分子篩變壓吸附制氧技術工作原理及醫院應用

劉玉紅

延安大學附屬醫院 供氧中心，延安 陜西 716000

0 前言

隨著近些年醫院規模的擴大，病人的增多，鋼瓶供氧已不適應中大型醫院發展的需要。醫用供氧技術也從病房的鋼瓶供氧發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而導致氧氣質量、數量和時間方面存在的風險。因此，近年來各大中型醫院的中心供氧系統愈來愈多的選用分子篩制氧機制氧，它不但實現了醫院制氧供氧的自主性，而且也成為了醫院現代化的硬件標志之一。

1 分子篩變壓吸附技術發展歷程

分子篩變壓吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）氣體分離和提純技術是在20世紀60年代后，隨著環境保護及污染治理的要求而迅速發展起來的技術，目前已經在鋼鐵生產、氣體工業、電子工業、石油化工和醫療衛生等諸多行業得到廣泛的應用。1962年美國聯合碳化物公司（UCC）發現了分子篩對氣體的選擇性特性，并在實驗設備上實現了對少數不同氣體的分離，隨即研制成功了世界上第一臺分子篩制氫工業裝置。隨著分子篩材料與工藝的不斷提升，20世紀70年代中期美國和德國首先將PSA技術應用于空氣分離，獲得高純度氧氣，并廣泛應用于化工及醫療領域。到20世紀80年代中期，化學工業的發展促進了分子篩性能快速提升，制氧設備小型化成為可能。1985年美國的Praxair公司研制的第一臺小型制氧機的問世標志著PSA技術小型化的開始。20世紀90年代初，產品意義上的醫用小型制氧機開始出現。美國材料實驗學會（ASTM）于1993年頒布了醫用小型制氧機標準規范（F1464-1993），國際標準組織于1996年發布了醫用小型制氧機的安全性標準（ISO8359：1996）[1-4]。我國國家醫藥管理局于1998年4月8日發布了國家醫藥行業標準《YY/T0298-1998醫用分子篩制氧設備通用技術規范》,自1998年10月1日起實施[5-6]。這一標準的頒布實施,為PSA技術在醫療保健領域的進一步開發和應用敞開了大門。對指導我國醫用分子篩制氧設備的研制、生產、使用和管理,提高醫用分子篩制氧設備的社會效益和經濟效益,都將起到積極的推動作用。

2 PSA制氧技術工作原理

PSA的基本原理是利用空氣中的氮氣和氧氣在沸石分子篩（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，在平衡狀態下，分子篩優先吸附氮氣組分，在提高壓力狀態下，氮的吸附高于低壓時的吸附容量，分子篩的脫附再生是靠改變操作壓力來實現的，即加壓吸附、減壓脫附，從而達到氧氮分離[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。現在國際上嚴格定義吸附為：一個或多個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，通過壓力變換使流體發生數量和濃度改變的過程。吸附于多孔固體表面的組分脫出稱為脫附或解吸過程，為吸附的逆過程。通過吸附和解吸，可以達到流體中不同組分分離或凈化的目的。

制氧系統的核心部件是分子篩。目前，中小型醫用分子篩制氧設備常用的吸附劑是ZMS。ZMS是一種以沸石為主要原料，經過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，它是一種由陽離子和帶負電荷的硅鋁氧骨架所構成的極性吸附劑。氧氣和氮氣雖為非極性物質，但受沸石分子篩的影響會產生誘導偶極，誘導偶極和極性分子固有偶極之間存在著一種吸引力（誘導力），因氮氣的誘導力大于氧氣的誘導力，故分子篩對氮氣的吸附量遠大于氧氣。當空氣通過沸石分子篩時，氮氣優先被分子篩吸附，并在其微孔內富集，而氧氣僅少量被吸附，大部分通過分子篩成為產品氣[9-11]。

3 PSA制氧工作過程

空氣經全性能空壓機壓縮，進入多級過濾器去除絕大部分的微粒粉塵雜質，然后，將熱空氣再經過冷干機冷卻處理，排除空氣中的水分，最后進入空氣儲罐緩沖、穩壓，通過切換閥進入已經再生完畢處于工作狀態的吸附塔。在吸附塔內，氮氣、二氧化碳等氣體被分子篩吸附，氧氣從吸附塔頂部富積進入氧氣緩沖罐。在氧氣緩沖罐的出口管路上，設置有取樣口，對氧氣的純度進行檢測，經檢測合格的氧氣再經粉塵過濾器和除菌過濾器過濾即獲得合格的醫用氧氣。為獲得連續穩定的醫用氧氣，變壓吸附制氧設備設置兩座吸附塔，交替產氧，一座吸附產出氧氣時，另一座吸附器處于再生狀態，再生排出的其他組分氣體通過消音器消音排到室外。

4 應用效果實例

我院于2009年購進溫州瑞氣空分設備有限公司生產的型號為YSPO93-50、產氧量為50Nm3／h的變壓吸附制氧機兩臺。單機組運行可滿足常規用氧需求，雙機組運行可滿足高峰期用氧需求，同時還配備鋼瓶備用氧，以防停電等事故發生。我院使用這種供氧方式3年多來，在線監測氧純度一直＞90%，供氧壓力≥0.45 MPa,完全符合《醫用分子篩制氧設備通用技術規范》的要求，滿足了我院患者（2000張床位）治療用氧的需求，實現了醫院供氧的自主性，減少了頻繁換氧氣瓶帶來的一系列麻煩，使病人治療用氧更方便、快捷、安全、及時，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制氧的優越性

（1）產品氣有害物質含量低。由于極性越強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的物質，很難通過分子篩，這就保證了產品氣中含有對人體有害的成分較低[12]。所以用PSA所制取的氧氣中，有害物質的含量均比國標《GB8982醫用氧氣》中規定的還要低[13]。

（2）投資成本低。變壓吸附制氧相對于傳統的深冷法制氧方式，具有工藝流程簡單、占地小、投資少等優點，一般醫院都可以采用。

（3）安全環保。醫用變壓吸附制氧設備常溫低壓運行，相對安全。制氧過程為物理吸附過程，無化學反應，對環境無污染[14-15]。

6 PSA制氧技術發展前景

PSA氣體分離和提純技術是利用分子篩，依靠壓力的變化來實現吸附和再生。通過選擇好的吸附劑，采用多層氣體過濾系統，選用適當的流程，就可生產出潔凈的符合標準的醫用氧氣[16]。此技術再生速度快、能耗低、屬于節能型氣體分離技術，特別適合在能源短缺的地方使用。

今后，隨著科技進步，PSA將會在以下方面得到進一步的發展：① 分子篩性能的提升。隨著新材料及納米技術的發展，分子篩的吸附性會極大地提高，而隨著添加元素的不斷豐富，產品氣的提純精度將越來越高[17-18]；② 過濾系統的創新。過濾系統的開發將為提高產品氣的分離效率、降低設備的功耗、提高設備的穩定性、可靠性提供了新的可能；③ 吸附流程的優化。吸附流程的優化將為吸附設備效率的提高及成本的降低提供保證[19]。

7 結論

變壓吸附制氧是制氧技術的一次重大變革，該項技術正在迅速發展，應用將更加廣泛。現在國內的許多大中型醫院已經采用這種方式供氧，是醫療供氧方式的重大改進。變壓吸附制氧系統安全，使用方便，能很好地替代高壓鋼瓶。隨著科學技術的發展，變壓吸附制氧技術在吸附劑、工藝流程、自動控制等方面將得到不斷改進和完善，使氧純度更高，成本更低，環境更加友好，為現代化醫院的建設提供更好的供氧選擇。

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