高原小型便攜式供氧裝置的現狀及發展趨勢

田樸 李寧 孔慶平 王靜

摘 要：簡單闡述了制氧技術的工作原理以及優缺點，通過介紹與分析國內外小型便攜式供氧裝置，提出一種小型便攜式供氧裝置的研究思路。

關鍵詞：制氧技術;高原環境;小型裝置

氧氣是人類生存的重要保障，充足的氧氣可保證人類正常的生理活動，保持身體健康。但是在高原環境下作業，面臨持續低氧狀況，會對人的感覺、思維、情緒、行動造成不良影響，嚴重時會對人體造成不可逆的損傷[1]。目前，最有效的解決辦法就是持續給人體提供充足的氧氣。現階段，高原地區已有大型供氧裝置，但設備能耗大、不便移動，人員通過定點吸氧或配備氧氣瓶、氧氣袋等補充氧氣，攜帶不便且有一定的危險性，不能滿足偏遠地區或高原野外機動人員的供氧需求。因此，高原供氧的特殊性要求供氧裝置朝著小型化、輕量化、智能化等方向發展[2]。

1?制氧技術原理

目前，適合小型化供氧裝置的供氧技術主要有變壓吸附法、膜分離法和化學制氧法3種。

1.1? 變壓吸附法制氧技術

變壓吸附法制氧技術[3-4]是利用合成沸石分子篩對氮氣和氧氣的選擇性吸附性能，加壓時，分子篩吸附氮氣得到富氧氣氛;降壓時，氮氣解析，分子篩恢復吸附氮氣的功能，實現空氣中的氧氮分離。此方法具有沸石原料容易制備、成本低、技術比較穩定、可連續產氧、所得氧氣質量分數在90%以上等優點。在軍事領域，國外將其廣泛用于戰斗機的高空制氧，以供飛行員和發動機用氧[5-6]。但國內對變壓吸附制氧技術的研究起步較晚，裝置及產氧性能與國外有一定差距。近年來，隨著變壓吸附技術的不斷發展，大型變壓吸附制氧裝置取得一定進展，北大先鋒科技有限公司研制出鋰分子篩變壓吸附裝置，并實現了工業化應用。

車載式變壓吸附裝置已經研制成功，可實現對乘員的及時供氧[7]。但其制氧原料源于外界潔凈的空氣，在外界環境遭到污染或極端天氣條件下，變壓吸附裝置的供氧能力無法得到保障，且分子篩的使用壽命較短，容易粉化，所得氧氣含塵量較大，需對氧氣進行過濾處理。同時，分子篩容易吸水，降低分離效率，為保證分子篩的吸附能力，在使用前一般對空氣進行脫水處理。脫水后的空氣特別干燥，需對所得氧氣進行加濕處理后才能使用。變壓吸附法制氧設備比較復雜，包括空氣預處理系統、分子篩氮氧分離系統、氧氣后處理系統，在裝置的小型化、輕量化處理方面有一定難度。

1.2? 膜分離法制氧技術

膜分離法制氧技術[8]是利用不同氣體在膜中的不同溶解和擴散系數，產生不同的滲透速度來實現氣體分離。目前，膜分離法主要應用于合成氨過程中的氫氣回收、氮氧分離以及天然氣中二氧化碳的去除等。采用膜分離法制備氧氣是以空氣為原料，在一定壓力下，氣體分子通過中空纖維組成的薄膜時，纖維之間形成的微納米孔洞會對氣體中較大的雜質進行過濾，而氣體中的其他組分會在中空纖維內外之間形成分壓差，氣體會向勢能較低的一方運動，在分壓差的推動下，氣體經過溶解、擴散、解吸3個步驟，實現對空氣的分離。目前，空氣制氧的薄膜主要為高分子膜[9-10]和鈣鈦礦陶瓷透氧膜[11-12]，都有板式膜、管式膜和中空纖維膜3種。相較于其他薄膜，陶瓷中空纖維膜具有更好的機械性能，有利于膜的組裝，同時具有更大的比表面積，可提高氧氣的滲透效率。隨著制備薄膜技術的發展，采用靜電紡絲法可制備具有三維網狀結構的中空陶瓷薄膜。在薄膜組件單元的組裝過程中，具有三維網狀結構的中空陶瓷薄膜的纖維之間會搭接微納米孔洞，這些孔洞可對空氣中的較大雜質起到一定的過濾作用。但是，陶瓷透氧膜工作需要具備兩個條件[13]：一是有合適的工作溫度，二是膜兩側有一定的濃度梯度。陶瓷透氧膜具有質量小、結構簡單、易于攜帶，在使用過程中可通過增加、減少膜組件來調節產氧能力等優點。但是，中空纖維膜的制備有一定的技術難度，生產成本高，所制氧氣質量分數較低，為20%～40%，但可直接供人體使用。和分子篩制氧技術一樣，膜分離技術也需要外界潔凈的空氣，不適用于戰場環境。

