氮氣發(fā)生器作為實(shí)驗室常用設備之一，作為氮氣供氣源，用途廣泛。其中，對質(zhì)譜和氣相色譜的正常運行起到重要作用。那么，該如何選擇合適的氮氣發(fā)生器呢？膜分離技術(shù)和變壓吸附技術(shù)是現今氮氣發(fā)生器的兩種主要制氮技術(shù)。兩種制氮技術(shù)各有特點(diǎn)和優(yōu)勢。
膜分離技術(shù) 壓縮空氣通過(guò)中空纖維膜，由于不同氣體分子直徑不同，當空氣通過(guò)膜的時(shí)候，分子直徑較小的氧氣、二氧化碳和水蒸汽會(huì )通過(guò)中空纖維膜管道上的小孔，進(jìn)而排到大氣中去。在膜的出口，大分子直徑的氮氣分子和惰性氣體氬氣都被收集起來(lái)，輸送到應用設備。這種氮氣分離提取技術(shù)簡(jiǎn)單有效，無(wú)需任何移動(dòng)部件。
膜分離原理圖
變壓吸附技術(shù)
變壓吸附制氮的填充材料是碳分子篩，是一種多孔疏松的棒狀碳顆粒，當壓縮空氣通過(guò)碳分子篩時(shí)，同樣也是根據氣體分子直徑的不同，碳分子篩會(huì )吸附水汽和氧氣，但是，氮氣不會(huì )被吸附，從而被分離。變壓吸附的過(guò)程包括吸附解壓-重生階段。
變壓吸附原理圖
變壓吸附技術(shù)和膜分離技術(shù)來(lái)生產(chǎn)氮氣，各有優(yōu)勢。但是，對于某些特定的應用設備，使用其中的一種分離技術(shù)比另一種更有優(yōu)勢。具體使用哪種技術(shù)更好更合適要取決于應用和流速要求，不能一概而論。而需要強調的是，氮氣膜和碳分子篩都不是消耗品，都無(wú)需定期更換。
兩種技術(shù)對比來(lái)說(shuō)：
1.尺寸和重量
氮氣膜尺寸小，重量輕，結構緊湊，更輕盈小巧，甚至發(fā)生器能放在標準實(shí)驗臺下，這些對于空間很有限的實(shí)驗室而言無(wú)疑是好的選擇。
2.噪音
膜分離技術(shù)不產(chǎn)生任何噪音，這也就意味著(zhù)膜分離氮氣發(fā)生器能放在應用儀器旁邊，安靜地工作，無(wú)需將發(fā)生器放在另外一個(gè)房間，從而減少了管道延長(cháng)所產(chǎn)生的額外費用，也避免了管道漏氣的風(fēng)險。
3.純度
氮氣在不同分析儀器中所起的作用不同，所以對純度的需求也不同，LC-MS所用的氮氣主要作為霧化氣及保護氣，純度95%就全能滿(mǎn)足需求。理想化狀態(tài)下，變壓吸附所能達到的最大純度要優(yōu)于膜分離技術(shù)。但變壓吸附所產(chǎn)生的氮氣純度與進(jìn)氣量、壓力、氣源質(zhì)量都有很大的關(guān)系，如果氣源不潔凈或者氣量壓力不夠，那純度會(huì )大大降低，不能單純認為變壓吸附純度一定高。
4.露點(diǎn)，含水量
決定氮氣露點(diǎn)含水量的因素，除了分離技術(shù)外，進(jìn)氣質(zhì)量和過(guò)濾系統也至關(guān)重要。對于碳分子篩的變壓吸附，如果前端處理不當，不僅除水能力下降，而且會(huì )污染碳分子篩，久而久之碳分子篩就失去了吸附的能力。對于膜分離，如果有較好的前端處理和除水設計，同樣可以有效除水，降低露點(diǎn)。
5.空壓機的負荷
膜分離和變壓吸附對空氣氣量的需求不同。對于膜分離，純度越高，需要的空氣越多，空壓機負荷越大。對于變壓吸附，會(huì )有反吹現象，所以用氣量要遠高于理論值，不能簡(jiǎn)單的按照空氮比得出實(shí)際空氣量，相應空壓機負荷也大于理想情況。
6.維護保養
膜分離技術(shù)移動(dòng)部件少，所以維護簡(jiǎn)單。一旦發(fā)生器出了問(wèn)題，小而輕的氮氣膜占用空間小，讓發(fā)生器的維護以及零配件的更換都非常方便，同時(shí)，也降低了維護和維修成本，節約了時(shí)間。另外氮氣膜的工作無(wú)需很多電子部件的管理和控制，所以可以將更多的電子部件用于監控核心技術(shù)參數，保證了發(fā)生器的穩定性。變壓吸附相對移動(dòng)部件、電子控件都多，所以維修維護較為繁瑣。
綜上而言，在選擇氮氣發(fā)生器時(shí)，不能單一根據是膜分離技術(shù)還是變壓吸附技術(shù)決定好與壞，要根據實(shí)際情況和具體應用合理選擇。
二、氮氣發(fā)生器的類(lèi)型
