劉玉紅

延安大學附屬醫(yī)院 供氧中心，延安 陜西 716000

0 前言

隨著近些年醫(yī)院規(guī)模的擴大，病人的增多，鋼瓶供氧已不適應(yīng)中大型醫(yī)院發(fā)展的需要。醫(yī)用供氧技術(shù)也從病房的鋼瓶供氧發(fā)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(zhì)量、數(shù)量和時間方面存在的風險。因此，近年來各大中型醫(yī)院的中心供氧系統(tǒng)愈來愈多的選用分子篩制氧機制氧，它不但實現(xiàn)了醫(yī)院制氧供氧的自主性，而且也成為了醫(yī)院現(xiàn)代化的硬件標志之一。

1 分子篩變壓吸附技術(shù)發(fā)展歷程

分子篩變壓吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）氣體分離和提純技術(shù)是在20世紀60年代后，隨著環(huán)境保護及污染治理的要求而迅速發(fā)展起來的技術(shù)，目前已經(jīng)在鋼鐵生產(chǎn)、氣體工業(yè)、電子工業(yè)、石油化工和醫(yī)療衛(wèi)生等諸多行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。1962年美國聯(lián)合碳化物公司（UCC）發(fā)現(xiàn)了分子篩對氣體的選擇性特性，并在實驗設(shè)備上實現(xiàn)了對少數(shù)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(yè)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(shù)應(yīng)用于空氣分離，獲得高純度氧氣，并廣泛應(yīng)用于化工及醫(yī)療領(lǐng)域。到20世紀80年代中期，化學工業(yè)的發(fā)展促進了分子篩性能快速提升，制氧設(shè)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(shù)小型化的開始。20世紀90年代初，產(chǎn)品意義上的醫(yī)用小型制氧機開始出現(xiàn)。美國材料實驗學會（ASTM）于1993年頒布了醫(yī)用小型制氧機標準規(guī)范（F1464-1993），國際標準組織于1996年發(fā)布了醫(yī)用小型制氧機的安全性標準（ISO8359：1996）[1-4]。我國國家醫(yī)藥管理局于1998年4月8日發(fā)布了國家醫(yī)藥行業(yè)標準《YY/T0298-1998醫(yī)用分子篩制氧設(shè)備通用技術(shù)規(guī)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(shù)在醫(yī)療保健領(lǐng)域的進一步開發(fā)和應(yīng)用敞開了大門。對指導我國醫(yī)用分子篩制氧設(shè)備的研制、生產(chǎn)、使用和管理,提高醫(yī)用分子篩制氧設(shè)備的社會效益和經(jīng)濟效益,都將起到積極的推動作用。

2 PSA制氧技術(shù)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(tài)下，分子篩優(yōu)先吸附氮氣組分，在提高壓力狀態(tài)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(xiàn)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?，F(xiàn)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(fā)生數(shù)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(tǒng)的核心部件是分子篩。目前，中小型醫(yī)用分子篩制氧設(shè)備常用的吸附劑是ZMS。ZMS是一種以沸石為主要原料，經(jīng)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(gòu)成的極性吸附劑。氧氣和氮氣雖為非極性物質(zhì)，但受沸石分子篩的影響會產(chǎn)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(yōu)先被分子篩吸附，并在其微孔內(nèi)富集，而氧氣僅少量被吸附，大部分通過分子篩成為產(chǎn)品氣[9-11]。

3 PSA制氧工作過程

空氣經(jīng)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(zhì)，然后，將熱空氣再經(jīng)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(wěn)壓，通過切換閥進入已經(jīng)再生完畢處于工作狀態(tài)的吸附塔。在吸附塔內(nèi)，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(shè)置有取樣口，對氧氣的純度進行檢測，經(jīng)檢測合格的氧氣再經(jīng)粉塵過濾器和除菌過濾器過濾即獲得合格的醫(yī)用氧氣。為獲得連續(xù)穩(wěn)定的醫(yī)用氧氣，變壓吸附制氧設(shè)備設(shè)置兩座吸附塔，交替產(chǎn)氧，一座吸附產(chǎn)出氧氣時，另一座吸附器處于再生狀態(tài)，再生排出的其他組分氣體通過消音器消音排到室外。

4 應(yīng)用效果實例

我院于2009年購進溫州瑞氣空分設(shè)備有限公司生產(chǎn)的型號為YSPO93-50、產(chǎn)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(guī)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(fā)生。我院使用這種供氧方式3年多來，在線監(jiān)測氧純度一直＞90%，供氧壓力≥0.45 MPa,完全符合《醫(yī)用分子篩制氧設(shè)備通用技術(shù)規(guī)范》的要求，滿足了我院患者（2000張床位）治療用氧的需求，實現(xiàn)了醫(yī)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(yōu)越性

