小型變壓吸附模塊在冰箱控氧保鮮中的應(yīng)用

業(yè)明坤，陳 龍，楊伸其，鄭防震，譚發(fā)剛

（美的集團(tuán)中央研究院，廣東 佛山 528311）

隨著生活水平的不斷提高，人們?cè)絹?lái)越重視食品安全與健康問(wèn)題，果蔬保鮮則是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。冰箱作為果蔬貯藏的主要場(chǎng)所，目前其保鮮主要是通過(guò)控制溫度和相對(duì)濕度來(lái)實(shí)現(xiàn)的[1]。同時(shí)，科研人員也在不斷嘗試更多的新技術(shù)（真空/膜分離降低氧氣濃度、催化分解乙烯等）來(lái)提升果蔬的保鮮效果，延長(zhǎng)貯藏周期[1-3]。

變壓吸附法最早是由Skarstrom等人于1960年發(fā)明的[4]，并將其應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域中的空氣干燥和氫氣純化。1970年后，該技術(shù)得到進(jìn)一步開(kāi)發(fā)并被用于空氣制氧。變壓吸附制氧是利用沸石分子篩對(duì)氧氣、氮?dú)獾倪x擇性吸附來(lái)獲取高濃度的氧氣[5]。其工作過(guò)程主要包含加壓吸附和減壓解吸兩個(gè)步驟：隨著壓力的升高，沸石分子篩選擇性吸附氮?dú)猓鴮⒀鯕馀懦?，這樣就產(chǎn)生了高濃度的氧氣；隨著壓力的降低，被吸附的氮?dú)鈺?huì)從沸石分子篩脫附出來(lái)，實(shí)現(xiàn)吸附劑的再生；該過(guò)程反復(fù)循環(huán)，即可持續(xù)產(chǎn)生高濃度的氧氣[4-6]。變壓吸附制氧技術(shù)具有吸附壓力小、產(chǎn)氧率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，已在大型醫(yī)用供氧機(jī)、小型家用制氧機(jī)上得到廣泛應(yīng)用，并取得很好的效果[7]。目前，變壓吸附制氧的研究主要集中在工藝流程的改進(jìn)及新型高效吸附劑的開(kāi)發(fā)上[8-9]。

上述研究的主要目的是從空氣中獲取氧氣，而本工作結(jié)合冰箱保鮮的實(shí)際需求，對(duì)變壓吸附制氧技術(shù)進(jìn)行逆向應(yīng)用，以降低冰箱保鮮盒中的氧氣濃度，實(shí)現(xiàn)果蔬的長(zhǎng)效保鮮。受到冰箱可利用空間尺寸的限制，如何將變壓吸附裝置小型化并達(dá)到理想的保鮮效果具有較大的挑戰(zhàn)。本文系統(tǒng)研究并優(yōu)化了影響小型變壓吸附裝置制氧效率的多種因素，最高排氧體積分?jǐn)?shù)達(dá)到93%；通過(guò)搭建測(cè)試平臺(tái)，將小型變壓吸附裝置應(yīng)用于冰箱保鮮盒中，實(shí)現(xiàn)在30 min內(nèi)將其氧體積分?jǐn)?shù)控制在7.2%以下，從理論和試驗(yàn)上都證實(shí)了小型變壓吸附裝置可有效降低存儲(chǔ)空間的氧氣濃度，從而延長(zhǎng)果蔬的保鮮時(shí)間。

1 小型變壓吸附模塊在冰箱保鮮中的設(shè)計(jì)

小型變壓吸附模塊主要由吸附塔、電磁閥、氣泵等組成。吸附塔由兩個(gè)相同直徑與高度的圓柱體組成，中間填充有沸石分子篩，工作過(guò)程中，一個(gè)吸附塔進(jìn)行吸附，另一個(gè)吸附塔進(jìn)行解吸，兩者交替工作以實(shí)現(xiàn)持續(xù)排氧。電磁閥用于切換控制氣路；氣泵則是將氣體送入吸附塔并具有增壓功能。將小型變壓吸附模塊小型化設(shè)計(jì)并搭載在冰箱中，能夠高效、快速地將保鮮盒中的氧氣排走，而解吸再生的富氮?dú)怏w則返回保鮮盒中，如此反復(fù)循環(huán)，則可以持續(xù)降低保鮮盒中氧氣的濃度，實(shí)現(xiàn)果蔬保鮮。

