小型变压吸附模块在冰箱控氧保鲜中的应用

业明坤，陈 龙，杨伸其，郑防震，谭发刚

（美的集团中央研究院，广东 佛山 528311）

随着生活水平的不断提高，人们越来越重视食品安全与健康问题，果蔬保鲜则是其中的关键环节之一。冰箱作为果蔬贮藏的主要场所，目前其保鲜主要是通过控制温度和相对湿度来实现的[1]。同时，科研人员也在不断尝试更多的新技术（真空/膜分离降低氧气浓度、催化分解乙烯等）来提升果蔬的保鲜效果，延长贮藏周期[1-3]。

变压吸附法最早是由Skarstrom等人于1960年发明的[4]，并将其应用在工业领域中的空气干燥和氢气纯化。1970年后，该技术得到进一步开发并被用于空气制氧。变压吸附制氧是利用沸石分子筛对氧气、氮气的选择性吸附来获取高浓度的氧气[5]。其工作过程主要包含加压吸附和减压解吸两个步骤：随着压力的升高，沸石分子筛选择性吸附氮气，而将氧气排出，这样就产生了高浓度的氧气；随着压力的降低，被吸附的氮气会从沸石分子筛脱附出来，实现吸附剂的再生；该过程反复循环，即可持续产生高浓度的氧气[4-6]。变压吸附制氧技术具有吸附压力小、产氧率高、循环寿命长的特点，已在大型医用供氧机、小型家用制氧机上得到广泛应用，并取得很好的效果[7]。目前，变压吸附制氧的研究主要集中在工艺流程的改进及新型高效吸附剂的开发上[8-9]。

上述研究的主要目的是从空气中获取氧气，而本工作结合冰箱保鲜的实际需求，对变压吸附制氧技术进行逆向应用，以降低冰箱保鲜盒中的氧气浓度，实现果蔬的长效保鲜。受到冰箱可利用空间尺寸的限制，如何将变压吸附装置小型化并达到理想的保鲜效果具有较大的挑战。本文系统研究并优化了影响小型变压吸附装置制氧效率的多种因素，最高排氧体积分数达到93%；通过搭建测试平台，将小型变压吸附装置应用于冰箱保鲜盒中，实现在30 min内将其氧体积分数控制在7.2%以下，从理论和试验上都证实了小型变压吸附装置可有效降低存储空间的氧气浓度，从而延长果蔬的保鲜时间。

1 小型变压吸附模块在冰箱保鲜中的设计

小型变压吸附模块主要由吸附塔、电磁阀、气泵等组成。吸附塔由两个相同直径与高度的圆柱体组成，中间填充有沸石分子筛，工作过程中，一个吸附塔进行吸附，另一个吸附塔进行解吸，两者交替工作以实现持续排氧。电磁阀用于切换控制气路；气泵则是将气体送入吸附塔并具有增压功能。将小型变压吸附模块小型化设计并搭载在冰箱中，能够高效、快速地将保鲜盒中的氧气排走，而解吸再生的富氮气体则返回保鲜盒中，如此反复循环，则可以持续降低保鲜盒中氧气的浓度，实现果蔬保鲜。

图1为小型变压吸附模块在冰箱上应用的工艺流程图，具体工作流程如下：保鲜盒的空气经过气泵加压，经过两位三通电磁阀A，当电磁阀A通电时，将空气流向吸附塔A，吸附塔A进行吸附；此时，两位三通阀B断电，吸附塔B的压力降低，气体从沸石分子中筛释放出来，经过两位三通阀输送至保鲜盒。当电磁阀A断电时，加压后的空气经过两位三通阀A，将空气流向吸附塔B；此时，两位三通阀B通电，吸附塔A的压力降低，气体从沸石分子中筛释放出来，经过两位三通阀输送至保鲜盒。

图1 小型变压吸附模块在冰箱保鲜上应用的工艺流程Fig.1 Processflow of the application of small PSA module in refrigerator fresh-keeping

当吸附塔A处于升压吸附状态时，吸附塔B则处于降压解吸状态。氧气经过单向阀A排向储氧罐的同时，一部分氧气会经过冲洗孔排向吸附塔B对其进行反向冲洗，去除残留氮气，使解吸更加彻底，提高沸石分子筛的再生能力。该过程完成后，两位三通阀A和B会进行切换，使吸附塔A和B交替进行工作。在氧气罐的出口位置设置有氧气分析仪1，用于测量排出的氧气浓度，此测量数值为排氧体积分数；调节阀和流量计则是用于调节和监测氧气的流量。

通过对变压吸附制氧的逆向应用，将保鲜盒中的氧气不断排走，能够实现低氧保鲜。在保鲜盒中设置有氧气分析仪2，用于测量保鲜盒的氧气浓度，此测量数值为保鲜盒内氧体积分数，简称氧体积分数。氧气不断被排出造成保鲜盒内部的气压变小，通过单向阀C向保鲜盒中补充一定量的空气，从而实现压力平衡。

