弥散氧的开发与应用

杨世超

摘 要：介绍了弥散氧的新概念，分别从概念提出，设备原理，流程结构及试用状况进行了详细论述，并描述了弥散氧设备的应用前景。

关键词：高原缺氧 变压吸附 制氧机 弥散氧 应用

中图分类号：TQ116 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（a）-0002-04

氧气是人们生存必不可少的物质，但是因为地势海拔高（大气稀薄，氧含量低）、环境污染重（局部氧浓度低）、空调环境等因素使人们生活在一个相對缺少氧气的环境，缺氧能引起能量供给不足，同时使人体发生机能、代谢和形态上的变化，并导致很多疾病的产生。因此我们依托变压吸附制氧技术的发展，研发弥散氧设备，以提高人们所处的外环境的氧含量（氧浓度），达到缓解缺氧症状、预防病变，增进健康的目的。

1 氧气的作用和缺氧的危害[1]

生命离不开氧气。氧气是人体新陈代谢的重要物质，是心脏的动力之源，是人类进行生命活动的不可或缺的要素。在人体得到充足的氧气供应的情况下，人体通过进食获取的蛋白质、脂肪、糖等营养物质才能转化成能量，供给人体各个组织器官，保证生命运动的需要。人的生命运动需要源源不断的气态氧。

然而，在高原地区，随着海拔的升高，大气压力随着降低，空气中的氧含量随之降低，根据相关的实验测量数据，海拔高度、环境大气压及空气中的氧含量的关系如图1所示。

当海拔高度超过2000 m时，由于气压降低（只相当于海平面大气压的78%），使大气含氧量骤降22%，一般人体就有不同程度的缺氧反应（俗称高原反应），当海拔继续升高时，就会表现明显的症状：头疼、头晕、胸闷、气短、呼吸急促、心率加快、口唇发紫、血压升高、腿软无力、失眠多梦等。海拔4000 m时，大气含氧量只相当于海平面大气含氧量的60%，即使是身体素质较好者，在7～15 d的适应时间后，上述明显的反应基本消失，但也会体力不足，影响工作和休息。

缺氧对呼吸系统的影响及常见病变：呼吸频次加快，在疲劳或感冒情况下，极易出现肺气肿，一旦处理不善就会危及生命！

缺氧对内循环系统的影响及常见病变：血氧饱和度降低，心跳加快，出现心脏变大，心肌缺血和血红蛋白含量超标；

缺氧对消化系统的影响及常见的病变：消化能力下降，营养吸收不充分，经常腹泻，人明显消瘦；……

缺氧后果的严重程度，同缺氧的持续时间有很大关系，及时纠正缺氧，可以避免或减少组织器官的损伤。

我国有青藏高原、云贵高原等约占国土面积四分之一的高原地区，西藏地区的平均海拔在4500 m以上。近年来，每年到西藏工作或旅游的人数在600万以上，这些人从平原来到高原都会或多或少的受到高原反应的困扰，甚至有个别人员因为缺氧带来的病变被夺去宝贵的生命。

例如，西藏高原上的机场现有环境无法达到飞机过夜条件，原因之一就是高原缺氧、低压，人员高原反应强烈。初上高原适应期一般需要5～7 d，飞行人员一般在拉萨过夜时间为1～2 d，即还未过适应期，飞行人员就回到低海拔地区，对身体影响较大。而克服飞行人员的高原反应就需要给飞行人员创建一个富氧环境，消除缺氧症状，让其休息好，保证充沛的体力和精力。

2 弥散氧的提出

一般来说，用于补充各种环境性缺氧、繁重脑力劳动者、老年人、孕妇和慢性病康复期病人的生理性缺氧，作为预防缺氧的，称为氧保健。氧保健的科学研究，已经在世界范围内得到重视，人们对氧供应影响人体生理、病理复杂机制的认识不断深化。随着认识的深化，氧保健将在预防医学、临床医学、职业病医学、老年医学等领域进一步广泛应用，氧保健将在各种人群中得到广泛认同，进入工作、休闲等领域。氧保健应用领域的扩展也带来了对供氧方式的变革要求，从医院的专业式输氧、高压氧舱的特定方式吸氧发展到要求改善工作生活的用氧环境，从供应纯氧发展到模拟大气环境的最佳用氧浓度。

