duì)純度的要求也不盡相同。在 LC-MS 中，氮?dú)庵饕亲鳛殪F 化氣和吹掃氣，部分也作為碰撞氣。通常質(zhì)譜廠家要求氮?dú)饧兌鹊紫奘?95%。從這個(gè)方 面講，膜分離技術(shù)的正常氮?dú)饧兌葍H僅剛達(dá)到這個(gè)起步線，而分子篩技術(shù)的氮?dú)饧兌瓤?以達(dá)到 97 以上，最高能到 99.5 以上%。在這里就得講下氮?dú)饧兌鹊膰?guó)標(biāo)定義，是指非 氧含量，也就是說 95%純度的氮?dú)饫锩嫜鯕夂渴?5%，而 97%純度的氮?dú)?，氧氣含?是 3%，99%純度的氧氣含量是 1%。那么同樣的氮?dú)?，如果?95%純度和99%純度，氧 氣的含量不是百分之幾的關(guān)系，而是幾倍的關(guān)系。

4 、 露點(diǎn)，含水量

氮?dú)庵械母稍锍潭?，是由里面的水分含量決定的，一般露點(diǎn)在-25 度時(shí)候，水分含量為 629ppm，當(dāng)露點(diǎn)在-35 時(shí)候，水分含量在 220ppm，當(dāng)露點(diǎn)在-45 度時(shí)候，水分含量在71ppm。 一般因?yàn)槟し蛛x的中空纖維膜是高分子聚合物，從物理結(jié)構(gòu)上來說，不怕水，不怕油霧，

也不怕雜質(zhì)，最多是管壁的微孔堵塞了，氮?dú)饧兌认陆刀眩杂械膹S家有的敢宣傳 使用壽命 10 年。而分子篩技術(shù)，因?yàn)榉肿雍Y的特殊性，導(dǎo)致分子篩技術(shù)對(duì)前端進(jìn)氣質(zhì) 量近乎苛刻，所以一般會(huì)有熱交換冷凝系統(tǒng)，除水除油霧過濾系統(tǒng)，冷凍或膜分離深度 除水系統(tǒng)等多層級(jí)凈化系統(tǒng)，使得分子篩進(jìn)氣質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于膜分離的進(jìn)氣質(zhì)量。同時(shí)， 因?yàn)榉肿雍Y也會(huì)吸附一定的水汽，所以分子篩技術(shù)出來的氮?dú)饴饵c(diǎn)，一般介于-35至-45 之間，特別處理的分子篩技術(shù)，氮?dú)饴饵c(diǎn)最高能到-65 以下。而膜分離一般在-25 左右。

很多膜分離設(shè)備，一旦沒有及時(shí)維護(hù)，空氣管路和氮?dú)夤苈范紩?huì)有液態(tài)冷凝水出現(xiàn)，有 些廠家為此也加了所謂的液滴報(bào)警器。（配膜分離后端空氣管路，氮?dú)夤芾碛幸簯B(tài)水的 圖片）

5 、 壓縮機(jī)的負(fù)荷

因?yàn)槟し蛛x的分離特點(diǎn)，在 95%純度時(shí)，吸附效率在 40%左右，而分子篩吸附技術(shù)，因 為吸附深度好，吸附容量大的特性，在 95%純度時(shí)，吸附效率在 52%左右。而吸附效率 的高低，直接決定了對(duì)前端進(jìn)氣量的需求。所以同樣純度和流量下，分子篩吸附技術(shù)所 需的壓縮空氣量要小于膜分離的，壓縮機(jī)的負(fù)荷也更小。正是因?yàn)檫@個(gè)技術(shù)特性，在很 多大流量制氮系統(tǒng)中，基本都是采用分子篩吸附技術(shù)，因?yàn)榱髁吭酱螅瑢?duì)應(yīng)能耗優(yōu)越性 越是得到凸顯。

6 、 維護(hù)保養(yǎng)

膜分離技術(shù)，的確移動(dòng)部件少，甚至不需要運(yùn)動(dòng)部件，壓縮空氣直接流經(jīng)中空纖維膜即 可完成氮?dú)夥蛛x。而分子篩技術(shù)，不僅有兩組吸附器，同時(shí)還有控制閥和控制單元。但 是這些控制閥和控制單元，不屬于易損件和耗材，正常壽命范圍內(nèi)無需更換。而膜分離 和分子篩前端氣源和過濾系統(tǒng)，都是需要更換濾芯和壓縮機(jī)的密封圈和活塞環(huán)等易損件 耗材。在分離部分，因?yàn)槟し蛛x是單向過濾，純度是逐年下降的，每年純度衰減率 15% 左右，所以如果膜分離發(fā)生器在使用 2-3 年后，純度一般都會(huì)下降到 90%以下，更有甚 者純度在 84%左右，氧含量 16%，比質(zhì)譜要求的 5%（95%純度下），高了 3 倍不止。所 以正常情況下，膜分離發(fā)生器如果需要維持基本純度，應(yīng)該需要每年更換分離膜，這個(gè) 費(fèi)用就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)的氣源部分的耗材費(fèi)用。而分子篩吸附技術(shù)，因?yàn)槭请p吸附器設(shè) 計(jì)，2 個(gè)吸附器輪流工作，往復(fù)更新，使得分子篩純度能夠持續(xù)得到保證，正常純度衰 減率在 1%左右。所以正常設(shè)計(jì)壽命周期里，一般不需要更換分子篩，這樣維護(hù)費(fèi)用則 比膜分離的要低。如果膜分離不考慮純度，每年不更換中空纖維膜，則維保費(fèi)用跟分子 篩類似。

7 、 設(shè)備初始購(gòu)置價(jià)格

因?yàn)榉肿雍Y技術(shù)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有一定技術(shù)難度。因?yàn)橛袃山M吸附器，所以需要 有程序控制閥來控制 2 個(gè)吸附器的工作和循環(huán)再生。同時(shí)因?yàn)橐獙?duì)對(duì)吸附器的流速，吸

附周期，釋放周期進(jìn)行精密控制，需要配置中央控制單元，數(shù)字模擬量處理模塊，電磁 閥，氣動(dòng)閥等組件。而膜分離，只是壓縮機(jī)加上過濾組件，加上分離膜即可，特別簡(jiǎn)單。 對(duì)比下來，分子篩技術(shù)成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于膜分離技術(shù)。有的膜分離廠家，同時(shí)也有分子篩 技術(shù)的發(fā)生器，同樣流量下，一般分子篩技術(shù)的發(fā)生器比膜分離的價(jià)格高 50%左右。（配 兩張技術(shù)的大致結(jié)構(gòu)流程圖）

綜上所述，分子篩吸附技術(shù)，在體積，重量和采購(gòu)價(jià)格上沒有優(yōu)勢(shì)，但是在氮?dú)馄?質(zhì)，純度，露點(diǎn)含量，使用壽命，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用上占有優(yōu)勢(shì)。