（1）產(chǎn)品氣有害物質(zhì)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(zhì)，很難通過分子篩，這就保證了產(chǎn)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(zhì)的含量均比國標《GB8982醫(yī)用氧氣》中規(guī)定的還要低[13]。

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

（3）安全環(huán)保。醫(yī)用變壓吸附制氧設(shè)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(yīng)，對環(huán)境無污染[14-15]。

6 PSA制氧技術(shù)發(fā)展前景

PSA氣體分離和提純技術(shù)是利用分子篩，依靠壓力的變化來實現(xiàn)吸附和再生。通過選擇好的吸附劑，采用多層氣體過濾系統(tǒng)，選用適當?shù)牧鞒?，就可生產(chǎn)出潔凈的符合標準的醫(yī)用氧氣[16]。此技術(shù)再生速度快、能耗低、屬于節(jié)能型氣體分離技術(shù)，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(fā)展：① 分子篩性能的提升。隨著新材料及納米技術(shù)的發(fā)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(chǎn)品氣的提純精度將越來越高[17-18]；② 過濾系統(tǒng)的創(chuàng)新。過濾系統(tǒng)的開發(fā)將為提高產(chǎn)品氣的分離效率、降低設(shè)備的功耗、提高設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性提供了新的可能；③ 吸附流程的優(yōu)化。吸附流程的優(yōu)化將為吸附設(shè)備效率的提高及成本的降低提供保證[19]。

7 結(jié)論

變壓吸附制氧是制氧技術(shù)的一次重大變革，該項技術(shù)正在迅速發(fā)展，應(yīng)用將更加廣泛?，F(xiàn)在國內(nèi)的許多大中型醫(yī)院已經(jīng)采用這種方式供氧，是醫(yī)療供氧方式的重大改進。變壓吸附制氧系統(tǒng)安全，使用方便，能很好地替代高壓鋼瓶。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，變壓吸附制氧技術(shù)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(huán)境更加友好，為現(xiàn)代化醫(yī)院的建設(shè)提供更好的供氧選擇。

[1] 田津津,張玉文.變壓吸附制氧技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J].深冷技術(shù),2005,(6):7-10.

[2] Ruthven DM,Farooq S,Knaebel KS.Pressure swing adsorption[M].New York:VCH Publishers Inc,1994,(4):67-70.

[3] 郜豫川,武可.PSA制氧技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展[A].變壓吸附設(shè)備技術(shù)交流會論文集[C].2002.1-3.

[4] 許敏,帕爾哈提.淺談分子篩制氧系統(tǒng)的選擇使用和管理[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2010,25(12):87-89.

[5] 黃祖勇,醫(yī)用分子篩制氧設(shè)備的質(zhì)量控制和安全管理探討[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2011,26(02):78-79.

[6] YY/T0298-1998,醫(yī)用分子篩制氧設(shè)備通用技術(shù)規(guī)范[S].北京:國家食品藥品監(jiān)督管理局,1998.

[7] 耿云峰,耿晨霞,張文效.變壓吸附(PSA)空分制氧技術(shù)進展[J].煤化工,2003,104(4):33-36.

[8] 李杰,周理.變壓吸附空分制氧的技術(shù)進展[J].化學工業(yè)與工程,2004,21(3):15-18.

[9] 卜令兵,劉應(yīng)書.小型變壓吸附制氧技術(shù)研究[J].化學工業(yè)與工程,2007,(1):32-36.

[10] 崔紅社.兩極變壓吸附制取高濃度氧實驗研究及數(shù)值模擬[D].北京科技大學,2004.

[11] 劉世合.變壓吸附技術(shù)現(xiàn)狀[J].氣體分離,2008,(1):21-25.

[12] 王勤修.分子篩制氧設(shè)備在醫(yī)院的應(yīng)用[J].中國醫(yī)院建筑與裝備,2010,(1):9-11.

[13] 卜令兵,劉應(yīng)書.微型變壓吸附制氧與氧療保健[J].低溫與特氣,2005,23(1):21-23.

[14] 胡濤.用高性能制氧分子篩變壓吸附[J].南京化工大學學報,2000,(5):22.

[15] 曾征.淺談變壓吸附制氧技術(shù)的主要特點[J].化工之友,2007,(9):23-26.

[16] 王麗麗,劉勃安.空分技術(shù)讀本[M].北京:化學工業(yè)出版社,2009.

[17] 侯瑞宏.國外變壓吸附空分技術(shù)進度[J].黎明化工,1994,24(6):8-10.

[18] 李化治.制氧技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1997.

[19] 顧飛龍.變壓吸附空氣分離技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用[J].化工裝備技術(shù),1999,(1):47-51.