實(shí)驗(yàn)室在日常科研工作中對(duì)高純氮?dú)庥兄鴱V泛需求，例如作為分析儀器的載氣、保護(hù)氣或提供惰性環(huán)境等制氮機(jī)。傳統(tǒng)上，實(shí)驗(yàn)室通常通過(guò)高壓鋼瓶或液態(tài)氮杜瓦罐來(lái)供應(yīng)氮?dú)?。然而，這些傳統(tǒng)供氣方式存在諸多不足：鋼瓶需要反復(fù)更換和運(yùn)輸，液氮存在蒸發(fā)損耗和低溫操作的安全風(fēng)險(xiǎn)。這不僅增加了實(shí)驗(yàn)成本和管理難度，也隱含著能源浪費(fèi)。近年來(lái)，小型制氮機(jī)（又稱(chēng)小型氮?dú)獍l(fā)生器）在實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用日益普及。尤其是基于PSA（變壓吸附）技術(shù)的制氮設(shè)備，因其高效節(jié)能、供氣穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，正成為科研和技術(shù)人員青睞的實(shí)驗(yàn)室氮?dú)夤┙o方案。本文將以科普和學(xué)術(shù)視角，深入探討小型PSA制氮機(jī)在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，包括其工作原理、技術(shù)特點(diǎn)以及與傳統(tǒng)供氮方式的性能對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)室氮?dú)夤?yīng)需求與傳統(tǒng)方法

在現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室中，氮?dú)獬Ｓ糜跉庀嘧V（GC）、液質(zhì)聯(lián)用（LC-MS）、ICP-MS等分析儀器作為載氣或霧化氣，還用于手套箱、生物培養(yǎng)以及食品研發(fā)中的惰性保護(hù)氣氛制氮機(jī)。對(duì)實(shí)驗(yàn)室而言，氮?dú)夤?yīng)需要具有高純度、連續(xù)穩(wěn)定、使用安全等特征。傳統(tǒng)的兩種供氮方式各有局限：

高壓鋼瓶供氣： 常見(jiàn)的高壓氮?dú)怃撈客ǔＬ峁?9.999%的高純氮?dú)?strong>制氮機(jī)。盡管純度有保障，但實(shí)驗(yàn)室需定期更換鋼瓶，這意味著反復(fù)的運(yùn)輸和搬運(yùn)。不僅如此，每個(gè)鋼瓶在用盡前往往還殘留一定壓力的氮?dú)鉄o(wú)法利用，造成氣體浪費(fèi)。而鋼瓶的充裝是在工業(yè)空氣分離裝置中完成的，這一過(guò)程本身耗費(fèi)大量能源，將液態(tài)空氣分餾以提取氮?dú)?，然后再加壓?chǔ)存。對(duì)于用量不大的實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)，從工廠制取并運(yùn)輸鋼瓶氮?dú)猓谡麄€(gè)鏈條上實(shí)際上單位能耗較高。同時(shí)，儲(chǔ)存多瓶高壓氣體還存在安全隱患，占用實(shí)驗(yàn)室空間。

液態(tài)氮杜瓦罐供氣： 一些實(shí)驗(yàn)室選擇采購(gòu)液氮罐并通過(guò)氣化供氣制氮機(jī)。液氮同樣由大型空分設(shè)備制取，儲(chǔ)存在杜瓦罐中。使用時(shí)通過(guò)汽化器將液氮變?yōu)闅鈶B(tài)氮輸出。這種方式適合瞬時(shí)用氣量較大的情況，但對(duì)于一般實(shí)驗(yàn)室而言存在蒸發(fā)損失——液氮在儲(chǔ)存期間不斷有天然蒸發(fā)，未使用的部分也會(huì)逐漸散失掉。此外，液氮溫度低達(dá)-196℃，操作不當(dāng)有凍傷風(fēng)險(xiǎn)，儲(chǔ)存容器也需定期維護(hù)。能源角度看，小規(guī)模使用液氮并不經(jīng)濟(jì)，因其制備和低溫維持過(guò)程能源投入很大，而小批量運(yùn)輸同樣增加碳排放。

