Die effiziente Trennung von Gasen aus der Umgebungsluft ist ein grundlegender Prozess für zahlreiche Industrien. Von der Bereitstellung inerter Atmosphären bis hin zur Ermöglichung spezifischer chemischer Reaktionen sind Reinheit und Verfügbarkeit von Gasen wie Stickstoff und Sauerstoff von größter Bedeutung. Die Druckwechseladsorption (PSA)-Technologie hat sich als führende Methode für die Gaserzeugung vor Ort etabliert, und im Kern liegt die Auswahl geeigneter Adsorptionsmaterialien. Kohlenstoff-Molekularsiebe (CMS) zeichnen sich als kritische Komponenten bei der Optimierung dieser Luftzerlegungsprozesse aus, insbesondere bei der Erzeugung von hochreinem Stickstoff.

Die Grundlage der Luftzerlegung: Adsorptionsmaterialien

Umgebungsluft ist ein Gemisch von Gasen, hauptsächlich Stickstoff (ca. 78 %), Sauerstoff (ca. 21 %) und geringere Mengen an Argon, Kohlendioxid und anderen Spurengasen. Die Trennung dieser Komponenten erfordert Materialien mit spezifischen Eigenschaften, die bestimmte Moleküle selektiv einfangen können, während andere passieren. Adsorptionsmaterialien wie Zeolithe und Kohlenstoff-Molekularsiebe erreichen dies durch physikalische oder chemische Wechselwirkungen innerhalb ihrer porösen Strukturen. Der Schlüssel liegt in der präzisen Abstimmung dieser Strukturen – Porengröße, Porenvolumen und Oberflächenchemie –, um basierend auf Größe, Form und Polarität unterschiedlich mit verschiedenen Gasmolekülen zu interagieren.

Kohlenstoff-Molekularsiebe (CMS) in der Luftzerlegung: Ein selektiver Ansatz

Während Zeolithe (insbesondere Typen wie 13X) üblicherweise zur Sauerstofferzeugung durch Adsorption von Stickstoff verwendet werden, sind Kohlenstoff-Molekularsiebe mit einem anderen Selektivitätsprofil entwickelt, was sie ideal für die Stickstofferzeugung macht. CMS besitzen eine einzigartige mikroporöse Struktur mit Porengrößen, die typischerweise zwischen 0,3 und 0,7 Nanometern (3 bis 7 Ångström) liegen. Diese Größenordnung ist von entscheidender Bedeutung, da sie eine selektive Adsorption kleinerer Gasmoleküle wie Sauerstoff auf der Grundlage ihres kinetischen Durchmessers und ihrer Diffusionsgeschwindigkeit ermöglicht und gleichzeitig größere Moleküle wie Stickstoff effektiv ausschließt.

In einem PSA-System zur Stickstofferzeugung wird Druckluft durch ein CMS-Bett geleitet. Die Sauerstoffmoleküle, die aufgrund ihrer kleineren Größe eine schnellere Diffusionskinetik aufweisen, dringen in die Poren des CMS ein und werden adsorbiert. Stickstoffmoleküle, die größer sind und langsamer diffundieren, werden weniger leicht adsorbiert und passieren daher das Bett. Diese differentielle Adsorptionsrate ist die treibende Kraft hinter dem Trennprozess. Wenn das CMS-Bett mit Sauerstoff gesättigt ist, schaltet das System in eine Regenerationsphase, in der reduzierter Druck die Freisetzung des adsorbierten Sauerstoffs bewirkt und das CMS für nachfolgende Zyklen wiederherstellt. Dieser kontinuierliche Zyklus aus Adsorption und Regeneration, gesteuert durch ausgeklügelte Ventilsysteme, ermöglicht die konstante Produktion von hochreinem Stickstoff.