人体主要是通过肺部呼吸（皮肤也有少量的呼吸功能）来达到吸取氧气，排出二氧化碳等废气的机能，肺部进行气体交换主要是靠气体扩散原理来实现的，而气体产生扩散运动必须存在分压差。但是我们生存的大气环境的氧浓度（20.93%）几乎是保持不变的，在同一海拔情况下氧分压几乎一样。要想进一步提高呼吸效率，提高人体的携氧量，就必须人为提高氧分压，途径主要有提高氧浓度或者大气加压，我们知道进行大气加压是行不通的，所以最好的解决方案就是提高氧浓度。

弥散氧就是通过提高相对封闭空间（比如卧室、办公室等）的氧含量（氧浓度）来改善人体所在的外环境，使人体沐浴在一个富氧的环境中，从而达到改善人体呼吸内环境，促进代谢过程的良性循环，以达到缓解缺氧症状、促进康复和预防病变，增进健康的目的。

同传统吸氧方式相比，弥散氧是直接提高人体所处环境的氧含量，不需要佩带各种呼吸面罩或者喷嘴，解除了传统吸氧方式的各种束缚，使人体能在一个舒服、自由甚至毫无察觉的条件下进行氧保健，甚至可以连续24 h不间断使用，使你的工作、休息都能保持在一个富氧环境中。弥散氧保健，无需专门指导，相对于传统吸氧方式有效的避免了因为吸取纯氧和高压氧所引起的氧中毒的风险。

另外弥散氧设备使用的吸附剂（沸石分子筛）具有对有毒性气体（如：SO2、NO等）强的吸附性能，能起到净化空气的效果，效果快速而肯定，有益而无害。

因此，温州瑞气医用分子筛制氧机在进行市场开发的过程中，与西藏航空达成合作共识，共同开发一种舒适的吸氧方式，即给空乘人员创建一个氧含量充分的环境，消除空乘人员在高原机场工作引起的缺氧症状，使其休息好，保证充沛的体力和精力，并定名为“弥散氧”。此项目需要将室内氧含量提升并自动稳定在一个安全范围内，使空勤人员摆脱了传统鼻吸式供氧的鼻吸管的束缚，可以得到自由的休息。

3 弥散氧设备的选择[2，3]

变压吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）的基本原理是利用气体组分在固体材料上吸附特性的差异以及吸附量随压力变化而变化的特性，通过周期性的压力变换过程实现气体的分离或提纯。PSA空分制氧使用的吸附剂一般为分子筛，特别是5A沸石分子筛。由于N2、O2分子的偶极矩不同，N2分子的偶极矩大于O2的偶极矩，吸附剂中的阳离子与N2的作用力大于O2，使得N2的平衡吸附容量高于O2，在中、低压（如0.6 MPa）下分子筛优先吸附氮气，从而达到分离氮、氧的目的。然后通过降压将吸附的氮气从吸附剂中解吸出来，达到吸附床层的再生。

变压吸附法制氧较其他方法制氧（如低温精馏法、薄膜渗透法和化学吸收法等）具有如下优点。

（1）装置启动迅速，随时开机即可制氧，启动后几分钟至十几分钟便可获得合格产品氧。

（2）装置体积小，操作简单，自动化程度高，不需人工操作。

（3）投资和管理费用比较低，单位产品能耗低（尤其是中小型），气体生产成本低。

（4）产品纯度可以在一定范围内任意调节。

（5）环境效益好，PSA装置的运行不会造成新的环境污染，几乎无“三废”产生。

经过几十年的发展，现在变压吸附法生产的氧气广泛应用于氧化反应，造纸漂白；氧气顶吹转炉炼钢、高炉富氧喷煤炼铁和有色金属的冶炼；环境保护，污水生化处理；医疗保健、家庭氧疗、室内环境、高原补氧，科研氧源以及养殖业用氧等许多领域。

因此，根据变压吸附分子筛制氧设备的特点和现有制氧机的使用经验，选择PSA技术做为弥散氧设备的开发方向。

4 弥散氧设备的流程和结构

弥散氧设备做为民用产品，成本控制成为设备研发的关键点之一，为了降低设备的制造和运行费用，我们对制氧系统的流程进行了优化，通过试验，最后确定弥散氧制氧系统流程如图2所示。

流程简介：本设备由两台微型空压机提供压缩气源，由于分子筛对水分和灰尘的敏感性，配备了风冷却器和过滤器、干燥塔去除气源中的水分和灰尘等杂质，采用两只吸附塔轮流工作、再生以保证连续得到产品氧气。本系统中应用了两个优选的流程：再生气二次吹扫流程和再生气回收流程。