鑒于上述問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)室迫切需要一種按需制氮、經(jīng)濟(jì)高效且安全可靠的解決方案制氮機(jī)。小型制氮機(jī)正是在這種需求下應(yīng)運(yùn)而生的，它可以直接在現(xiàn)場(chǎng)從空氣中提取氮?dú)猓S用隨產(chǎn)，極大改善了傳統(tǒng)供氣模式的不足。

PSA變壓吸附制氮的原理

小型制氮機(jī)通常采用變壓吸附（Pressure Swing Adsorption, PSA）技術(shù)來(lái)制取氮?dú)?strong>制氮機(jī)。PSA制氮原理基于空氣中各組分氣體在特定吸附劑表面的吸附能力差異，實(shí)現(xiàn)氮?dú)馀c氧氣的分離。工作介質(zhì)一般是碳分子篩（Carbon Molecular Sieve, CMS），其微孔結(jié)構(gòu)對(duì)氧氣分子具有更強(qiáng)的吸附作用，而對(duì)氮?dú)夥肿拥奈较鄬?duì)較弱。

PSA制氮過(guò)程在常溫下進(jìn)行制氮機(jī)，可概括為以下循環(huán)步驟：

加壓吸附： 空氣首先經(jīng)空氣壓縮機(jī)壓縮并純化處理（除去油、水和塵粒），得到潔凈的壓縮空氣制氮機(jī)。然后壓縮空氣通入裝有碳分子篩的吸附塔。在一定壓力（通常5～8 bar）的條件下，碳分子篩迅速吸附空氣中的氧氣、二氧化碳和水汽等成分，氮?dú)庖虿灰妆晃蕉谒?nèi)富集，從出口端流出。這一步產(chǎn)出一定純度的氮?dú)?。通過(guò)調(diào)節(jié)壓力和流速，PSA系統(tǒng)可以制得從約90%一直到99.999%不等純度的氮?dú)?，以滿足不同應(yīng)用需求。

降壓解吸： 吸附塔在工作一段時(shí)間后，吸附劑表面對(duì)氧的吸附趨于飽和制氮機(jī)。此時(shí)切換閥令該塔減壓至常壓甚至真空，已吸附的氧氣等雜質(zhì)氣體從分子篩表面解吸出來(lái)并被排放掉，從而再生恢復(fù)分子篩的吸附能力。解吸過(guò)程中可能伴有少量產(chǎn)出的氮?dú)庖煌趴?，但這是為了充分清掃吸附劑表面，確保下次循環(huán)的純度。

雙塔循環(huán)： 為了連續(xù)不間斷地制氮，PSA制氮機(jī)通常配置兩個(gè)（或更多）吸附塔交替運(yùn)行制氮機(jī)。當(dāng)一塔處于加壓吸附產(chǎn)氮階段時(shí)，另一塔則處于減壓再生狀態(tài)。兩個(gè)塔輪流切換，就可保證氮?dú)庠丛床粩噍敵?。這個(gè)雙塔系統(tǒng)設(shè)計(jì)使得PSA制氮過(guò)程能夠連續(xù)供應(yīng)穩(wěn)定的氮?dú)饬?，而不?huì)因?yàn)閱嗡偕袛喙狻?/p>

通過(guò)上述循環(huán)，PSA裝置能夠高效地從空氣（約78%氮、21%氧的混合物）中提取出高純度氮?dú)?strong>制氮機(jī)。由于該過(guò)程在常溫下進(jìn)行，無(wú)需深冷設(shè)備，且吸附和解吸通過(guò)壓力變化實(shí)現(xiàn)，不涉及化學(xué)反應(yīng)，因而運(yùn)行穩(wěn)定可靠。PSA制氮機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，只需提供壓縮空氣和電力就能工作，屬于一種即插即用的實(shí)驗(yàn)室制氮方案。

值得一提的是，PSA技術(shù)由于利用物理吸附而極為節(jié)能：與深冷分離空氣相比，變壓吸附避免了高能耗的低溫液化過(guò)程；與膜分離技術(shù)相比，PSA更容易在小型裝置上實(shí)現(xiàn)高純度氮?dú)廨敵?strong>制氮機(jī)。綜上，PSA制氮為實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)供氮提供了一個(gè)簡(jiǎn)單高效且經(jīng)濟(jì)的途徑。