1.3? 化學制氧法

化學制氧法是最早、也是應用最廣泛的制氧技術，主要包括水的電解[14]、超氧化物氧氣再生[15]以及氯酸鹽氧燭熱分解[16]3種，各有優缺點。水的電解能耗較高、產氧率低，主要是為了制備氫氣。超氧化物氧氣再生法是利用堿金屬的超氧化物與二氧化碳和水反應放出氧氣。但過氧化物非常活潑，在使用和貯存過程中需特別注意，以免引起燃燒和爆炸。氯酸鹽氧燭熱分解方法以氯酸鈉為主體、以金屬粉末為燃料，添加一定量的催化劑、抑氯劑、黏結劑等，經干混、濕混后，壓制而成。使用時，通過機械撞擊或電啟動后，可自行燃燒，放出氧氣。氧燭具有體積小、質量小、產氧快、含氧量高、受外界環境影響小、容易貯存和攜帶等優點，主要應用于礦井、潛艇、航天飛機中，或者作為密閉空間中的應急氧源。但是，氧燭在使用過程中會產生大量熱量，在裝置的小型化過程中，需提高裝置的隔熱性能。同時，所制備的氧氣中可能含有一定量的雜質氣體，需對其進行過濾處理。

目前，3種制氧技術已經在高原地區得到了一定的應用，變壓吸附法和化學制氧法裝置的小型化也取得了一定的進展，部分制氧裝置已實現車載應用，但小型便攜式供氧裝置的研制還有待改進。目前，國外小型便攜式供氧裝置[17]主要有：（1）美軍單兵脈沖式供氧裝置。采用電控裝置，可根據人體所需自動調節供氧量，但主要氣源是氣瓶提供的氧氣。（2）美軍脈沖PSA制氧機。采用電控裝置，質量小、體積小、便于攜帶，但存在供氧量不足的問題。（3）國內研制的ZYJ-II-D6高原單兵氧氣機。采用膜分離法制氧技術，但在高原條件下，空氣稀薄，提供的氧濃度較低。阮俊勇等[18]研制的HZY-1型單兵高原增氧呼吸器，主要通過風機局部加壓來提高人體進氧量，但可能造成人體呼吸困難。田濤等[19]對小型變壓吸附裝置的工藝參數進行優化，提高了制氧裝置的穩定性。劉娟等[20]在模擬高原環境下研究了低壓低氧環境對膜分離法單兵制氧機的影響，并評估了氧氣機的應用效果。張彥軍等[21]成功制備了在低于氯酸鈉熔融溫度下可持續發生化學反應、產生氧氣的氧燭，降低了裝置的表面溫度。

3種制氧技術的小型化各有優缺點，如采用膜分離法或變壓吸附法制備氧氣，在高原上存在供氧量不足的缺點，且在外界空氣受到污染的情況下，裝置不能正常使用。如果采用常規氧氣瓶供氧，就會增加負重、降低人員的機動性。采用氧燭供氧裝置，存在續航不足、裝置表面過熱的問題。通過分析3種供氧技術以及現階段的供氧裝置，采用靜電紡絲法制備陶瓷中空纖維膜[22]和氧燭供氧[23-24]相結合的方式，研制出一種裝置，可滿足日常供氧和戰時應急供氧兩種需求。這是因為在常規條件下，膜分離供氧的產氧量雖低于變壓吸附，但可直接供人體使用，同時，薄膜的三維結構以及固有的選擇透過性，使薄膜本身具有一定的過濾功能。氧燭在燃燒過程中釋放大量熱量，同時釋放一定量的氧氣，既可以滿足陶瓷透氧膜的使用條件（溫度和濃度差），也可對產生的氧氣進行過濾，以滿足人體所需。

2?結語

目前，我國對各種制氧技術的研究不夠深入，在制氧裝置的小型化和便攜化研制方面仍不能滿足不同地域、不同海拔的使用要求，便攜性、續航性、智能化、舒適性有待提高。隨著科學技術的不斷發展、科研人員的不懈努力，這些問題必然得以解決。

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