圖1為小型變壓吸附模塊在冰箱上應(yīng)用的工藝流程圖，具體工作流程如下：保鮮盒的空氣經(jīng)過(guò)氣泵加壓，經(jīng)過(guò)兩位三通電磁閥A，當(dāng)電磁閥A通電時(shí)，將空氣流向吸附塔A，吸附塔A進(jìn)行吸附；此時(shí)，兩位三通閥B斷電，吸附塔B的壓力降低，氣體從沸石分子中篩釋放出來(lái)，經(jīng)過(guò)兩位三通閥輸送至保鮮盒。當(dāng)電磁閥A斷電時(shí)，加壓后的空氣經(jīng)過(guò)兩位三通閥A，將空氣流向吸附塔B；此時(shí)，兩位三通閥B通電，吸附塔A的壓力降低，氣體從沸石分子中篩釋放出來(lái)，經(jīng)過(guò)兩位三通閥輸送至保鮮盒。

圖1 小型變壓吸附模塊在冰箱保鮮上應(yīng)用的工藝流程Fig.1 Processflow of the application of small PSA module in refrigerator fresh-keeping

當(dāng)吸附塔A處于升壓吸附狀態(tài)時(shí)，吸附塔B則處于降壓解吸狀態(tài)。氧氣經(jīng)過(guò)單向閥A排向儲(chǔ)氧罐的同時(shí)，一部分氧氣會(huì)經(jīng)過(guò)沖洗孔排向吸附塔B對(duì)其進(jìn)行反向沖洗，去除殘留氮?dú)?，使解吸更加徹底，提高沸石分子篩的再生能力。該過(guò)程完成后，兩位三通閥A和B會(huì)進(jìn)行切換，使吸附塔A和B交替進(jìn)行工作。在氧氣罐的出口位置設(shè)置有氧氣分析儀1，用于測(cè)量排出的氧氣濃度，此測(cè)量數(shù)值為排氧體積分?jǐn)?shù)；調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)則是用于調(diào)節(jié)和監(jiān)測(cè)氧氣的流量。

通過(guò)對(duì)變壓吸附制氧的逆向應(yīng)用，將保鮮盒中的氧氣不斷排走，能夠?qū)崿F(xiàn)低氧保鮮。在保鮮盒中設(shè)置有氧氣分析儀2，用于測(cè)量保鮮盒的氧氣濃度，此測(cè)量數(shù)值為保鮮盒內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)氧體積分?jǐn)?shù)。氧氣不斷被排出造成保鮮盒內(nèi)部的氣壓變小，通過(guò)單向閥C向保鮮盒中補(bǔ)充一定量的空氣，從而實(shí)現(xiàn)壓力平衡。

2 小型變壓吸附模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)并制作了小型變壓吸附模塊，探討了3個(gè)主要因素對(duì)保鮮盒控氧效果的影響，包含吸附劑的選型、吸附時(shí)間、沖洗孔直徑。

2.1 吸附劑的選型

對(duì)于小型變壓吸附模塊，需要選擇具有高性能的沸石分子篩，可以有效減小裝置的體積。因此，選擇LiX型沸石分子篩這種產(chǎn)氧效率高的材料作為吸附劑[10-12]，其具體性能參數(shù)參見(jiàn)表1。

表1 LiX型沸石分子篩吸附劑的主要規(guī)格參數(shù)Table 1 Main parameters of LiX zeolite adsorbent

2.2 吸附時(shí)間對(duì)小型變壓吸附模塊的影響

吸附時(shí)間是指吸附塔從開(kāi)始進(jìn)氣到停止進(jìn)氣的時(shí)間間隔，即電磁閥A或B的動(dòng)作間隔時(shí)間。試驗(yàn)研究了模塊在小排氧量下，吸附時(shí)間分別為2、3、4、5、6 s時(shí)對(duì)排氧體積分?jǐn)?shù)的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 吸附時(shí)間對(duì)排氧體積分?jǐn)?shù)的影響Fig.2 Effect of adsorption time on the exhausted oxygen volume fraction

由圖2可以看出，排氧體積分?jǐn)?shù)隨吸附時(shí)間的延長(zhǎng)先增大后減小，在吸附時(shí)間為4 s時(shí)，達(dá)到最大值（93%）。這是因?yàn)槲綍r(shí)間小于4 s時(shí)，進(jìn)入吸附塔的空氣量相對(duì)較少，分子篩未達(dá)到充分吸附；當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)到4 s時(shí)，分子篩基本達(dá)到飽和吸附狀態(tài)，如果再增加吸附時(shí)間，則進(jìn)入吸附塔的氮?dú)鉄o(wú)法被充分吸附，一部分氮?dú)鈺?huì)穿透吸附塔，造成排氧體積分?jǐn)?shù)反而減小[13-14]。因此，確定最佳吸附時(shí)間為4 s。