小型制氮機(jī)的節(jié)能技術(shù)優(yōu)勢(shì)

小型PSA制氮機(jī)在滿足實(shí)驗(yàn)室用氣要求的同時(shí)，體現(xiàn)出顯著的節(jié)能優(yōu)勢(shì)制氮機(jī)。以下從多個(gè)角度分析其節(jié)能優(yōu)點(diǎn)：

按需供氣，避免浪費(fèi)： 小型制氮機(jī)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)儀器的實(shí)際需求即時(shí)制氮制氮機(jī)。當(dāng)儀器消耗氮?dú)庠黾訒r(shí)，制氮機(jī)自動(dòng)提高產(chǎn)氣量；反之在閑置或低負(fù)載時(shí)，則減少產(chǎn)氣甚至?xí)簳r(shí)停機(jī)。這種按需生產(chǎn)方式確?！坝枚嗌?，產(chǎn)多少”，杜絕了傳統(tǒng)鋼瓶因?yàn)槭Ｓ鄽怏w無(wú)法利用或液氮蒸發(fā)損失所導(dǎo)致的浪費(fèi)。從能源利用看，按需供氣意味著每一度電都轉(zhuǎn)化為了有用的氮?dú)猱a(chǎn)出，而不會(huì)為了維持存儲(chǔ)狀態(tài)而白白消耗能量。

智能控制與高效運(yùn)行： 現(xiàn)代小型制氮設(shè)備普遍配備了智能控制系統(tǒng)，以優(yōu)化運(yùn)行效率制氮機(jī)。例如，許多機(jī)型采用空壓機(jī)智能啟停設(shè)計(jì)：當(dāng)檢測(cè)到后端用氣暫停時(shí)，空氣壓縮機(jī)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，減少不必要的空轉(zhuǎn)能耗；而當(dāng)用氣恢復(fù)，系統(tǒng)又能迅速喚醒壓縮機(jī)供氣。這樣的控制避免了設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，從而降低了電力消耗和設(shè)備磨損。另外，一些制氮機(jī)具備節(jié)能模式(ECO模式)，在部分負(fù)載或待機(jī)時(shí)進(jìn)一步降低功率輸出。還有廠家通過(guò)變頻技術(shù)優(yōu)化壓縮機(jī)運(yùn)行，使其轉(zhuǎn)速隨產(chǎn)氣需求動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而始終保持在高效率區(qū)間工作。

能耗指標(biāo)出： 得益于PSA技術(shù)的進(jìn)步和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，小型制氮機(jī)制取單位體積氮?dú)馑璧碾娔茱@著降低制氮機(jī)。據(jù)行業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，PSA制氮機(jī)在產(chǎn)出中等純度氮?dú)猓ㄈ?5%～99.5%）時(shí)，每制備1標(biāo)準(zhǔn)立方米氮?dú)饧s耗電0.2～0.3千瓦時(shí)；即使制取高純度氮?dú)猓?9.9%～99.999%），單位能耗一般也僅約0.4～0.6 kWh/Nm3。這樣的能耗水平對(duì)于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的供氣裝置而言相當(dāng)可觀，遠(yuǎn)優(yōu)于過(guò)去體積龐大、效率低下的小型空分設(shè)備。較低的能耗直接轉(zhuǎn)化為運(yùn)行成本的下降，也減少了實(shí)驗(yàn)室的用電負(fù)荷。這一優(yōu)點(diǎn)在需要長(zhǎng)期連續(xù)供氣的應(yīng)用（例如質(zhì)譜儀氣源連續(xù)運(yùn)行）中尤為明顯，長(zhǎng)時(shí)間累計(jì)的節(jié)能效益不容小覷。

