空氣的主要成分是氮?dú)?/span>(占78%)和氧氣(占21%)，因此，可以說空氣是制備氮?dú)夂脱鯕馊≈槐M的源泉。氮?dú)庵饕糜诤铣砂薄⒔饘贌崽幚淼谋Ｗo(hù)氣氛、化工生產(chǎn)中的惰性保護(hù)氣(開停車時(shí)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)狻⑨t(yī)療、廢水處理和化學(xué)工業(yè)中的氧化劑等。如何廉價(jià)地分離空氣制取氧氣和氮?dú)猓@是化工工作者長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)分離。該法可以同存在能耗高、流程長(zhǎng)、啟動(dòng)過程長(zhǎng)、設(shè)備維護(hù)要求高等缺點(diǎn)，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(jī)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(duì)氮?dú)獾钠胶馕搅看笥趯?duì)氧氣的平衡吸附量，這樣當(dāng)空氣通過沸石床層時(shí)氮?dú)饩捅晃剑鞒鲅鯕庾鳛楫a(chǎn)品。當(dāng)沸石吸附氮?dú)怙柡秃螅Ｖ雇ㄈ肟諝猓汛矊映槌烧婵眨槌龅牡獨(dú)庾鳛楫a(chǎn)品。另一種是利用碳分子篩的運(yùn)態(tài)吸附特性，即碳分子篩對(duì)氧氣和氮?dú)獾钠胶馕搅肯嗖畈淮螅捎谘鯕獾姆肿映叽?2.8×3.9)比氮?dú)獾姆肿映叽?3.0×4.1)小，因而氧氣在碳分子篩中的擴(kuò)散速度快，吸附量也大，于是氧氣在碳分子篩中的擴(kuò)散速度快，吸附量也大，于是氧氣被吸附，流出氮?dú)庾鳛楫a(chǎn)品。隔一段時(shí)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(jìn)行的，在工業(yè)上很容易實(shí)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?dú)猓碾娏烤∮?.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?jī)H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(shí)間短、自動(dòng)控制、產(chǎn)品濃度可調(diào)等等優(yōu)點(diǎn)，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?dú)庠诜嵌嗫赘叻肿幽?nèi)的擴(kuò)散速率不同。當(dāng)氧氣和氮?dú)馕皆诟叻肿幽け砻鏁r(shí)，由于膜兩側(cè)存在著濃度梯度，使氣體擴(kuò)散并通過高分子膜，接著在膜的另一側(cè)解吸。因?yàn)檠鯕夥肿拥捏w積小于氮?dú)夥肿樱蚨鯕庠诟叻肿幽?nèi)的擴(kuò)散速率大于氮?dú)猓@樣，當(dāng)空氣通入膜的一側(cè)時(shí)，在另一側(cè)就可以得到富氧空氣，同一側(cè)得到氮?dú)狻Ｓ媚しǚ蛛x空氣可以連續(xù)得到氮?dú)夂透谎蹩諝狻Ｄ壳暗母叻肿幽?duì)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?dú)鉂舛葹?5～99%，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(chǎng)。目前，變壓吸附法和膜法的主要缺點(diǎn)是產(chǎn)品濃度不夠高、回收率較低，這要通過改進(jìn)吸附劑和高分子膜來克服。