炭分子筛 (carbon molecular sieve)

具有特别发达微孔结构的新型炭质吸附剂。

自1948年Emett发现萨冉树脂炭化后有分子筛作用以来，德、日、美及中国等在此领域做了卓有成效的工作并先后投入实际应用。

炭分子筛具有炭素材料所共有的耐热耐腐蚀性能，其化学组成类似于活性炭，但两者的孔径分布和孔隙率显著不同。活性炭的孔径分布宽，孔径范围介于0．5～104nm，其中包括孔径小于2nm的细孔，2～50nm的中孔和50～100nm的大孔；炭分子筛的孔隙以微孔为主，孔径较均匀，介于0．3～0．7nm，孔隙的形状为平行的狭长缝隙结构，由于它的孔径只有分子大小，所以可起到分子筛作用。

活性炭和分子筛的吸附分离选择性不同：前者基于其孔隙表面对不同气体分子的分子间作用力不同，后者则由微孔尺寸是否允许气体分子进入和微孔内表面对不同气体的分子作用力不同这两个因素决定。

炭分子筛的制备工艺特性制备炭分子筛的工序与活性炭大致相近，由原料煤粉碎加黏结剂捏合、成型、炭化、活化和炭沉积等工序组成。根据原料不同，有的只需炭化，有的炭化后尚需轻微活化或适当堵孔。

(1)原料很多富含炭的物质均可作为炭分子筛的制备原料，如：木材、果壳(椰壳、核桃壳)、有机高分子聚合物、煤、半焦和活性炭等，其中以煤为原料最有实用意义。

(2)预氧化黏结性烟煤需预氧化，以破除黏结性和有利于形成均一微孔，一般用流化床空气氧化法，温度200℃左右，时间数小时。

(3)捏合，成型黏结剂有煤焦油、纸浆废液等，添加量在25％-40％之间，捏合好坏对产品质量影响显著。

(4)炭化是关键工序，升温速度，炭化终温是重要因素，升温速率低，有利于挥发均匀逸出，控制在3～10℃/min，炭化终温在700～900℃，温度高有利于生成微孔，一是原有小孔经过收缩变为更小的微孔。二则由于高温缩聚反应而形成新微孔。

(5)活化某些原料(如无烟煤)在炭化后微孔不多或太小，利用活化剂(如CO₂，CO和水蒸气)轻度活化，可使孔径扩大到所需范围。

(6)炭沉积原料经炭化和活化后，形成了较发达的孔隙结构，但孔径不均一，有一部分为不利于分离的大孔，炭沉积的原理是某些烃类，如苯，甲苯，长链烷烃等在大孔表面或入口处热解析出游离炭，从而在尽量不减少炭分子筛有效孔隙容积的前提下使大孔孔径减少。

炭分子筛的吸附分离机理炭分子筛用于空气分离，不是因为它对O₂和N₂的平衡吸附量不同，而是基O₂、N₂的扩散速度差异，利用O₂的扩散速度远高于N₂的扩散速度之特点，在远离平衡的条件下使N₂得到富集。从焦炉煤气中分离氢是基于炭分子筛孔隙内表面对不同气体分子的分子间力差异，焦炉煤气中的成分都可进入孔隙，氢分子最小，其吸附容量最低，故直接穿过吸附塔而被富集；其他成分则被吸附下来。

炭分子筛的应用炭分子筛主要用作吸附剂，色谱固定相及催化剂载体3个方面：(1)吸附剂，用于变压吸附工艺分离空气制取高纯氢气。(2)气相色谱固定相。在永久性和稀有气体及C，-G烃类的分析方面有优良性能。(3)催化剂载体，用于烃类的选择加氢或脱氢，其中用炭分子筛进行乙苯的催化氧化脱氢已实现工业化生产。

随炭分子筛应用范围的扩大，不同成分的分离机理尚需进一步研究。