分子筛变压吸附制氧技术工作原理及医院应用

刘玉红

延安大学附属医院 供氧中心，延安 陕西 716000

0 前言

随着近些年医院规模的扩大，病人的增多，钢瓶供氧已不适应中大型医院发展的需要。医用供氧技术也从病房的钢瓶供氧发展到汇流排集中供氧。分子筛制氧方式以空气为原料就地制氧，有效地避免了钢瓶供氧由于外购而导致氧气质量、数量和时间方面存在的风险。因此，近年来各大中型医院的中心供氧系统愈来愈多的选用分子筛制氧机制氧，它不但实现了医院制氧供氧的自主性，而且也成为了医院现代化的硬件标志之一。

1 分子筛变压吸附技术发展历程

分子筛变压吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）气体分离和提纯技术是在20世纪60年代后，随着环境保护及污染治理的要求而迅速发展起来的技术，目前已经在钢铁生产、气体工业、电子工业、石油化工和医疗卫生等诸多行业得到广泛的应用。1962年美国联合碳化物公司（UCC）发现了分子筛对气体的选择性特性，并在实验设备上实现了对少数不同气体的分离，随即研制成功了世界上第一台分子筛制氢工业装置。随着分子筛材料与工艺的不断提升，20世纪70年代中期美国和德国首先将PSA技术应用于空气分离，获得高纯度氧气，并广泛应用于化工及医疗领域。到20世纪80年代中期，化学工业的发展促进了分子筛性能快速提升，制氧设备小型化成为可能。1985年美国的Praxair公司研制的第一台小型制氧机的问世标志着PSA技术小型化的开始。20世纪90年代初，产品意义上的医用小型制氧机开始出现。美国材料实验学会（ASTM）于1993年颁布了医用小型制氧机标准规范（F1464-1993），国际标准组织于1996年发布了医用小型制氧机的安全性标准（ISO8359：1996）[1-4]。我国国家医药管理局于1998年4月8日发布了国家医药行业标准《YY/T0298-1998医用分子筛制氧设备通用技术规范》,自1998年10月1日起实施[5-6]。这一标准的颁布实施,为PSA技术在医疗保健领域的进一步开发和应用敞开了大门。对指导我国医用分子筛制氧设备的研制、生产、使用和管理,提高医用分子筛制氧设备的社会效益和经济效益,都将起到积极的推动作用。

2 PSA制氧技术工作原理

PSA的基本原理是利用空气中的氮气和氧气在沸石分子筛（Zerolite Molecular Sieve，ZMS）上因压力不同而吸附性能的差异，吸附容量随压力的变化而变化的特性，在平衡状态下，分子筛优先吸附氮气组分，在提高压力状态下，氮的吸附高于低压时的吸附容量，分子筛的脱附再生是靠改变操作压力来实现的，即加压吸附、减压脱附，从而达到氧氮分离[7]。

“吸附”一词最早由Kayser在1881年提出，意思是气体在自由表面上的凝聚。现在国际上严格定义吸附为：一个或多个组分在界面上的富集或损耗[8]。变压吸附就是指多孔固体材料与流体接触，流体中的某一组分或多种组分累积在固体表面，通过压力变换使流体发生数量和浓度改变的过程。吸附于多孔固体表面的组分脱出称为脱附或解吸过程，为吸附的逆过程。通过吸附和解吸，可以达到流体中不同组分分离或净化的目的。

制氧系统的核心部件是分子筛。目前，中小型医用分子筛制氧设备常用的吸附剂是ZMS。ZMS是一种以沸石为主要原料，经过特殊加工而成的白色颗粒，是一种半永久性吸附剂，在使用过程中注意防水，否则将失去吸附作用。PSA制氧常用的吸附剂是合成的ZMS，其中常用的是孔径为5A的沸石分子，它是一种由阳离子和带负电荷的硅铝氧骨架所构成的极性吸附剂。氧气和氮气虽为非极性物质，但受沸石分子筛的影响会产生诱导偶极，诱导偶极和极性分子固有偶极之间存在着一种吸引力（诱导力），因氮气的诱导力大于氧气的诱导力，故分子筛对氮气的吸附量远大于氧气。当空气通过沸石分子筛时，氮气优先被分子筛吸附，并在其微孔内富集，而氧气仅少量被吸附，大部分通过分子筛成为产品气[9-11]。

