彌散氧的開發(fā)與應用

楊世超

摘 要：介紹了彌散氧的新概念，分別從概念提出，設備原理，流程結構及試用狀況進行了詳細論述，并描述了彌散氧設備的應用前景。

關鍵詞：高原缺氧 變壓吸附 制氧機 彌散氧 應用

中圖分類號：TQ116 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（a）-0002-04

氧氣是人們生存必不可少的物質，但是因為地勢海拔高（大氣稀薄，氧含量低）、環(huán)境污染重（局部氧濃度低）、空調環(huán)境等因素使人們生活在一個相對缺少氧氣的環(huán)境，缺氧能引起能量供給不足，同時使人體發(fā)生機能、代謝和形態(tài)上的變化，并導致很多疾病的產生。因此我們依托變壓吸附制氧技術的發(fā)展，研發(fā)彌散氧設備，以提高人們所處的外環(huán)境的氧含量（氧濃度），達到緩解缺氧癥狀、預防病變，增進健康的目的。

1 氧氣的作用和缺氧的危害[1]

生命離不開氧氣。氧氣是人體新陳代謝的重要物質，是心臟的動力之源，是人類進行生命活動的不可或缺的要素。在人體得到充足的氧氣供應的情況下，人體通過進食獲取的蛋白質、脂肪、糖等營養(yǎng)物質才能轉化成能量，供給人體各個組織器官，保證生命運動的需要。人的生命運動需要源源不斷的氣態(tài)氧。

然而，在高原地區(qū)，隨著海拔的升高，大氣壓力隨著降低，空氣中的氧含量隨之降低，根據(jù)相關的實驗測量數(shù)據(jù)，海拔高度、環(huán)境大氣壓及空氣中的氧含量的關系如圖1所示。

當海拔高度超過2000 m時，由于氣壓降低（只相當于海平面大氣壓的78%），使大氣含氧量驟降22%，一般人體就有不同程度的缺氧反應（俗稱高原反應），當海拔繼續(xù)升高時，就會表現(xiàn)明顯的癥狀：頭疼、頭暈、胸悶、氣短、呼吸急促、心率加快、口唇發(fā)紫、血壓升高、腿軟無力、失眠多夢等。海拔4000 m時，大氣含氧量只相當于海平面大氣含氧量的60%，即使是身體素質較好者，在7～15 d的適應時間后，上述明顯的反應基本消失，但也會體力不足，影響工作和休息。

缺氧對呼吸系統(tǒng)的影響及常見病變：呼吸頻次加快，在疲勞或感冒情況下，極易出現(xiàn)肺氣腫，一旦處理不善就會危及生命！

缺氧對內循環(huán)系統(tǒng)的影響及常見病變：血氧飽和度降低，心跳加快，出現(xiàn)心臟變大，心肌缺血和血紅蛋白含量超標；

缺氧對消化系統(tǒng)的影響及常見的病變：消化能力下降，營養(yǎng)吸收不充分，經常腹瀉，人明顯消瘦；……

缺氧后果的嚴重程度，同缺氧的持續(xù)時間有很大關系，及時糾正缺氧，可以避免或減少組織器官的損傷。

我國有青藏高原、云貴高原等約占國土面積四分之一的高原地區(qū)，西藏地區(qū)的平均海拔在4500 m以上。近年來，每年到西藏工作或旅游的人數(shù)在600萬以上，這些人從平原來到高原都會或多或少的受到高原反應的困擾，甚至有個別人員因為缺氧帶來的病變被奪去寶貴的生命。

例如，西藏高原上的機場現(xiàn)有環(huán)境無法達到飛機過夜條件，原因之一就是高原缺氧、低壓，人員高原反應強烈。初上高原適應期一般需要5～7 d，飛行人員一般在拉薩過夜時間為1～2 d，即還未過適應期，飛行人員就回到低海拔地區(qū)，對身體影響較大。而克服飛行人員的高原反應就需要給飛行人員創(chuàng)建一個富氧環(huán)境，消除缺氧癥狀，讓其休息好，保證充沛的體力和精力。