2.3 沖洗孔直徑對(duì)小型變壓吸附模塊的影響

當(dāng)吸附塔A在降壓解吸后，吸附劑中仍有一小部分氮?dú)鉄o(wú)法排除。利用從吸附塔B中排出的氣體通過(guò)沖洗孔對(duì)吸附塔A進(jìn)行反沖洗尤為重要，通過(guò)反沖洗，可去除殘留氮?dú)?，使解吸更徹底，提高沸石分子篩的再生能力。本試驗(yàn)研究了模塊在小排氧量下，沖洗孔直徑分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 mm時(shí)對(duì)排氧體積分?jǐn)?shù)的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 沖洗孔直徑對(duì)排氧體積分?jǐn)?shù)的影響Fig.3 Effect of flushing holediameter on the exhausted oxygen volume fraction

由圖3可以看出，排氧體積分?jǐn)?shù)隨沖洗孔直徑的增加先增大后減小，在沖洗孔直徑為0.5 mm時(shí)，達(dá)到最大值（93%）。這是因?yàn)閺臎_洗孔引入的氧氣提高了分子篩的解吸再生效果，但隨著沖洗孔孔徑的不斷增加，引入的氧氣量過(guò)多，反而會(huì)導(dǎo)致輸出的氧體積分?jǐn)?shù)減少[14]。因此，確定最佳沖洗孔直徑為0.5 mm。

3 小型變壓吸附模塊在冰箱保鮮上的試驗(yàn)研究

上述研究確定了小型變壓吸附模塊的最佳排氧參數(shù)。將該模塊搭載到冰箱的保鮮盒中，對(duì)其進(jìn)行循環(huán)排氧。隨著保鮮盒中氧氣濃度的降低，進(jìn)入小型變壓吸附模塊的空氣中氧體積分?jǐn)?shù)不再是固定值，而是不斷減小。同時(shí)，由于保鮮盒不斷向外排氧，其內(nèi)部的氣壓逐漸變小，需通過(guò)單向閥C補(bǔ)充一定量的空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力平衡。保鮮盒中的氧體積分?jǐn)?shù)（Cn）可以用以下公式表示：

式中：V0為冰箱保鮮盒的容積，設(shè)定為20 L；Cn為排氧n min后，保鮮盒內(nèi)的氧體積分?jǐn)?shù)；Cn-1為前1 min保鮮盒的氧體積分?jǐn)?shù)；V為排氧的流量，即從單向閥C向保鮮盒中補(bǔ)充空氣的流量；Cx為排氧體積分?jǐn)?shù)，它是會(huì)隨著保鮮盒中氧體積分?jǐn)?shù)的減小而不斷減??；20.9%表示補(bǔ)充空氣的氧體積分?jǐn)?shù)。

需要注意的是：在相同條件下，當(dāng)V越小時(shí)，Cx排氧體積分?jǐn)?shù)會(huì)越大；當(dāng)V越大時(shí)，Cx排氧氣體分?jǐn)?shù)會(huì)越小。因此，如何設(shè)計(jì)排氧的流量V顯得尤為關(guān)鍵。若排氧的流量V過(guò)小，雖然排氧體積分?jǐn)?shù)Cx相對(duì)較大，但減少的總氧量下降較慢，最終，綜合排氧效率不高；若排氧的流量V過(guò)大，相應(yīng)的排氧體積分?jǐn)?shù)Cx就相對(duì)較小，綜合排氧效率也會(huì)不高，所以V存在一個(gè)合理的值。排氧的流量V分別設(shè)定為0.2、0.3、0.4、0.5 L/min進(jìn)行研究，結(jié)果如圖4所示。

圖4 排氧流量對(duì)保鮮盒中氧體積分?jǐn)?shù)的影響Fig.4 Effect of oxygen removal flow rate on the oxygen volume fraction in fresh-keeping box

由圖4可以看出，保鮮盒中的氧體積分?jǐn)?shù)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)不斷減小，不同排氧流量下，保鮮盒中的氧體積分?jǐn)?shù)減小速度不同；隨著排氧流量的增加，保鮮盒中的氧體積分?jǐn)?shù)下降速度反而減小。當(dāng)排氧流量為0.3 L/min時(shí)，保鮮盒中的氧體積分?jǐn)?shù)下降最快，裝置運(yùn)行30 min后其值達(dá)到最小7.2%。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)變壓吸附制氧進(jìn)行逆向應(yīng)用，利用LiX型沸石分子篩對(duì)氮?dú)夂脱鯕獾倪x擇性吸附，設(shè)計(jì)并制作了小型變壓吸附模塊，進(jìn)一步對(duì)該小型變壓吸附模塊進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使排氧體積分?jǐn)?shù)達(dá)到93%。將該裝置應(yīng)用于冰箱的保鮮盒中，可高效地將其中的氧氣排走并將再生的氣體送回保鮮盒中，持續(xù)排氧以獲得極低氧體積分?jǐn)?shù)的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)果蔬的長(zhǎng)效保鮮。