減少額外能源開(kāi)銷(xiāo)： 采用現(xiàn)場(chǎng)制氮后，實(shí)驗(yàn)室不再依賴頻繁的氣體配送制氮機(jī)。這從宏觀上帶來(lái)了節(jié)能減排效益：每減少一次鋼瓶或液氮的運(yùn)輸，就減少了運(yùn)輸車(chē)輛的燃油消耗和廢氣排放。研究表明，一個(gè)典型的分析實(shí)驗(yàn)室若用小型制氮機(jī)替代鋼瓶供氣，年均可避免數(shù)百只鋼瓶的運(yùn)輸配送。這不僅降低了供氣相關(guān)的碳足跡，也為實(shí)驗(yàn)室節(jié)省了物流管理的隱性成本。此外，小型制氮機(jī)利用空氣這種取之不盡的原料來(lái)制備氮?dú)猓啾裙I(yè)制氮依賴大型設(shè)備與化石能源，顯然更具可持續(xù)性。

低熱損耗，降低冷卻負(fù)擔(dān)： 小型制氮設(shè)備多采用高效壓縮機(jī)和優(yōu)化的氣路設(shè)計(jì)，在運(yùn)行過(guò)程中熱量散發(fā)相對(duì)較少制氮機(jī)。一些最新產(chǎn)品聲稱(chēng)相比前代機(jī)型減少了近50%的余熱散發(fā)。這意味著制氮機(jī)在工作時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)室空調(diào)制冷負(fù)擔(dān)更小，間接進(jìn)一步節(jié)約了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境維持的能源消耗。相反，傳統(tǒng)鋼瓶減壓供氣時(shí)溫度急劇下降，有時(shí)需要加熱裝置來(lái)提升輸出氣體溫度，這部分也會(huì)增加額外能耗。小型制氮機(jī)由于在常溫下工作，輸出氮?dú)鉁囟冉咏覝兀瑹o(wú)需額外加熱，屬于更為節(jié)能的供氣方式。

維護(hù)簡(jiǎn)便壽命長(zhǎng)，降低綜合能耗： 小型PSA制氮機(jī)結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)，除了壓縮機(jī)和閥門(mén)外幾乎沒(méi)有大型旋轉(zhuǎn)或傳動(dòng)部件，故障率低且維護(hù)簡(jiǎn)單制氮機(jī)。長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性意味著設(shè)備無(wú)需頻繁更換零部件或報(bào)廢更新，這從生命周期角度降低了制造和處置設(shè)備所消耗的能源。更少的停機(jī)檢修也避免了因故障改用應(yīng)急供氣方案（如臨時(shí)鋼瓶）而產(chǎn)生的額外能源浪費(fèi)。

綜上所述，小型PSA制氮機(jī)通過(guò)按需生產(chǎn)、智能控制和高效分離等技術(shù)手段，將能源利用率最大化，在滿足實(shí)驗(yàn)室氮?dú)夤?yīng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗制氮機(jī)。這不僅為實(shí)驗(yàn)室節(jié)約運(yùn)行經(jīng)費(fèi)，也契合當(dāng)前綠實(shí)驗(yàn)室、低碳科研的理念。

小型制氮設(shè)備與傳統(tǒng)供氮方式對(duì)比

為了更直觀地了解小型制氮機(jī)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)制氮機(jī)，下面將小型PSA制氮設(shè)備與傳統(tǒng)的高壓鋼瓶及液氮供氣方式在關(guān)鍵性能上進(jìn)行對(duì)比：

供氮方式可供應(yīng)氮?dú)饧兌裙膺B續(xù)性安全性能耗及成本適用場(chǎng)景高壓鋼瓶供氣極高（99.999% 常見(jiàn)）非連續(xù)制氮機(jī)，需更換鋼瓶存在高壓氣體安全隱患，需儲(chǔ)存空間工廠制取氮?dú)夂哪芨?；運(yùn)輸頻繁且有成本用氣量低且間斷的場(chǎng)合，需有人管理鋼瓶液態(tài)氮杜瓦罐供氣極高（氣化后接近99.999%）可較連續(xù)（有一定儲(chǔ)備量）液氮超低溫有凍傷危險(xiǎn)，需防蒸發(fā)排氣制取液氮能耗極高；有靜態(tài)蒸發(fā)損耗用氣量較大但需注意通風(fēng)和安全小型PSA制氮機(jī)供氣可調(diào)范圍大（90%–99.999%）持續(xù)連續(xù)，按需產(chǎn)氣無(wú)高壓貯氣，常溫操作，安全性高現(xiàn)場(chǎng)制氮按需耗能；單位氮?dú)怆姾牡停\(yùn)行成本可控實(shí)驗(yàn)室日常用氣，持續(xù)穩(wěn)定供氣需求