2 彌散氧的提出

一般來說，用于補充各種環(huán)境性缺氧、繁重腦力勞動者、老年人、孕婦和慢性病康復期病人的生理性缺氧，作為預防缺氧的，稱為氧保健。氧保健的科學研究，已經在世界范圍內得到重視，人們對氧供應影響人體生理、病理復雜機制的認識不斷深化。隨著認識的深化，氧保健將在預防醫(yī)學、臨床醫(yī)學、職業(yè)病醫(yī)學、老年醫(yī)學等領域進一步廣泛應用，氧保健將在各種人群中得到廣泛認同，進入工作、休閑等領域。氧保健應用領域的擴展也帶來了對供氧方式的變革要求，從醫(yī)院的專業(yè)式輸氧、高壓氧艙的特定方式吸氧發(fā)展到要求改善工作生活的用氧環(huán)境，從供應純氧發(fā)展到模擬大氣環(huán)境的最佳用氧濃度。

人體主要是通過肺部呼吸（皮膚也有少量的呼吸功能）來達到吸取氧氣，排出二氧化碳等廢氣的機能，肺部進行氣體交換主要是靠氣體擴散原理來實現(xiàn)的，而氣體產生擴散運動必須存在分壓差。但是我們生存的大氣環(huán)境的氧濃度（20.93%）幾乎是保持不變的，在同一海拔情況下氧分壓幾乎一樣。要想進一步提高呼吸效率，提高人體的攜氧量，就必須人為提高氧分壓，途徑主要有提高氧濃度或者大氣加壓，我們知道進行大氣加壓是行不通的，所以最好的解決方案就是提高氧濃度。

彌散氧就是通過提高相對封閉空間（比如臥室、辦公室等）的氧含量（氧濃度）來改善人體所在的外環(huán)境，使人體沐浴在一個富氧的環(huán)境中，從而達到改善人體呼吸內環(huán)境，促進代謝過程的良性循環(huán)，以達到緩解缺氧癥狀、促進康復和預防病變，增進健康的目的。

同傳統(tǒng)吸氧方式相比，彌散氧是直接提高人體所處環(huán)境的氧含量，不需要佩帶各種呼吸面罩或者噴嘴，解除了傳統(tǒng)吸氧方式的各種束縛，使人體能在一個舒服、自由甚至毫無察覺的條件下進行氧保健，甚至可以連續(xù)24 h不間斷使用，使你的工作、休息都能保持在一個富氧環(huán)境中。彌散氧保健，無需專門指導，相對于傳統(tǒng)吸氧方式有效的避免了因為吸取純氧和高壓氧所引起的氧中毒的風險。

另外彌散氧設備使用的吸附劑（沸石分子篩）具有對有毒性氣體（如：SO2、NO等）強的吸附性能，能起到凈化空氣的效果，效果快速而肯定，有益而無害。

因此，溫州瑞氣醫(yī)用分子篩制氧機在進行市場開發(fā)的過程中，與西藏航空達成合作共識，共同開發(fā)一種舒適的吸氧方式，即給空乘人員創(chuàng)建一個氧含量充分的環(huán)境，消除空乘人員在高原機場工作引起的缺氧癥狀，使其休息好，保證充沛的體力和精力，并定名為“彌散氧”。此項目需要將室內氧含量提升并自動穩(wěn)定在一個安全范圍內，使空勤人員擺脫了傳統(tǒng)鼻吸式供氧的鼻吸管的束縛，可以得到自由的休息。

3 彌散氧設備的選擇[2，3]

變壓吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）的基本原理是利用氣體組分在固體材料上吸附特性的差異以及吸附量隨壓力變化而變化的特性，通過周期性的壓力變換過程實現(xiàn)氣體的分離或提純。PSA空分制氧使用的吸附劑一般為分子篩，特別是5A沸石分子篩。由于N2、O2分子的偶極矩不同，N2分子的偶極矩大于O2的偶極矩，吸附劑中的陽離子與N2的作用力大于O2，使得N2的平衡吸附容量高于O2，在中、低壓（如0.6 MPa）下分子篩優(yōu)先吸附氮氣，從而達到分離氮、氧的目的。然后通過降壓將吸附的氮氣從吸附劑中解吸出來，達到吸附床層的再生。

