目前實驗室常用氮氣制取形式，分為兩個技術(shù)路線，一 個是采用中空纖維膜來分離出氮氣，一個是采用分子篩變壓 吸附技術(shù)來分離氮氣。

首先來講一下膜分離技術(shù)的原理，具體示意圖如下：

1 、 膜分離氮氣的原理

膜分離技術(shù)，把空氣加壓到一定壓力后，通過中空纖維膜管束，把空氣中的氧氣，一氧 化碳，二氧化碳，氫氣，水氣等成分擠壓過濾出纖維膜管壁，排到空氣中去，氮氣則被 截留在中空的纖維膜管中，從而不斷的產(chǎn)生氮氣。

2 、分離膜的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)

氮氣分離膜的核心材質(zhì)主要為高分子聚合物，主要以聚酰亞胺（Polyimide）。這類材料 然后通過特殊工藝制成中空纖維膜，膜的外徑一般 0.2-0.4 毫米，內(nèi)徑 0.1-0.2 毫米。這 個結(jié)構(gòu)可以承受比較高的壓力，具有優(yōu)秀的化學(xué)穩(wěn)定性和機械強度（因為這個特性，很 多廠家會宣傳分離膜可以“使用 ”10 年的原因），且中空纖維膜的膜壁上有納米級微孔，

用來實現(xiàn)氮氣和氧氣的分離。

3 、 有效使用壽命

在理想狀態(tài)中，氮氣分離膜的使用壽命通常為 4-6 年（指純度沒有太大衰減的壽命），但 是具體壽命取決于使用環(huán)境和維護水平。因為中空纖維膜膜壁的納米級微孔，很容易被 前段空氣中的雜質(zhì)堵塞（雜質(zhì)包括空氣中的微量油霧，顆粒物，水性溶解物等），而一 旦堵塞住微孔，則是不可逆的。因為膜分離等同于單向過濾，微孔越堵，過濾效率會越 來越差，即使膜的使用壽命沒到，但是因為過濾效率的下降，導(dǎo)致本來應(yīng)該被高壓擠出 中空纖維膜的 CO ，CO2，O2 等雜質(zhì)氣體不能很好的被擠壓出去，留在中空纖維膜中， 跟氮氣一起成為產(chǎn)品氣流向后端質(zhì)譜，這就是為什么膜分離的發(fā)生器，膜使用 1-2 年后， 氮氣純度下降比較大的原因。

4 、 膜的品牌和種類

一般質(zhì)量要求比較高的膜分離廠家，使用的是日本 UBE 的膜，而為了控制成本，現(xiàn)在 很多企業(yè)用的是韓國的膜，也有部分國產(chǎn)膜，每個膜的價格和理論使用壽命也不一樣， 同時分離效率也不盡相同。導(dǎo)致目前國內(nèi)膜分離發(fā)生器的價格也比較混亂。

5 、 膜分離的氮氣純度和吸附效率

一般膜分離理論值氮氣純度，可以做到 99.5%的。實際在質(zhì)譜應(yīng)用中，膜分離氮氣純度 大多數(shù)集中在 95%左右。吸附效率在 35-40%左右。

其次，我們講下分子篩變壓吸附的技術(shù)原理，具體示意圖如下：

1 、 分子篩變壓吸附技術(shù)原理：

分子篩變壓吸附技術(shù)是一種先進的氣體分離技術(shù)，它在當(dāng)今世界的現(xiàn)場供氣方面具有不 可替代的地位。通過吸附器里的碳分子篩（CMS）為吸附劑，在一定壓力下能夠很好的 吸附空氣中的氧氣、二氧化碳、水分等，而氮氣不易被吸附，從而產(chǎn)生氮氣。同時考慮 到吸附飽和性和釋放，所以一般分子篩吸附需要 2 個吸附器，交替工作，一個吸附器在 工作時，另外一個吸附器進行壓力釋放，排出被分子篩吸附住的氧氣，一氧化碳，二氧 化碳，水氣等氣體。

兩個吸附器交替進行吸附和再生，從而產(chǎn)生流量和純度穩(wěn)定的產(chǎn)品氮氣。兩只吸附器的 切換由控制系統(tǒng)智能控制自動完成。

2、 分子篩的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)

