小型變壓吸附模塊在冰箱控氧保鮮中的應用

業明坤，陳 龍，楊伸其，鄭防震，譚發剛

（美的集團中央研究院，廣東 佛山 528311）

隨著生活水平的不斷提高，人們越來越重視食品安全與健康問題，果蔬保鮮則是其中的關鍵環節之一。冰箱作為果蔬貯藏的主要場所，目前其保鮮主要是通過控制溫度和相對濕度來實現的[1]。同時，科研人員也在不斷嘗試更多的新技術（真空/膜分離降低氧氣濃度、催化分解乙烯等）來提升果蔬的保鮮效果，延長貯藏周期[1-3]。

變壓吸附法最早是由Skarstrom等人于1960年發明的[4]，并將其應用在工業領域中的空氣干燥和氫氣純化。1970年后，該技術得到進一步開發并被用于空氣制氧。變壓吸附制氧是利用沸石分子篩對氧氣、氮氣的選擇性吸附來獲取高濃度的氧氣[5]。其工作過程主要包含加壓吸附和減壓解吸兩個步驟：隨著壓力的升高，沸石分子篩選擇性吸附氮氣，而將氧氣排出，這樣就產生了高濃度的氧氣；隨著壓力的降低，被吸附的氮氣會從沸石分子篩脫附出來，實現吸附劑的再生；該過程反復循環，即可持續產生高濃度的氧氣[4-6]。變壓吸附制氧技術具有吸附壓力小、產氧率高、循環壽命長的特點，已在大型醫用供氧機、小型家用制氧機上得到廣泛應用，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及新型高效吸附劑的開發上[8-9]。

上述研究的主要目的是從空氣中獲取氧氣，而本工作結合冰箱保鮮的實際需求，對變壓吸附制氧技術進行逆向應用，以降低冰箱保鮮盒中的氧氣濃度，實現果蔬的長效保鮮。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到理想的保鮮效果具有較大的挑戰。本文系統研究并優化了影響小型變壓吸附裝置制氧效率的多種因素，最高排氧體積分數達到93%；通過搭建測試平臺，將小型變壓吸附裝置應用于冰箱保鮮盒中，實現在30 min內將其氧體積分數控制在7.2%以下，從理論和試驗上都證實了小型變壓吸附裝置可有效降低存儲空間的氧氣濃度，從而延長果蔬的保鮮時間。

1 小型變壓吸附模塊在冰箱保鮮中的設計

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，工作過程中，一個吸附塔進行吸附，另一個吸附塔進行解吸，兩者交替工作以實現持續排氧。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計并搭載在冰箱中，能夠高效、快速地將保鮮盒中的氧氣排走，而解吸再生的富氮氣體則返回保鮮盒中，如此反復循環，則可以持續降低保鮮盒中氧氣的濃度，實現果蔬保鮮。

圖1為小型變壓吸附模塊在冰箱上應用的工藝流程圖，具體工作流程如下：保鮮盒的空氣經過氣泵加壓，經過兩位三通電磁閥A，當電磁閥A通電時，將空氣流向吸附塔A，吸附塔A進行吸附；此時，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，經過兩位三通閥輸送至保鮮盒。當電磁閥A斷電時，加壓后的空氣經過兩位三通閥A，將空氣流向吸附塔B；此時，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，經過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用的工藝流程Fig.1 Processflow of the application of small PSA module in refrigerator fresh-keeping

當吸附塔A處于升壓吸附狀態時，吸附塔B則處于降壓解吸狀態。氧氣經過單向閥A排向儲氧罐的同時，一部分氧氣會經過沖洗孔排向吸附塔B對其進行反向沖洗，去除殘留氮氣，使解吸更加徹底，提高沸石分子篩的再生能力。該過程完成后，兩位三通閥A和B會進行切換，使吸附塔A和B交替進行工作。在氧氣罐的出口位置設置有氧氣分析儀1，用于測量排出的氧氣濃度，此測量數值為排氧體積分數；調節閥和流量計則是用于調節和監測氧氣的流量。

通過對變壓吸附制氧的逆向應用，將保鮮盒中的氧氣不斷排走，能夠實現低氧保鮮。在保鮮盒中設置有氧氣分析儀2，用于測量保鮮盒的氧氣濃度，此測量數值為保鮮盒內氧體積分數，簡稱氧體積分數。氧氣不斷被排出造成保鮮盒內部的氣壓變小，通過單向閥C向保鮮盒中補充一定量的空氣，從而實現壓力平衡。