變壓吸附法制氧較其他方法制氧（如低溫精餾法、薄膜滲透法和化學吸收法等）具有如下優(yōu)點。

（1）裝置啟動迅速，隨時開機即可制氧，啟動后幾分鐘至十幾分鐘便可獲得合格產品氧。

（2）裝置體積小，操作簡單，自動化程度高，不需人工操作。

（3）投資和管理費用比較低，單位產品能耗低（尤其是中小型），氣體生產成本低。

（4）產品純度可以在一定范圍內任意調節(jié)。

（5）環(huán)境效益好，PSA裝置的運行不會造成新的環(huán)境污染，幾乎無“三廢”產生。

經過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在變壓吸附法生產的氧氣廣泛應用于氧化反應，造紙漂白；氧氣頂吹轉爐煉鋼、高爐富氧噴煤煉鐵和有色金屬的冶煉；環(huán)境保護，污水生化處理；醫(yī)療保健、家庭氧療、室內環(huán)境、高原補氧，科研氧源以及養(yǎng)殖業(yè)用氧等許多領域。

因此，根據(jù)變壓吸附分子篩制氧設備的特點和現(xiàn)有制氧機的使用經驗，選擇PSA技術做為彌散氧設備的開發(fā)方向。

4 彌散氧設備的流程和結構

彌散氧設備做為民用產品，成本控制成為設備研發(fā)的關鍵點之一，為了降低設備的制造和運行費用，我們對制氧系統(tǒng)的流程進行了優(yōu)化，通過試驗，最后確定彌散氧制氧系統(tǒng)流程如圖2所示。

流程簡介：本設備由兩臺微型空壓機提供壓縮氣源，由于分子篩對水分和灰塵的敏感性，配備了風冷卻器和過濾器、干燥塔去除氣源中的水分和灰塵等雜質，采用兩只吸附塔輪流工作、再生以保證連續(xù)得到產品氧氣。本系統(tǒng)中應用了兩個優(yōu)選的流程：再生氣二次吹掃流程和再生氣回收流程。

（1）再生氣二次吹掃流程：PSA分子篩制氧機要求必須對氣源進行處理，去除其中含有的水份，因為一旦分子篩進水或吸水飽和后就會發(fā)生分子篩粉化，使制氧機性能下降甚至無法使用?，F(xiàn)階段對氣源除水的主要方式有冷凍式干燥（冷干機）、吸附式干燥（吸干機）和過濾（過濾器），冷干機氣體干燥程度比吸干機要差，吸干機需要消耗10%左右的再生氣比冷干機能耗高。為了保證PSA分子篩用制氧機性能安全可靠，滿足設計壽命的要求，我們選擇了過濾+吸附式干燥，為了減少能耗，我們創(chuàng)新地采用吸附塔的再生氣來吹掃干燥塔，使再生氣二次利用，節(jié)省了10%的再生氣，這樣一來吸附式干燥比冷凍式干燥的能耗還低，這項技術目前是首創(chuàng)。

（2）再生氣回收流程：要提高PSA分子篩制氧機性能，就要提高分子篩的產氣率和回收率。我們通過實驗發(fā)現(xiàn)吸附塔再生氣在最后十幾秒的氧含量比較高，因此我們創(chuàng)新流程，將這十幾秒的再生氣回收利用，大大提高了分子篩的回收率，也相應提高了產氣率。因此，同樣產氧量的設備所需填裝的分子篩就能相應減少，所需配空壓機規(guī)格也能相應減小，設備成本和能耗就能相應降低。

根據(jù)市場需求，我們從醫(yī)院集中供氧系統(tǒng)和空調設備上獲得靈感，使彌散氧設備像空調設備調節(jié)室溫一樣工作，極大的提高了產品的用戶體驗。將動力設備（空壓機）和主要的噪聲點（制氧系統(tǒng)）組合成室外機，安裝在室外，便于降低設備噪聲。將控制系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)組合成室內機，安裝在室內，便于操作控制。采用遙控器輔助，使用方便，操作簡單。通過試驗和設計改進，最后確定彌散氧設備結構如圖3所示。

