空氣的主要成分是氮氣(占78%)和氧氣(占21%)，因此，可以說空氣是制備氮氣和氧氣取之不盡的源泉。氮氣主要用于合成氨、金屬熱處理的保護氣氛、化工生產(chǎn)中的惰性保護氣(開停車時吹掃管線、易氧化物質(zhì)的氮封、壓料)、糧食貯存、水果保鮮和電子工業(yè)等。氧 主要用于冶金、助燃?xì)?、醫(yī)療、廢水處理和化學(xué)工業(yè)中的氧化劑等。如何廉價地分離空氣制取氧氣和氮氣，這是化工工作者長期潛心研究解決的問題。

工業(yè)上分離空氣的傳統(tǒng)方法是采用深冷分離法，即將空氣冷卻到-150℃以下，再用低溫精餾的方法實現(xiàn)分離。該法可以同存在能耗高、流程長、啟動過程長、設(shè)備維護要求高等缺點，因此近十幾年來受到了變壓吸附法和膜分離法等新興分離方法的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

變壓吸附法

變壓吸附法分離空氣的機理有兩種。一種是利用5A沸石分子篩的選擇吸附特性，即5A沸石分子篩對氮氣的平衡吸附量大于對氧氣的平衡吸附量，這樣當(dāng)空氣通過沸石床層時氮氣就被吸附，流出氧氣作為產(chǎn)品。當(dāng)沸石吸附氮氣飽和后，停止通入空氣，并把床層抽成真空，抽出的氮氣作為產(chǎn)品。另一種是利用碳分子篩的運態(tài)吸附特性，即碳分子篩對氧氣和氮氣的平衡吸附量相差不大，但由于氧氣的分子尺寸(2.8×3.9)比氮氣的分子尺寸(3.0×4.1)小，因而氧氣在碳分子篩中的擴散速度快，吸附量也大，于是氧氣在碳分子篩中的擴散速度快，吸附量也大，于是氧氣被吸附，流出氮氣作為產(chǎn)品。隔一段時間后，停止通入空氣，把床層抽真空使碳分子篩再生。該法通常是在吸附階段為0.1～0.5×106Pa、解吸階段為常壓或真空及常溫的條件下進行的，在工業(yè)上很容易實現(xiàn)。

用變壓吸附法分離空氣可以得到富氧空氣和99.9%的純氮氣，耗電量均小于1.0kwh/m3。目前，世界上用5A沸石分了篩制氧以日本最為成熟，氧濃度可達(dá)96%，耗電量僅為0.4kwh/m3。 總之，用變壓吸附法分離空氣具有能耗低、流程短、開停車時間短、自動控制、產(chǎn)品濃度可調(diào)等等優(yōu)點，可望有較大的發(fā)展。

膜分離法

膜法分離空氣利用的是滲透原理，即氧氣和氮氣在非多孔高分子膜內(nèi)的擴散速率不同。當(dāng)氧氣和氮氣吸附在高分子膜表面時，由于膜兩側(cè)存在著濃度梯度，使氣體擴散并通過高分子膜，接著在膜的另一側(cè)解吸。因為氧氣分子的體積小于氮氣分子，因而氧氣在高分子膜內(nèi)的擴散速率大于氮氣，這樣，當(dāng)空氣通入膜的一側(cè)時，在另一側(cè)就可以得到富氧空氣，同一側(cè)得到氮氣。用膜法分離空氣可以連續(xù)得到氮氣和富氧空氣。目前的高分子膜對氧、氮分離的選擇性系數(shù)只有3.5左右，滲透系數(shù)也較小。分離得到的產(chǎn)品氮氣濃度為95～99%，氧氣濃度僅為30～40%。膜法分離空氣一般是在常溫和壓力為0.1～0.5×106Pa的條件下操作的。

由于變壓吸附法和膜法的崛起，中小規(guī)模的深冷空分裝置已開始讓出一部分市場。目前，變壓吸附法和膜法的主要缺點是產(chǎn)品濃度不夠高、回收率較低，這要通過改進吸附劑和高分子膜來克服。