3 PSA制氧工作过程

空气经全性能空压机压缩，进入多级过滤器去除绝大部分的微粒粉尘杂质，然后，将热空气再经过冷干机冷却处理，排除空气中的水分，最后进入空气储罐缓冲、稳压，通过切换阀进入已经再生完毕处于工作状态的吸附塔。在吸附塔内，氮气、二氧化碳等气体被分子筛吸附，氧气从吸附塔顶部富积进入氧气缓冲罐。在氧气缓冲罐的出口管路上，设置有取样口，对氧气的纯度进行检测，经检测合格的氧气再经粉尘过滤器和除菌过滤器过滤即获得合格的医用氧气。为获得连续稳定的医用氧气，变压吸附制氧设备设置两座吸附塔，交替产氧，一座吸附产出氧气时，另一座吸附器处于再生状态，再生排出的其他组分气体通过消音器消音排到室外。

4 应用效果实例

我院于2009年购进温州瑞气空分设备有限公司生产的型号为YSPO93-50、产氧量为50Nm3／h的变压吸附制氧机两台。单机组运行可满足常规用氧需求，双机组运行可满足高峰期用氧需求，同时还配备钢瓶备用氧，以防停电等事故发生。我院使用这种供氧方式3年多来，在线监测氧纯度一直＞90%，供氧压力≥0.45 MPa,完全符合《医用分子筛制氧设备通用技术规范》的要求，满足了我院患者（2000张床位）治疗用氧的需求，实现了医院供氧的自主性，减少了频繁换氧气瓶带来的一系列麻烦，使病人治疗用氧更方便、快捷、安全、及时，为临床科室治疗、抢救用氧提供了保障。并且降低了供氧成本，深受临床科室的欢迎。

5 PSA制氧的优越性

（1）产品气有害物质含量低。由于极性越强或越容易被极化的分子，就越容易被吸附剂吸附，空气中的酸、碱、二氧化碳、氧化物、卤素等，均属于分子极性很强的物质，很难通过分子筛，这就保证了产品气中含有对人体有害的成分较低[12]。所以用PSA所制取的氧气中，有害物质的含量均比国标《GB8982医用氧气》中规定的还要低[13]。

（2）投资成本低。变压吸附制氧相对于传统的深冷法制氧方式，具有工艺流程简单、占地小、投资少等优点，一般医院都可以采用。

（3）安全环保。医用变压吸附制氧设备常温低压运行，相对安全。制氧过程为物理吸附过程，无化学反应，对环境无污染[14-15]。

6 PSA制氧技术发展前景

PSA气体分离和提纯技术是利用分子筛，依靠压力的变化来实现吸附和再生。通过选择好的吸附剂，采用多层气体过滤系统，选用适当的流程，就可生产出洁净的符合标准的医用氧气[16]。此技术再生速度快、能耗低、属于节能型气体分离技术，特别适合在能源短缺的地方使用。

今后，随着科技进步，PSA将会在以下方面得到进一步的发展：① 分子筛性能的提升。随着新材料及纳米技术的发展，分子筛的吸附性会极大地提高，而随着添加元素的不断丰富，产品气的提纯精度将越来越高[17-18]；② 过滤系统的创新。过滤系统的开发将为提高产品气的分离效率、降低设备的功耗、提高设备的稳定性、可靠性提供了新的可能；③ 吸附流程的优化。吸附流程的优化将为吸附设备效率的提高及成本的降低提供保证[19]。

7 结论

变压吸附制氧是制氧技术的一次重大变革，该项技术正在迅速发展，应用将更加广泛。现在国内的许多大中型医院已经采用这种方式供氧，是医疗供氧方式的重大改进。变压吸附制氧系统安全，使用方便，能很好地替代高压钢瓶。随着科学技术的发展，变压吸附制氧技术在吸附剂、工艺流程、自动控制等方面将得到不断改进和完善，使氧纯度更高，成本更低，环境更加友好，为现代化医院的建设提供更好的供氧选择。

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