根據氮氣可能用途的不同，氮氣發(fā)生器可分為以下幾種類(lèi)型：
1. PSA氮氣發(fā)生器
PSA氮氣發(fā)生器是利用分子篩技術(shù)，將空氣中的氧氣和水分吸附，從而提取出純度高、質(zhì)量穩定的氮氣。它常用于化工、電子、半導體、食品、醫藥以及其他多種工業(yè)領(lǐng)域。
PSA是 Pressure Swing Adsorption的簡(jiǎn)稱(chēng)，中文名為變壓吸附，1960年Skarstrom提出PSAZL，他以沸石分子篩為吸附劑，用一個(gè)兩床PSA裝置，從空氣中分離出富氧，該過(guò)程經(jīng)過(guò)改進(jìn)，于60年代投入了工業(yè)生產(chǎn)。1970年，PSA技術(shù)在工業(yè)應用取得了突破性的進(jìn)展，Zxian應用于空氣干燥與凈化。80年代，PSA技術(shù)的工業(yè)應用取得了突破性的進(jìn)展，主要應用在氮氧分離、空氣干燥等。其中，氮氧分離的技術(shù)進(jìn)展是把新型吸附劑碳分子篩與變壓吸附結合起來(lái)，將空氣中的氧氣和氮氣加以分離，從而獲得氮氣。
PSA制氮核心部件就是碳分子篩。碳分子篩在上世紀70年代興起的一種新型吸附劑，主要成分為元素碳，外觀(guān)為黑色柱狀固體。
它利用篩分的特性來(lái)達到分離O2 、N2的目的。在分子篩吸附雜質(zhì)氣體時(shí)，大孔和中孔只起到通道的作用，將被吸附的分子運送到微孔和亞微孔中，微孔和亞微孔才是真正起吸附作用的容積。碳分子篩內部包含有大量的微孔，這些微孔允許動(dòng)力學(xué)尺寸小的分子快速擴散到孔內，同時(shí)限制大直徑分子的進(jìn)入。由于這些氣體分子相對擴散速率的不同，因此它們可以被有效的分離。同時(shí)，在制造碳分子篩時(shí)，根據分子尺寸的大小，碳分子篩內部微孔分布應在0.28～0.38nm。在該微孔尺寸范圍內，氧氣可以快速通過(guò)微孔孔口擴散到孔內，而氮氣卻很難通過(guò)微孔孔口，從而達到氧、氮分離。
采用PSA方法的氮氣發(fā)生器可以根據用戶(hù)個(gè)人需要，制備不同純度的氮氣，Z高可達99.999%。
2. 空氣壓縮機式氮氣發(fā)生器
在壓縮機的工作過(guò)程中，通過(guò)對空氣壓縮處理，將氮氣和氧氣壓縮到相同的壓強下，然后利用分子篩分離工藝分離出氮氣。它通常應用于各種民用應用中，如氣象、口腔治療、氣體氣泡、人工呼吸等。
3. 膜分離式氮氣發(fā)生器
膜分離式氮氣發(fā)生器是利用具有吸附性能的特殊膜技術(shù)實(shí)現氧氣和氮氣的分離。它常用于制備高純度氮氣，如半導體制造、食品包裝材料、化學(xué)品、氣氣體氧化反應等。
三、氮氣發(fā)生器的應用領(lǐng)域
氮氣發(fā)生器在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中，得到了廣泛的應用，特別是在高科技工業(yè)方面。它的應用領(lǐng)域如下：
1. 半導體制造業(yè)
制造半導體過(guò)程中，需要用大量的高純度氮氣。氮氣發(fā)生器可以在不使用氣瓶的情況下，產(chǎn)生高純度氮氣，適用于半導體制造中的壓制、光刻、清洗和治療等過(guò)程。
2. 化學(xué)品制造業(yè)
在化學(xué)制造過(guò)程中，需要制備具有特殊用途的化學(xué)品，需要純度高、質(zhì)量穩定的氮氣。氮氣發(fā)生器可以在較短時(shí)間內，提供大量的高質(zhì)量氮氣，適用于溶劑回收、化學(xué)反應、脫水等過(guò)程。
3. 食品包裝業(yè)
食品儲存、保鮮和包裝均需要高純度氮氣。氮氣發(fā)生器可以使氧氣充分排除出包裝袋內，有效地延長(cháng)食物的保鮮期。使用高純度氮氣，可以將食品包裝氧氣含量降至一定水平，從而使得食品并不會(huì )變質(zhì)。
4. 果園、畜牧業(yè)及花卉產(chǎn)業(yè)
在果園、畜牧業(yè)及花卉產(chǎn)業(yè)，需要用到大量空氣來(lái)水分和處理空氣中的有害物質(zhì)，如甲醛、二氧化碳等。氮氣發(fā)生器可以很好地處理空氣中的這些成分，保障作物的正常生長(cháng)。
四、氮氣發(fā)生器的優(yōu)勢