（1）再生气二次吹扫流程：PSA分子筛制氧机要求必须对气源进行处理，去除其中含有的水份，因为一旦分子筛进水或吸水饱和后就会发生分子筛粉化，使制氧机性能下降甚至无法使用。现阶段对气源除水的主要方式有冷冻式干燥（冷干机）、吸附式干燥（吸干机）和过滤（过滤器），冷干机气体干燥程度比吸干机要差，吸干机需要消耗10%左右的再生气比冷干机能耗高。为了保证PSA分子筛用制氧机性能安全可靠，满足设计寿命的要求，我们选择了过滤+吸附式干燥，为了减少能耗，我们创新地采用吸附塔的再生气来吹扫干燥塔，使再生气二次利用，节省了10%的再生气，这样一来吸附式干燥比冷冻式干燥的能耗还低，这项技术目前是首创。

（2）再生气回收流程：要提高PSA分子筛制氧机性能，就要提高分子筛的产气率和回收率。我们通过实验发现吸附塔再生气在最后十几秒的氧含量比较高，因此我们创新流程，将这十几秒的再生气回收利用，大大提高了分子筛的回收率，也相应提高了产气率。因此，同样产氧量的设备所需填装的分子筛就能相应减少，所需配空压机规格也能相应减小，设备成本和能耗就能相应降低。

根据市场需求，我们从医院集中供氧系统和空调设备上获得灵感，使弥散氧设备像空调设备调节室温一样工作，极大的提高了产品的用户体验。将动力设备（空压机）和主要的噪声点（制氧系统）组合成室外机，安装在室外，便于降低设备噪声。将控制系统、监测系统组合成室内机，安装在室内，便于操作控制。采用遥控器辅助，使用方便，操作简单。通过试验和设计改进，最后确定弥散氧设备结构如图3所示。

5 弥散氧设备型号的确定

为了试制样机对弥散氧设备的各项技术指标进行实验检测，我们按如下方法对弥散氧设备的产氧量进行计算。考虑到设备的实用性，以设备在拉萨使用为例进行计算，西藏拉萨地区的海拔约为3600 m，考虑到设备的经济性，以提升到1600 m海拔的氧含量为例进行计算。根据相关的实验测量数据，海拔高度、气温和气压的关系如表1所示。

（1）分别计算1600 m海拔、3600 m海拔的大气压值折算到标准状态（0 ℃，101.325 kPa）时的压力值。

根据理想气体状态方程有：

Pa/Ta=PN/TN 推导出：Pa=PNTa/TN

（1）

式中：Pa为折算到标准状态（0℃，101.325 kPa）时的压力值（MPa）（以下同）；

PN为使用状态下的压力值（MPa）；

TN为气体在使用状态下的温度修正，TN=273+使用温度（K）；

Ta为标准状态下的绝对温度273（K）。

1600 m时，查上表（表1）得4.6 ℃时，大气压为835.2百帕，代入公式（1）：

Pa1600=0.08352×273/（273+4.6）

=0.0821（MPa）

3600 m时，查上表（表1）得-8.4℃时，大气压为649.2百帕，代入公式（1）：

Pa3600=0.06492×273/（273-8.4）

=0.067（MPa）

（2）计算出1600 m和3600 m海拔时的大气氧含量，由于大气氧含量与大气压成正比：

Pa/Po=ηa/ηo，推导出：ηa=Pa×ηo/Po

（2）

式中：Po为标准状态的压力值（压力常数：0.101325MPa）（以下同）；

ηa为使用海拔状态下的氧含量（g/m3）；

ηo为标准状态下0海拔的氧含量（测量常数：299.3 g/m3）。

将公式（1）计算出的Pa值分别代入公式（2），则可分别计算出1600 m和3600 m海拔时的大气氧含量：

1600 m时：

ηa1600=Pa160×ηo/Po

=0.0821×299.3/0.101325

=242.5（g/m3）

3600 m时：

ηa 3600=Pa3600×ηo/Po

=0.067×299.3/0.101325

=197.9（g/m3）

（3）计算海拔为3600 m时室内氧分压提升到1600 m时氧分压水平所需要达到的氧纯度。标准状态下的氧气密度为1429 g/m3，由前面计算得知，当海拔为1600 m时，一个立方米的空气含242.5 g氧气，折算成标准状态下的氧气体积为：

V0=242.5/1429=0.1697（m3）

式中：V0为折算到标准状态（0℃，101.325 kPa）时的氧气体积值（m3）（下同）；

根据理想气体状态方程：

P0 V0=Pa Va 推导出：Va=P0 V0/Pa

（3）

式中：Va为折算到海拔状态时的氧气体积值（m3）。

将V0代入公式（3），折算成3600海拔时的氧气体积：

Va3600=0.1697×0.101325/0.067

=0.2566（m3）

（4）根据以上计算结果可知，在3600 m海拔的情况下要达到1600 m海拔下的氧分压的值，其室内的氧气纯度（体积比）要控制在25.66%以上。这个纯度值可以做为设备实验和自动控制的参考值。