2 小型變壓吸附模塊設計

設計并制作了小型變壓吸附模塊，探討了3個主要因素對保鮮盒控氧效果的影響，包含吸附劑的選型、吸附時間、沖洗孔直徑。

2.1 吸附劑的選型

對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氧效率高的材料作為吸附劑[10-12]，其具體性能參數參見表1。

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

2.2 吸附時間對小型變壓吸附模塊的影響

吸附時間是指吸附塔從開始進氣到停止進氣的時間間隔，即電磁閥A或B的動作間隔時間。試驗研究了模塊在小排氧量下，吸附時間分別為2、3、4、5、6 s時對排氧體積分數的影響，結果如圖2所示。

圖2 吸附時間對排氧體積分數的影響Fig.2 Effect of adsorption time on the exhausted oxygen volume fraction

由圖2可以看出，排氧體積分數隨吸附時間的延長先增大后減小，在吸附時間為4 s時，達到最大值（93%）。這是因為吸附時間小于4 s時，進入吸附塔的空氣量相對較少，分子篩未達到充分吸附；當吸附時間達到4 s時，分子篩基本達到飽和吸附狀態，如果再增加吸附時間，則進入吸附塔的氮氣無法被充分吸附，一部分氮氣會穿透吸附塔，造成排氧體積分數反而減小[13-14]。因此，確定最佳吸附時間為4 s。

2.3 沖洗孔直徑對小型變壓吸附模塊的影響

當吸附塔A在降壓解吸后，吸附劑中仍有一小部分氮氣無法排除。利用從吸附塔B中排出的氣體通過沖洗孔對吸附塔A進行反沖洗尤為重要，通過反沖洗，可去除殘留氮氣，使解吸更徹底，提高沸石分子篩的再生能力。本試驗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時對排氧體積分數的影響，結果如圖3所示。

圖3 沖洗孔直徑對排氧體積分數的影響Fig.3 Effect of flushing holediameter on the exhausted oxygen volume fraction

由圖3可以看出，排氧體積分數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，達到最大值（93%）。這是因為從沖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，引入的氧氣量過多，反而會導致輸出的氧體積分數減少[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研究

上述研究確定了小型變壓吸附模塊的最佳排氧參數。將該模塊搭載到冰箱的保鮮盒中，對其進行循環排氧。隨著保鮮盒中氧氣濃度的降低，進入小型變壓吸附模塊的空氣中氧體積分數不再是固定值，而是不斷減小。同時，由于保鮮盒不斷向外排氧，其內部的氣壓逐漸變小，需通過單向閥C補充一定量的空氣來實現壓力平衡。保鮮盒中的氧體積分數（Cn）可以用以下公式表示：

式中：V0為冰箱保鮮盒的容積，設定為20 L；Cn為排氧n min后，保鮮盒內的氧體積分數；Cn-1為前1 min保鮮盒的氧體積分數；V為排氧的流量，即從單向閥C向保鮮盒中補充空氣的流量；Cx為排氧體積分數，它是會隨著保鮮盒中氧體積分數的減小而不斷減小；20.9%表示補充空氣的氧體積分數。

需要注意的是：在相同條件下，當V越小時，Cx排氧體積分數會越大；當V越大時，Cx排氧氣體分數會越小。因此，如何設計排氧的流量V顯得尤為關鍵。若排氧的流量V過小，雖然排氧體積分數Cx相對較大，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過大，相應的排氧體積分數Cx就相對較小，綜合排氧效率也會不高，所以V存在一個合理的值。排氧的流量V分別設定為0.2、0.3、0.4、0.5 L/min進行研究，結果如圖4所示。

圖4 排氧流量對保鮮盒中氧體積分數的影響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數隨著時間的延長不斷減小，不同排氧流量下，保鮮盒中的氧體積分數減小速度不同；隨著排氧流量的增加，保鮮盒中的氧體積分數下降速度反而減小。當排氧流量為0.3 L/min時，保鮮盒中的氧體積分數下降最快，裝置運行30 min后其值達到最小7.2%。

4 結論

本研究通過對變壓吸附制氧進行逆向應用，利用LiX型沸石分子篩對氮氣和氧氣的選擇性吸附，設計并制作了小型變壓吸附模塊，進一步對該小型變壓吸附模塊進行參數優化設計，使排氧體積分數達到93%。將該裝置應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，持續排氧以獲得極低氧體積分數的環境，實現果蔬的長效保鮮。