1. 安全性高：氮氣發(fā)生器可以從空氣中產(chǎn)生高純度氮氣，避免了使用氣瓶的危險性和化學(xué)品的危險性。
2. 便于操作：氮氣發(fā)生器操作簡(jiǎn)單，不需要專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行管理和維護。
3. 經(jīng)濟實(shí)惠：與傳統氣瓶制氮比較，氮氣發(fā)生器在長(cháng)期使用中具有更明顯的成本優(yōu)勢。
4. 響應快捷：氮氣發(fā)生器能夠在短時(shí)間內提供大量的高純度氮氣，響應速度快，適用于多種需求。
5. 較少環(huán)境影響：氮氣發(fā)生器具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)，對環(huán)境影響較小。
五、氮氣發(fā)生器的發(fā)展趨勢
1. 智能化：隨著(zhù)人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，氮氣發(fā)生器也將實(shí)現智能化管控。智能化控制有助于提高操作效率和質(zhì)量水平，從而滿(mǎn)足不同行業(yè)的需求。
2. 多功能化：氮氣發(fā)生器還將不斷加強多功能實(shí)現，開(kāi)發(fā)創(chuàng )新性的應用方法，滿(mǎn)足多樣化、個(gè)性化的行業(yè)需求。
3. 小型化和便攜化：氮氣發(fā)生器的小型化和便攜化已成為行業(yè)發(fā)展趨勢。越來(lái)越多的行業(yè)應用需要小型或便攜的設備來(lái)提供所需的氣體，氮氣發(fā)生器將應運而生。
4. 高精度：對于一些嚴格要求氣體純度的行業(yè)，在氮氣發(fā)生器的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要提供更高的精度，以滿(mǎn)足不同企業(yè)的需求。
總之，氮氣發(fā)生器在現代工業(yè)中的應用越來(lái)越廣泛。隨著(zhù)技術(shù)的不斷升級和發(fā)展，其性能也將得到不斷提升。因此，氮氣發(fā)生器未來(lái)將在生產(chǎn)工藝、性能穩定性、能源效率和響應速度上發(fā)揮更重要的作用，從而不斷推動(dòng)工業(yè)的發(fā)展。
英國普拉勒科技有限公司提供的氮氣發(fā)生器系列產(chǎn)品展示：
零級高純氮氣發(fā)生器（氣相色譜專(zhuān)用)
2.零級高純氮氣發(fā)生器（氣相色譜專(zhuān)用)：NITROGEN-1200
零級高純氮氣發(fā)生器（氣相色譜專(zhuān)用)
3.氮氣發(fā)生器NITROGEN-B-45(液質(zhì)專(zhuān)用)
氮氣發(fā)生器NITROGEN-B-45(液質(zhì)專(zhuān)用)
4.液相質(zhì)譜聯(lián)用儀專(zhuān)用氮氣發(fā)生器（中空纖維膜)NITROGEN-M-30/60
液相質(zhì)譜聯(lián)用儀專(zhuān)用氮氣發(fā)生器（中空纖維膜)
5.質(zhì)譜專(zhuān)用氮氣發(fā)生器(變壓吸附)
NITROGEN-B-5 NITROGEN-B-10 NITROGEN-B-30
NITROGEN-B-60 NITROGEN-B-100 NITROGEN-B-200
質(zhì)譜專(zhuān)用氮氣發(fā)生器(變壓吸附)
6.氮氣發(fā)生器(氮吹儀專(zhuān)用)
NITROGEN-M-5/NITROGEN-M-10/NITROGEN-M-30
NITROGEN-M-60/NITROGEN-M-100/NITROGEN-M-200
氮氣發(fā)生器(氮吹儀專(zhuān)用)
7.半導體行業(yè)專(zhuān)用氮氣發(fā)生器（腔體保護氣,干泵吹掃氣)NITROGEN-M-100/200
半導體行業(yè)專(zhuān)用氮氣發(fā)生器（腔體保護氣,干泵吹掃氣)
8.HPLC(ELSD、CAD檢測器)專(zhuān)用氮氣發(fā)生器NITROGEN-B-5/10
HPLC(ELSD、CAD檢測器)專(zhuān)用氮氣發(fā)生器NITROGEN-B-5/10
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