分子篩吸附技術(shù)所用的是一種多孔的棒狀碳顆粒，一般由椰殼通過特殊工藝制作而成。 一般直徑在 1.0-1.2 毫米，堆積密度 0.65-0.69g/ml，顆粒強調(diào)大于 38N。

3 、有效使用壽命

在理想狀態(tài)中，分子篩的使用壽命通常為 10-12 年，但是具體壽命同樣取決于使用環(huán)境 和維護水平。因為碳分子篩是柱狀多孔顆粒，里面很多納米級微孔，微孔容易被液態(tài)水 或油霧污染，從而導(dǎo)致分子篩內(nèi)部微孔被堵塞或者粉化，俗稱分子篩中毒現(xiàn)象，導(dǎo)致分 子式完全失效。所以采用分子篩吸附技術(shù)的廠家，對前端壓縮空氣的處理會相當(dāng)嚴格。

4、分子篩的品牌和種類

分子篩技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在半導(dǎo)體行業(yè)，制藥行業(yè)，熱處理行業(yè)等需要高純氮氣的領(lǐng) 域，工業(yè)級氮氣系統(tǒng)都是采用分子篩吸附技術(shù)。采用的分子篩目前主要是國產(chǎn)品牌，而 且基本上已經(jīng)壟斷國際市場。

5 、 分子篩技術(shù)的氮氣純度和吸附效率

一般分子篩技術(shù)理論值氮氣純度，可以做到 99.9995%的。實際在質(zhì)譜應(yīng)用中，分子篩分 離氮氣純度大多數(shù)集中在 98-99.5%左右。吸附效率在 50%左右。

通過前面的氮氣在質(zhì)譜應(yīng)用中的要求和兩種技術(shù)的分析，我們可以分別對兩種技術(shù)從多維度進行對比。

1 、 尺寸和重量

膜分離技術(shù)，因為結(jié)構(gòu)相對簡單，只有一根膜，所以在體積上會比較小，重量也更輕便。 而分子篩篩技術(shù)因為考慮到氮氣純度，根據(jù)工藝要求，設(shè)有 2 組吸附器，交替工作，重 復(fù)再生。同時也比膜分離多了一只空氣儲罐，所以在體積上相對較大，重量也更重一些。 但是在高度上，也是有廠家機型可以放在實驗臺或者質(zhì)譜桌下方。

2 、 噪音

如果單獨分開膜組件，膜分離的中空纖維膜是沒有任何噪音的，分子篩吸附會有氣動閥 切換的聲音。但是無論膜分離還是分子篩吸附技術(shù)，都需要壓縮空氣源，而壓縮空氣源 主要是由壓縮機提供，在一臺發(fā)生器中，壓縮機才是發(fā)生器的最大噪音源。所以從這個 層面來說，膜分離和分子篩技術(shù)噪音一樣，主要看各家對壓縮機噪音的處理效果。

3 、 純度

氮氣在不同儀器中，的確對純度的要求也不盡相同。在 LC-MS 中，氮氣主要是作為霧 化氣和吹掃氣，部分也作為碰撞氣。通常質(zhì)譜廠家要求氮氣純度底限是 95%。從這個方 面講，膜分離技術(shù)的正常氮氣純度僅僅剛達到這個起步線，而分子篩技術(shù)的氮氣純度可 以達到 97 以上，最高能到 99.5 以上%。在這里就得講下氮氣純度的國標定義，是指非 氧含量，也就是說 95%純度的氮氣里面氧氣含量是 5%，而 97%純度的氮氣，氧氣含量 是 3%，99%純度的氧氣含量是 1%。那么同樣的氮氣，如果是 95%純度和99%純度，氧 氣的含量不是百分之幾的關(guān)系，而是幾倍的關(guān)系。

4 、 露點，含水量

氮氣中的干燥程度，是由里面的水分含量決定的，一般露點在-25 度時候，水分含量為 629ppm，當(dāng)露點在-35 時候，水分含量在 220ppm，當(dāng)露點在-45 度時候，水分含量在71ppm。 一般因為膜分離的中空纖維膜是高分子聚合物，從物理結(jié)構(gòu)上來說，不怕水，不怕油霧，