表：小型PSA制氮機(jī)與傳統(tǒng)供氮方式性能比較

從上表可以看出，小型PSA制氮機(jī)在氮?dú)饧兌葷M足實(shí)驗(yàn)需求的前提下，具有連續(xù)供氣和安全環(huán)保的優(yōu)勢(shì)制氮機(jī)。尤其在能耗方面，小型制氮機(jī)只是利用電力驅(qū)動(dòng)空氣壓縮和物理吸附過(guò)程，其單位產(chǎn)氣能耗在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用尺度上更低、更可控；而傳統(tǒng)鋼瓶和液氮方式因涉及工業(yè)制備和運(yùn)輸儲(chǔ)存環(huán)節(jié)，總體能源投入更高且效率更低。值得注意的是，對(duì)于一般實(shí)驗(yàn)室所需的中等流量、高純度氮?dú)?，小型PSA制氮機(jī)幾乎可以完全替代鋼瓶供氣，不僅實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約和管理便利，其節(jié)能減排效益在科研行業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用后也將十分可觀。

此外，還有另一種實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)制氮技術(shù)是膜分離制氮制氮機(jī)。膜分離氮?dú)獍l(fā)生器通過(guò)中空纖維膜選擇性透過(guò)氧氣來(lái)富集氮?dú)猓Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開(kāi)機(jī)快速，適合獲得95%~99%純度的氮?dú)?。在能耗和維護(hù)方面，膜分離方式與PSA各有千秋：膜法沒(méi)有周期性切換損耗，但為了獲取較高純度往往需要犧牲一部分空氣作為吹掃，壓縮機(jī)仍是主要耗能部件。而PSA方式在追求高純度時(shí)更為有利。因此，對(duì)于需要**超高純氮?dú)猓ā?9.9%）**的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用，PSA小型制氮機(jī)是更明智的選擇；而在純度要求不太高且強(qiáng)調(diào)簡(jiǎn)便性的場(chǎng)合，膜分離制氮設(shè)備也可以作為補(bǔ)充方案?？傮w而言，兩種現(xiàn)場(chǎng)制氮技術(shù)都比傳統(tǒng)供氮方式具備明顯的能源效率優(yōu)勢(shì)。

小型PSA制氮機(jī)以其顯著的節(jié)能優(yōu)點(diǎn)和卓越的性能，正日益成為實(shí)驗(yàn)室氮?dú)夤?yīng)的理想選擇制氮機(jī)。通過(guò)變壓吸附這一高效物理分離原理，小型制氮設(shè)備能夠在常溫常壓下從空氣中提取高純氮?dú)?，?shí)現(xiàn)按需供應(yīng)、持續(xù)穩(wěn)定的氣源保障。它不僅減少了實(shí)驗(yàn)室對(duì)鋼瓶和液氮的依賴，降低了用氣成本和安全風(fēng)險(xiǎn)，更通過(guò)智能控制和高效率運(yùn)行最大程度地節(jié)約了能源。從生命周期看，小型制氮機(jī)有助于實(shí)驗(yàn)室降低整體碳排放，踐行綠科研的理念。對(duì)于科研和技術(shù)人員而言，引入小型制氮機(jī)意味著擁有自主可控的氮?dú)鈦?lái)源，可隨時(shí)滿足實(shí)驗(yàn)需求而無(wú)需擔(dān)心中斷，同時(shí)響應(yīng)了節(jié)能環(huán)保的時(shí)代要求。在未來(lái)，隨著PSA技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和能效提升，小型制氮機(jī)將在更多精密實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)場(chǎng)景中發(fā)揮關(guān)鍵作用，為建設(shè)節(jié)約能源、可持續(xù)發(fā)展的實(shí)驗(yàn)室提供堅(jiān)實(shí)支撐。