5 彌散氧設備型號的確定

為了試制樣機對彌散氧設備的各項技術指標進行實驗檢測，我們按如下方法對彌散氧設備的產氧量進行計算?？紤]到設備的實用性，以設備在拉薩使用為例進行計算，西藏拉薩地區(qū)的海拔約為3600 m，考慮到設備的經濟性，以提升到1600 m海拔的氧含量為例進行計算。根據(jù)相關的實驗測量數(shù)據(jù)，海拔高度、氣溫和氣壓的關系如表1所示。

（1）分別計算1600 m海拔、3600 m海拔的大氣壓值折算到標準狀態(tài)（0 ℃，101.325 kPa）時的壓力值。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程有：

Pa/Ta=PN/TN 推導出：Pa=PNTa/TN

（1）

式中：Pa為折算到標準狀態(tài)（0℃，101.325 kPa）時的壓力值（MPa）（以下同）；

PN為使用狀態(tài)下的壓力值（MPa）；

TN為氣體在使用狀態(tài)下的溫度修正，TN=273+使用溫度（K）；

Ta為標準狀態(tài)下的絕對溫度273（K）。

1600 m時，查上表（表1）得4.6 ℃時，大氣壓為835.2百帕，代入公式（1）：

Pa1600=0.08352×273/（273+4.6）

=0.0821（MPa）

3600 m時，查上表（表1）得-8.4℃時，大氣壓為649.2百帕，代入公式（1）：

Pa3600=0.06492×273/（273-8.4）

=0.067（MPa）

（2）計算出1600 m和3600 m海拔時的大氣氧含量，由于大氣氧含量與大氣壓成正比：

Pa/Po=ηa/ηo，推導出：ηa=Pa×ηo/Po

（2）

式中：Po為標準狀態(tài)的壓力值（壓力常數(shù)：0.101325MPa）（以下同）；

ηa為使用海拔狀態(tài)下的氧含量（g/m3）；

ηo為標準狀態(tài)下0海拔的氧含量（測量常數(shù)：299.3 g/m3）。

將公式（1）計算出的Pa值分別代入公式（2），則可分別計算出1600 m和3600 m海拔時的大氣氧含量：

1600 m時：

ηa1600=Pa160×ηo/Po

=0.0821×299.3/0.101325

=242.5（g/m3）

3600 m時：

ηa 3600=Pa3600×ηo/Po

=0.067×299.3/0.101325

=197.9（g/m3）

（3）計算海拔為3600 m時室內氧分壓提升到1600 m時氧分壓水平所需要達到的氧純度。標準狀態(tài)下的氧氣密度為1429 g/m3，由前面計算得知，當海拔為1600 m時，一個立方米的空氣含242.5 g氧氣，折算成標準狀態(tài)下的氧氣體積為：

V0=242.5/1429=0.1697（m3）

式中：V0為折算到標準狀態(tài)（0℃，101.325 kPa）時的氧氣體積值（m3）（下同）；

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：

P0 V0=Pa Va 推導出：Va=P0 V0/Pa

（3）

式中：Va為折算到海拔狀態(tài)時的氧氣體積值（m3）。

將V0代入公式（3），折算成3600海拔時的氧氣體積：

Va3600=0.1697×0.101325/0.067

=0.2566（m3）

（4）根據(jù)以上計算結果可知，在3600 m海拔的情況下要達到1600 m海拔下的氧分壓的值，其室內的氧氣純度（體積比）要控制在25.66%以上。這個純度值可以做為設備實驗和自動控制的參考值。

（5）計算彌散制氧機的氧氣流量。由以上氧含量計算結果可知3600 m海拔要達到1600 m海拔的氧分壓的水平，必須增加的氧氣量（Δη）：

Δη=ηa1600-ηa 3600=242.5-197.9=44.6（g/m3）

假設單個房間面積15 m2，凈高3 m，則需氧量等于15×3×44.6=2007（g），標準狀態(tài)下的氧氣密度為1429 g/m3，換算成標準狀態(tài)下的體積等于2007/1429=1.404（m3）；