Wichtige industrielle Anwendungen, die durch CMS optimiert werden:

  • Elektronik- und Halbleiterfertigung: Die Herstellung empfindlicher elektronischer Bauteile erfordert eine ultrareine, inerte Atmosphäre, um Oxidation und Kontamination zu verhindern. Stickstoffgeneratoren auf CMS-Basis liefern diese kritische Umgebung und gewährleisten die Qualität und Zuverlässigkeit von Mikrochips und Leiterplatten. Die Präzision der von CMS angebotenen Trennung ist für diese anspruchsvollen Anwendungen unerlässlich.
  • Lebensmittelverpackung und -konservierung: Stickstoff wird häufig in der Verpackung unter modifizierter Atmosphäre (MAP) verwendet, um Sauerstoff zu verdrängen, der Verderb und Abbau von Lebensmittelprodukten verursacht. Durch Spülen von Lebensmittelverpackungen mit Stickstoff, der über CMS-PSA-Systeme erzeugt wird, können Hersteller die Haltbarkeit erheblich verlängern, die Frische erhalten und den Nährwert und Geschmack ihrer Produkte bewahren. Die hohe Reinheit des erzeugten Stickstoffs ist unerlässlich, um unerwünschte Reaktionen mit dem Lebensmittel zu verhindern.
  • Chemische und petrochemische Industrie: In diesen Sektoren dient Stickstoff als Inertisierungsmittel, das Brände und Explosionen verhindert, indem er Sauerstoff in Tanks und Prozessbehältern verdrängt. Er wird auch zum Spülen von Rohrleitungen und Reaktoren sowie als Trägergas in der Chromatographie eingesetzt. Die konsistente hohe Reinheit des von CMS erzeugten Stickstoffs ist für die Prozesssicherheit und Produktqualität entscheidend.
  • Metallbehandlung und Wärmebehandlung: Glüh-, Härte- und Sinterprozesse in der Metallurgie erfordern oft kontrollierte Atmosphären, um Oxidation und Entkohlung von Metallteilen zu verhindern. Stickstoff, der von CMS-PSA-Systemen erzeugt wird, liefert eine zuverlässige und kostengünstige Inertatmosphäre für diese kritischen Wärmebehandlungen und verbessert Materialeigenschaften und Oberflächenbeschaffenheit.
  • Laserschneiden und -schweißen: Stickstoff dient als Prozessgas beim Laserschneiden und -schweißen, insbesondere für Edelstahl und Aluminium. Er hilft, eine saubere, oxidfreie Schnittkante zu erzeugen und verhindert, dass das Werkstück während des Prozesses oxidiert, was zu hochwertigeren Oberflächen und erhöhter Effizienz führt.

Die Vorteile von CMS in der Luftzerlegung:

Die weit verbreitete Akzeptanz von CMS in der industriellen Luftzerlegung beruht auf mehreren Hauptvorteilen:

  • Hohe Selektivität und Reinheit: CMS ist speziell für die selektive Adsorption von Sauerstoff konzipiert, was zu einer außergewöhnlich hohen Stickstoffreinheit führt.
  • Energieeffizienz: PSA-Systeme, die CMS verwenden, arbeiten bei Umgebungstemperaturen und sind daher deutlich energieeffizienter als kryogene Trennverfahren, insbesondere für geringere Volumenanforderungen.
  • Erzeugung vor Ort: Diese Technologie ermöglicht die kontinuierliche Erzeugung von Stickstoff nach Bedarf direkt am Einsatzort, wodurch die Kosten und logistischen Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Transport und der Lagerung von flüssigem oder gasförmigem Stickstoff entfallen.
  • Zuverlässigkeit und Langlebigkeit: Bei richtiger Wartung haben CMS-Betten eine lange Lebensdauer und bieten über viele Jahre hinweg eine zuverlässige Leistung.
  • Kompakte Stellfläche und Automatisierung: PSA-Einheiten sind in der Regel kompakt, vollautomatisch und erfordern minimale Bedienereingriffe, was Installation und Betrieb vereinfacht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Kohlenstoff-Molekularsiebe nicht nur passive Materialien sind, sondern aktive Teilnehmer bei der Optimierung industrieller Prozesse. Ihre Fähigkeit, Gase selektiv aus der Luft zu trennen, insbesondere Sauerstoff von Stickstoff, macht sie zu unverzichtbaren Komponenten der PSA-Technologie. Durch die Ermöglichung einer effizienten, kostengünstigen und zuverlässigen Erzeugung von hochreinem Stickstoff vor Ort spielt CMS eine entscheidende Rolle für die Sicherung der Qualität, Sicherheit und Produktivität von Betrieben in einer Vielzahl von Branchen.