（5）计算弥散制氧机的氧气流量。由以上氧含量计算结果可知3600 m海拔要达到1600 m海拔的氧分压的水平，必须增加的氧气量（Δη）：

Δη=ηa1600-ηa 3600=242.5-197.9=44.6（g/m3）

假设单个房间面积15 m2，净高3 m，则需氧量等于15×3×44.6=2007（g），标准状态下的氧气密度为1429 g/m3，换算成标准状态下的体积等于2007/1429=1.404（m3）；

假设3 h的弥散空间氧浓度提升时间，30%的持续弥散泄露量（试验数据），以及2人的耗氧量（平均每人每小时耗氧量22 L），90%的供氧纯度，所需氧气流量（Q）为：

Q=[1.404×（1+30%）/3+2×0.022]/0.9

=0.725 m3/h（0 ℃，101.325 kPa）

根據以上计算，初步确定弥散氧设备试制样机产氧气量为1.0 m3/h（0 ℃，101.325 kPa）。

6 弥散氧设备的试用

在样机试制完成以后，从2007年开始到2009年，我们往返拉萨数十次，实施了数十次试验，历经了3次大的整体改进，定型的弥散氧设备终于在供氧指标、纯度控制、内外机噪音、体积重量和使用寿命、机电安全方面都满足甚至超过了设计需求，特别是在噪音控制方面，外机的噪音低于1.5匹空调外机的运转噪音，内机的噪音人耳根本无法感受得到，满足了拉萨夜间的特殊的静音环境的需要。同时，在七个方面完成了全面创新，为进一步改进产品奠定了理论和实验基础。

2009年1月开始，空军航空医学研究所开始对弥散氧设备进行性能测试，经过在北京试验室的低压舱模拟环境设备性能测试、拉萨机场使用地点实地设备性能测试，以及人体生理指标测试。根据测试结果，我们又对个别指标进行了调整。2009年4月10日，空军航空医学研究所出具了试验报告，确认提交测试的设备满足设计需求，即满足空勤人员房间弥散供氧的技术要求，能够保证空乘人员休息效果良好，无明显缺氧反应。2009年8月18日，列为西藏自治区科技厅重点科研项目的“高原分体式弥散供氧系统”正式通过验收。

2010年以来，共有几百台弥散氧设备陆续在拉萨的机场、宾馆、机关办公室得到应用。对往返于拉萨的人员克服高原反应起到了良好的帮助，获得了良好的社会效益和经济效益。

7 弥散氧设备的应用前景

氧疗和氧保健的出现，意味着人类对于氧的需求由完全仰赖自然向进一步自觉争取的转变，弥散氧设备的出现，使这个转变又迈出了一大步，在人与氧气的历史上谱写了新的篇章。弥散氧设备将在改善人们用氧环境上发挥越来越多的作用。在将来，弥散氧设备上还可以与加湿器和负离子发生器、空气净化器、空调组合，也可以附加二氧化碳、臭氧、温湿度传感器，全面检测和改善房间里的各项理化指标。

随着西藏的开发，人们生活水平的不断提高，到美丽的青藏高原旅游的人数越来越多，这些都为高原弥散氧提供了广阔的市场。随着弥散氧设备开发的进展，适用于车载、帐篷、单兵等的系列产品都将出现。终有一天，“生命禁区”会变成人们的乐园。

空调环境是一个隔离外界的内循环环境，人体不断消耗氧气，致使这个密闭的环境长期处于一个相对缺氧的状态，这种状态已经不同程度地影响人们的工作、学习和生活了。人们长时间呆在空调房里会感到憋闷，甚至烦躁不安，弥散氧是解决这一问题的最佳方案。通过向房间注氧，使房间氧含量达到平衡或者更高，从而解决缺氧问题。

家庭氧保健是弥散氧设备的另一个重要应用方面。现在，很多大、中城市污染严重，慢性病多发，做为预防措施之一的氧保健越来越受到重视，这也使得弥散氧做为保健用氧的一种工具进入家庭应用成为可能。

参考文献

[1] 高春锦.氧疗与氧保健[M].北京：群众出版社，1996：22-41.

[2] 李杰，周理.变压吸附空分制氧的技术进展[J].化学工业与工程，2004（5）：202-205.

[3] 田津津，张玉文，王锐.变压吸附制氧技术的发展和应用[J].深冷技术，2005（6）：7-10.