假設3 h的彌散空間氧濃度提升時間，30%的持續(xù)彌散泄露量（試驗數(shù)據(jù)），以及2人的耗氧量（平均每人每小時耗氧量22 L），90%的供氧純度，所需氧氣流量（Q）為：

Q=[1.404×（1+30%）/3+2×0.022]/0.9

=0.725 m3/h（0 ℃，101.325 kPa）

根據(jù)以上計算，初步確定彌散氧設備試制樣機產氧氣量為1.0 m3/h（0 ℃，101.325 kPa）。

6 彌散氧設備的試用

在樣機試制完成以后，從2007年開始到2009年，我們往返拉薩數(shù)十次，實施了數(shù)十次試驗，歷經了3次大的整體改進，定型的彌散氧設備終于在供氧指標、純度控制、內外機噪音、體積重量和使用壽命、機電安全方面都滿足甚至超過了設計需求，特別是在噪音控制方面，外機的噪音低于1.5匹空調外機的運轉噪音，內機的噪音人耳根本無法感受得到，滿足了拉薩夜間的特殊的靜音環(huán)境的需要。同時，在七個方面完成了全面創(chuàng)新，為進一步改進產品奠定了理論和實驗基礎。

2009年1月開始，空軍航空醫(yī)學研究所開始對彌散氧設備進行性能測試，經過在北京試驗室的低壓艙模擬環(huán)境設備性能測試、拉薩機場使用地點實地設備性能測試，以及人體生理指標測試。根據(jù)測試結果，我們又對個別指標進行了調整。2009年4月10日，空軍航空醫(yī)學研究所出具了試驗報告，確認提交測試的設備滿足設計需求，即滿足空勤人員房間彌散供氧的技術要求，能夠保證空乘人員休息效果良好，無明顯缺氧反應。2009年8月18日，列為西藏自治區(qū)科技廳重點科研項目的“高原分體式彌散供氧系統(tǒng)”正式通過驗收。

2010年以來，共有幾百臺彌散氧設備陸續(xù)在拉薩的機場、賓館、機關辦公室得到應用。對往返于拉薩的人員克服高原反應起到了良好的幫助，獲得了良好的社會效益和經濟效益。

7 彌散氧設備的應用前景

氧療和氧保健的出現(xiàn)，意味著人類對于氧的需求由完全仰賴自然向進一步自覺爭取的轉變，彌散氧設備的出現(xiàn)，使這個轉變又邁出了一大步，在人與氧氣的歷史上譜寫了新的篇章。彌散氧設備將在改善人們用氧環(huán)境上發(fā)揮越來越多的作用。在將來，彌散氧設備上還可以與加濕器和負離子發(fā)生器、空氣凈化器、空調組合，也可以附加二氧化碳、臭氧、溫濕度傳感器，全面檢測和改善房間里的各項理化指標。

隨著西藏的開發(fā)，人們生活水平的不斷提高，到美麗的青藏高原旅游的人數(shù)越來越多，這些都為高原彌散氧提供了廣闊的市場。隨著彌散氧設備開發(fā)的進展，適用于車載、帳篷、單兵等的系列產品都將出現(xiàn)。終有一天，“生命禁區(qū)”會變成人們的樂園。

空調環(huán)境是一個隔離外界的內循環(huán)環(huán)境，人體不斷消耗氧氣，致使這個密閉的環(huán)境長期處于一個相對缺氧的狀態(tài)，這種狀態(tài)已經不同程度地影響人們的工作、學習和生活了。人們長時間呆在空調房里會感到憋悶，甚至煩躁不安，彌散氧是解決這一問題的最佳方案。通過向房間注氧，使房間氧含量達到平衡或者更高，從而解決缺氧問題。

家庭氧保健是彌散氧設備的另一個重要應用方面?，F(xiàn)在，很多大、中城市污染嚴重，慢性病多發(fā)，做為預防措施之一的氧保健越來越受到重視，這也使得彌散氧做為保健用氧的一種工具進入家庭應用成為可能。

參考文獻

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