也不怕雜質(zhì)，最多是管壁的微孔堵塞了，氮氣純度下降而已，所以有的廠家有的敢宣傳 使用壽命 10 年。而分子篩技術(shù)，因為分子篩的特殊性，導(dǎo)致分子篩技術(shù)對前端進氣質(zhì) 量近乎苛刻，所以一般會有熱交換冷凝系統(tǒng)，除水除油霧過濾系統(tǒng)，冷凍或膜分離深度 除水系統(tǒng)等多層級凈化系統(tǒng)，使得分子篩進氣質(zhì)量遠遠優(yōu)于膜分離的進氣質(zhì)量。同時， 因為分子篩也會吸附一定的水汽，所以分子篩技術(shù)出來的氮氣露點，一般介于-35至-45 之間，特別處理的分子篩技術(shù)，氮氣露點最高能到-65 以下。而膜分離一般在-25 左右。

很多膜分離設(shè)備，一旦沒有及時維護，空氣管路和氮氣管路都會有液態(tài)冷凝水出現(xiàn)，有 些廠家為此也加了所謂的液滴報警器。（配膜分離后端空氣管路，氮氣管理有液態(tài)水的 圖片）

5 、 壓縮機的負荷

因為膜分離的分離特點，在 95%純度時，吸附效率在 40%左右，而分子篩吸附技術(shù)，因 為吸附深度好，吸附容量大的特性，在 95%純度時，吸附效率在 52%左右。而吸附效率 的高低，直接決定了對前端進氣量的需求。所以同樣純度和流量下，分子篩吸附技術(shù)所 需的壓縮空氣量要小于膜分離的，壓縮機的負荷也更小。正是因為這個技術(shù)特性，在很 多大流量制氮系統(tǒng)中，基本都是采用分子篩吸附技術(shù)，因為流量越大，對應(yīng)能耗優(yōu)越性 越是得到凸顯。

6 、 維護保養(yǎng)

膜分離技術(shù)，的確移動部件少，甚至不需要運動部件，壓縮空氣直接流經(jīng)中空纖維膜即 可完成氮氣分離。而分子篩技術(shù)，不僅有兩組吸附器，同時還有控制閥和控制單元。但 是這些控制閥和控制單元，不屬于易損件和耗材，正常壽命范圍內(nèi)無需更換。而膜分離 和分子篩前端氣源和過濾系統(tǒng)，都是需要更換濾芯和壓縮機的密封圈和活塞環(huán)等易損件 耗材。在分離部分，因為膜分離是單向過濾，純度是逐年下降的，每年純度衰減率 15% 左右，所以如果膜分離發(fā)生器在使用 2-3 年后，純度一般都會下降到 90%以下，更有甚 者純度在 84%左右，氧含量 16%，比質(zhì)譜要求的 5%（95%純度下），高了 3 倍不止。所 以正常情況下，膜分離發(fā)生器如果需要維持基本純度，應(yīng)該需要每年更換分離膜，這個 費用就會遠遠高于常規(guī)的氣源部分的耗材費用。而分子篩吸附技術(shù)，因為是雙吸附器設(shè) 計，2 個吸附器輪流工作，往復(fù)更新，使得分子篩純度能夠持續(xù)得到保證，正常純度衰 減率在 1%左右。所以正常設(shè)計壽命周期里，一般不需要更換分子篩，這樣維護費用則 比膜分離的要低。如果膜分離不考慮純度，每年不更換中空纖維膜，則維保費用跟分子 篩類似。

7 、 設(shè)備初始購置價格

因為分子篩技術(shù)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有一定技術(shù)難度。因為有兩組吸附器，所以需要 有程序控制閥來控制 2 個吸附器的工作和循環(huán)再生。同時因為要對對吸附器的流速，吸

附周期，釋放周期進行精密控制，需要配置中央控制單元，數(shù)字模擬量處理模塊，電磁 閥，氣動閥等組件。而膜分離，只是壓縮機加上過濾組件，加上分離膜即可，特別簡單。 對比下來，分子篩技術(shù)成本要遠遠高于膜分離技術(shù)。有的膜分離廠家，同時也有分子篩 技術(shù)的發(fā)生器，同樣流量下，一般分子篩技術(shù)的發(fā)生器比膜分離的價格高 50%左右。（配 兩張技術(shù)的大致結(jié)構(gòu)流程圖）

綜上所述，分子篩吸附技術(shù)，在體積，重量和采購價格上沒有優(yōu)勢，但是在氮氣品 質(zhì)，純度，露點含量，使用壽命，維護保養(yǎng)費用上占有優(yōu)勢。