分子篩變壓吸附制氧技術(shù)工作原理及醫(yī)院應(yīng)用

劉玉紅

延安大學(xué)附屬醫(yī)院 供氧中心，延安 陜西 716000

0 前言

隨著近些年醫(yī)院規(guī)模的擴(kuò)大，病人的增多，鋼瓶供氧已不適應(yīng)中大型醫(yī)院發(fā)展的需要。醫(yī)用供氧技術(shù)也從病房的鋼瓶供氧發(fā)展到匯流排集中供氧。分子篩制氧方式以空氣為原料就地制氧，有效地避免了鋼瓶供氧由于外購(gòu)而導(dǎo)致氧氣質(zhì)量、數(shù)量和時(shí)間方面存在的風(fēng)險(xiǎn)。因此，近年來(lái)各大中型醫(yī)院的中心供氧系統(tǒng)愈來(lái)愈多的選用分子篩制氧機(jī)制氧，它不但實(shí)現(xiàn)了醫(yī)院制氧供氧的自主性，而且也成為了醫(yī)院現(xiàn)代化的硬件標(biāo)志之一。

1 分子篩變壓吸附技術(shù)發(fā)展歷程

分子篩變壓吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）氣體分離和提純技術(shù)是在20世紀(jì)60年代后，隨著環(huán)境保護(hù)及污染治理的要求而迅速發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，目前已經(jīng)在鋼鐵生產(chǎn)、氣體工業(yè)、電子工業(yè)、石油化工和醫(yī)療衛(wèi)生等諸多行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。1962年美國(guó)聯(lián)合碳化物公司（UCC）發(fā)現(xiàn)了分子篩對(duì)氣體的選擇性特性，并在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了對(duì)少數(shù)不同氣體的分離，隨即研制成功了世界上第一臺(tái)分子篩制氫工業(yè)裝置。隨著分子篩材料與工藝的不斷提升，20世紀(jì)70年代中期美國(guó)和德國(guó)首先將PSA技術(shù)應(yīng)用于空氣分離，獲得高純度氧氣，并廣泛應(yīng)用于化工及醫(yī)療領(lǐng)域。到20世紀(jì)80年代中期，化學(xué)工業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了分子篩性能快速提升，制氧設(shè)備小型化成為可能。1985年美國(guó)的Praxair公司研制的第一臺(tái)小型制氧機(jī)的問(wèn)世標(biāo)志著PSA技術(shù)小型化的開始。20世紀(jì)90年代初，產(chǎn)品意義上的醫(yī)用小型制氧機(jī)開始出現(xiàn)。美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)學(xué)會(huì)（ASTM）于1993年頒布了醫(yī)用小型制氧機(jī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（F1464-1993），國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織于1996年發(fā)布了醫(yī)用小型制氧機(jī)的安全性標(biāo)準(zhǔn)（ISO8359：1996）[1-4]。我國(guó)國(guó)家醫(yī)藥管理局于1998年4月8日發(fā)布了國(guó)家醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《YY/T0298-1998醫(yī)用分子篩制氧設(shè)備通用技術(shù)規(guī)范》,自1998年10月1日起實(shí)施[5-6]。這一標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施,為PSA技術(shù)在醫(yī)療保健領(lǐng)域的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用敞開了大門。對(duì)指導(dǎo)我國(guó)醫(yī)用分子篩制氧設(shè)備的研制、生產(chǎn)、使用和管理,提高醫(yī)用分子篩制氧設(shè)備的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益,都將起到積極的推動(dòng)作用。

2 PSA制氧技術(shù)工作原理

PSA的基本原理是利用空氣中的氮?dú)夂脱鯕庠诜惺肿雍Y（Zerolite Molecular Sieve，ZMS）上因壓力不同而吸附性能的差異，吸附容量隨壓力的變化而變化的特性，在平衡狀態(tài)下，分子篩優(yōu)先吸附氮?dú)饨M分，在提高壓力狀態(tài)下，氮的吸附高于低壓時(shí)的吸附容量，分子篩的脫附再生是靠改變操作壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即加壓吸附、減壓脫附，從而達(dá)到氧氮分離[7]。