2 小型变压吸附模块设计

设计并制作了小型变压吸附模块，探讨了3个主要因素对保鲜盒控氧效果的影响，包含吸附剂的选型、吸附时间、冲洗孔直径。

2.1 吸附剂的选型

对于小型变压吸附模块，需要选择具有高性能的沸石分子筛，可以有效减小装置的体积。因此，选择LiX型沸石分子筛这种产氧效率高的材料作为吸附剂[10-12]，其具体性能参数参见表1。

表1 LiX型沸石分子筛吸附剂的主要规格参数Table 1 Main parameters of LiX zeolite adsorbent

2.2 吸附时间对小型变压吸附模块的影响

吸附时间是指吸附塔从开始进气到停止进气的时间间隔，即电磁阀A或B的动作间隔时间。试验研究了模块在小排氧量下，吸附时间分别为2、3、4、5、6 s时对排氧体积分数的影响，结果如图2所示。

图2 吸附时间对排氧体积分数的影响Fig.2 Effect of adsorption time on the exhausted oxygen volume fraction

由图2可以看出，排氧体积分数随吸附时间的延长先增大后减小，在吸附时间为4 s时，达到最大值（93%）。这是因为吸附时间小于4 s时，进入吸附塔的空气量相对较少，分子筛未达到充分吸附；当吸附时间达到4 s时，分子筛基本达到饱和吸附状态，如果再增加吸附时间，则进入吸附塔的氮气无法被充分吸附，一部分氮气会穿透吸附塔，造成排氧体积分数反而减小[13-14]。因此，确定最佳吸附时间为4 s。

2.3 冲洗孔直径对小型变压吸附模块的影响

当吸附塔A在降压解吸后，吸附剂中仍有一小部分氮气无法排除。利用从吸附塔B中排出的气体通过冲洗孔对吸附塔A进行反冲洗尤为重要，通过反冲洗，可去除残留氮气，使解吸更彻底，提高沸石分子筛的再生能力。本试验研究了模块在小排氧量下，冲洗孔直径分别为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 mm时对排氧体积分数的影响，结果如图3所示。

图3 冲洗孔直径对排氧体积分数的影响Fig.3 Effect of flushing holediameter on the exhausted oxygen volume fraction

由图3可以看出，排氧体积分数随冲洗孔直径的增加先增大后减小，在冲洗孔直径为0.5 mm时，达到最大值（93%）。这是因为从冲洗孔引入的氧气提高了分子筛的解吸再生效果，但随着冲洗孔孔径的不断增加，引入的氧气量过多，反而会导致输出的氧体积分数减少[14]。因此，确定最佳冲洗孔直径为0.5 mm。

3 小型变压吸附模块在冰箱保鲜上的试验研究

上述研究确定了小型变压吸附模块的最佳排氧参数。将该模块搭载到冰箱的保鲜盒中，对其进行循环排氧。随着保鲜盒中氧气浓度的降低，进入小型变压吸附模块的空气中氧体积分数不再是固定值，而是不断减小。同时，由于保鲜盒不断向外排氧，其内部的气压逐渐变小，需通过单向阀C补充一定量的空气来实现压力平衡。保鲜盒中的氧体积分数（Cn）可以用以下公式表示：

式中：V0为冰箱保鲜盒的容积，设定为20 L；Cn为排氧n min后，保鲜盒内的氧体积分数；Cn-1为前1 min保鲜盒的氧体积分数；V为排氧的流量，即从单向阀C向保鲜盒中补充空气的流量；Cx为排氧体积分数，它是会随着保鲜盒中氧体积分数的减小而不断减小；20.9%表示补充空气的氧体积分数。

需要注意的是：在相同条件下，当V越小时，Cx排氧体积分数会越大；当V越大时，Cx排氧气体分数会越小。因此，如何设计排氧的流量V显得尤为关键。若排氧的流量V过小，虽然排氧体积分数Cx相对较大，但减少的总氧量下降较慢，最终，综合排氧效率不高；若排氧的流量V过大，相应的排氧体积分数Cx就相对较小，综合排氧效率也会不高，所以V存在一个合理的值。排氧的流量V分别设定为0.2、0.3、0.4、0.5 L/min进行研究，结果如图4所示。

图4 排氧流量对保鲜盒中氧体积分数的影响Fig.4 Effect of oxygen removal flow rate on the oxygen volume fraction in fresh-keeping box

由图4可以看出，保鲜盒中的氧体积分数随着时间的延长不断减小，不同排氧流量下，保鲜盒中的氧体积分数减小速度不同；随着排氧流量的增加，保鲜盒中的氧体积分数下降速度反而减小。当排氧流量为0.3 L/min时，保鲜盒中的氧体积分数下降最快，装置运行30 min后其值达到最小7.2%。

4 结论

本研究通过对变压吸附制氧进行逆向应用，利用LiX型沸石分子筛对氮气和氧气的选择性吸附，设计并制作了小型变压吸附模块，进一步对该小型变压吸附模块进行参数优化设计，使排氧体积分数达到93%。将该装置应用于冰箱的保鲜盒中，可高效地将其中的氧气排走并将再生的气体送回保鲜盒中，持续排氧以获得极低氧体积分数的环境，实现果蔬的长效保鲜。