“吸附”一詞最早由Kayser在1881年提出，意思是氣體在自由表面上的凝聚。現(xiàn)在國(guó)際上嚴(yán)格定義吸附為：一個(gè)或多個(gè)組分在界面上的富集或損耗[8]。變壓吸附就是指多孔固體材料與流體接觸，流體中的某一組分或多種組分累積在固體表面，通過(guò)壓力變換使流體發(fā)生數(shù)量和濃度改變的過(guò)程。吸附于多孔固體表面的組分脫出稱為脫附或解吸過(guò)程，為吸附的逆過(guò)程。通過(guò)吸附和解吸，可以達(dá)到流體中不同組分分離或凈化的目的。

制氧系統(tǒng)的核心部件是分子篩。目前，中小型醫(yī)用分子篩制氧設(shè)備常用的吸附劑是ZMS。ZMS是一種以沸石為主要原料，經(jīng)過(guò)特殊加工而成的白色顆粒，是一種半永久性吸附劑，在使用過(guò)程中注意防水，否則將失去吸附作用。PSA制氧常用的吸附劑是合成的ZMS，其中常用的是孔徑為5A的沸石分子，它是一種由陽(yáng)離子和帶負(fù)電荷的硅鋁氧骨架所構(gòu)成的極性吸附劑。氧氣和氮?dú)怆m為非極性物質(zhì)，但受沸石分子篩的影響會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極，誘導(dǎo)偶極和極性分子固有偶極之間存在著一種吸引力（誘導(dǎo)力），因氮?dú)獾恼T導(dǎo)力大于氧氣的誘導(dǎo)力，故分子篩對(duì)氮?dú)獾奈搅窟h(yuǎn)大于氧氣。當(dāng)空氣通過(guò)沸石分子篩時(shí)，氮?dú)鈨?yōu)先被分子篩吸附，并在其微孔內(nèi)富集，而氧氣僅少量被吸附，大部分通過(guò)分子篩成為產(chǎn)品氣[9-11]。

3 PSA制氧工作過(guò)程

空氣經(jīng)全性能空壓機(jī)壓縮，進(jìn)入多級(jí)過(guò)濾器去除絕大部分的微粒粉塵雜質(zhì)，然后，將熱空氣再經(jīng)過(guò)冷干機(jī)冷卻處理，排除空氣中的水分，最后進(jìn)入空氣儲(chǔ)罐緩沖、穩(wěn)壓，通過(guò)切換閥進(jìn)入已經(jīng)再生完畢處于工作狀態(tài)的吸附塔。在吸附塔內(nèi)，氮?dú)?、二氧化碳等氣體被分子篩吸附，氧氣從吸附塔頂部富積進(jìn)入氧氣緩沖罐。在氧氣緩沖罐的出口管路上，設(shè)置有取樣口，對(duì)氧氣的純度進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)合格的氧氣再經(jīng)粉塵過(guò)濾器和除菌過(guò)濾器過(guò)濾即獲得合格的醫(yī)用氧氣。為獲得連續(xù)穩(wěn)定的醫(yī)用氧氣，變壓吸附制氧設(shè)備設(shè)置兩座吸附塔，交替產(chǎn)氧，一座吸附產(chǎn)出氧氣時(shí)，另一座吸附器處于再生狀態(tài)，再生排出的其他組分氣體通過(guò)消音器消音排到室外。

4 應(yīng)用效果實(shí)例

我院于2009年購(gòu)進(jìn)溫州瑞氣空分設(shè)備有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為YSPO93-50、產(chǎn)氧量為50Nm3／h的變壓吸附制氧機(jī)兩臺(tái)。單機(jī)組運(yùn)行可滿足常規(guī)用氧需求，雙機(jī)組運(yùn)行可滿足高峰期用氧需求，同時(shí)還配備鋼瓶備用氧，以防停電等事故發(fā)生。我院使用這種供氧方式3年多來(lái)，在線監(jiān)測(cè)氧純度一直＞90%，供氧壓力≥0.45 MPa,完全符合《醫(yī)用分子篩制氧設(shè)備通用技術(shù)規(guī)范》的要求，滿足了我院患者（2000張床位）治療用氧的需求，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)院供氧的自主性，減少了頻繁換氧氣瓶帶來(lái)的一系列麻煩，使病人治療用氧更方便、快捷、安全、及時(shí)，為臨床科室治療、搶救用氧提供了保障。并且降低了供氧成本，深受臨床科室的歡迎。

5 PSA制氧的優(yōu)越性

（1）產(chǎn)品氣有害物質(zhì)含量低。由于極性越強(qiáng)或越容易被極化的分子，就越容易被吸附劑吸附，空氣中的酸、堿、二氧化碳、氧化物、鹵素等，均屬于分子極性很強(qiáng)的物質(zhì)，很難通過(guò)分子篩，這就保證了產(chǎn)品氣中含有對(duì)人體有害的成分較低[12]。所以用PSA所制取的氧氣中，有害物質(zhì)的含量均比國(guó)標(biāo)《GB8982醫(yī)用氧氣》中規(guī)定的還要低[13]。

（2）投資成本低。變壓吸附制氧相對(duì)于傳統(tǒng)的深冷法制氧方式，具有工藝流程簡(jiǎn)單、占地小、投資少等優(yōu)點(diǎn)，一般醫(yī)院都可以采用。

（3）安全環(huán)保。醫(yī)用變壓吸附制氧設(shè)備常溫低壓運(yùn)行，相對(duì)安全。制氧過(guò)程為物理吸附過(guò)程，無(wú)化學(xué)反應(yīng)，對(duì)環(huán)境無(wú)污染[14-15]。

6 PSA制氧技術(shù)發(fā)展前景

PSA氣體分離和提純技術(shù)是利用分子篩，依靠壓力的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)吸附和再生。通過(guò)選擇好的吸附劑，采用多層氣體過(guò)濾系統(tǒng)，選用適當(dāng)?shù)牧鞒蹋涂缮a(chǎn)出潔凈的符合標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)用氧氣[16]。此技術(shù)再生速度快、能耗低、屬于節(jié)能型氣體分離技術(shù)，特別適合在能源短缺的地方使用。

今后，隨著科技進(jìn)步，PSA將會(huì)在以下方面得到進(jìn)一步的發(fā)展：① 分子篩性能的提升。隨著新材料及納米技術(shù)的發(fā)展，分子篩的吸附性會(huì)極大地提高，而隨著添加元素的不斷豐富，產(chǎn)品氣的提純精度將越來(lái)越高[17-18]；② 過(guò)濾系統(tǒng)的創(chuàng)新。過(guò)濾系統(tǒng)的開發(fā)將為提高產(chǎn)品氣的分離效率、降低設(shè)備的功耗、提高設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性提供了新的可能；③ 吸附流程的優(yōu)化。吸附流程的優(yōu)化將為吸附設(shè)備效率的提高及成本的降低提供保證[19]。

7 結(jié)論

變壓吸附制氧是制氧技術(shù)的一次重大變革，該項(xiàng)技術(shù)正在迅速發(fā)展，應(yīng)用將更加廣泛。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的許多大中型醫(yī)院已經(jīng)采用這種方式供氧，是醫(yī)療供氧方式的重大改進(jìn)。變壓吸附制氧系統(tǒng)安全，使用方便，能很好地替代高壓鋼瓶。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，變壓吸附制氧技術(shù)在吸附劑、工藝流程、自動(dòng)控制等方面將得到不斷改進(jìn)和完善，使氧純度更高，成本更低，環(huán)境更加友好，為現(xiàn)代化醫(yī)院的建設(shè)提供更好的供氧選擇。

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