分子篩制氧機(jī)富氧氣體組分分析

朱 路，朱孟府，鄧 橙，陳 平，王興鵬

分子篩制氧機(jī)富氧氣體組分分析

朱 路，朱孟府，鄧 橙，陳 平，王興鵬

目的：通過(guò)對(duì)分子篩制氧機(jī)富氧氣體進(jìn)行組分分析，為改進(jìn)變壓吸附工藝或研發(fā)新型分子篩材料以獲取高純氧奠定基礎(chǔ)。方法：采用氣相色譜分析儀，測(cè)試分子篩制氧機(jī)富氧氣體的氧氣、氮?dú)?、氬氣、二氧化碳、總烴的含量。結(jié)果：分子篩制氧機(jī)富氧氣體的主要雜質(zhì)為氮?dú)夂蜌鍤猓趸己涂偀N含量微小。隨著氧氣含量增加，氮?dú)夂拷档?，氬氣含量增加。?dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)為94.424 9%時(shí)，氬氣體積分?jǐn)?shù)為5.110 1%，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)僅為0.464 3%。結(jié)論：影響分子篩制氧機(jī)制備的富氧氣體氧含量的主要因素為空氣中的氬氣，常用的沸石分子篩很難吸附分離氬氣，需要研發(fā)具有氧、氬分離性能的新型分子篩材料以獲取高純度氧氣。

制氧機(jī)；分子篩；富氧氣體；氣體分析；變壓吸附

0 引言

隨著氧氣制備技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)用供氧在鋼瓶單獨(dú)供氧、鋼瓶混流排供氧、液氧集中供氧的基礎(chǔ)上，發(fā)展出了醫(yī)用分子篩制氧機(jī)（又稱變壓吸附制氧機(jī)）供氧。變壓吸附技術(shù)是基于吸附劑對(duì)不同組分的吸附特性差異以及吸附容量隨壓力變化而變化的特性，通過(guò)周期性壓力變化而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的分離或提純[1-3]。目前，變壓吸附技術(shù)制備的富氧氣體越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于醫(yī)院及家庭，特別是在高原、邊遠(yuǎn)地區(qū)的應(yīng)用尤為突出。通常采用變壓吸附工藝制備的富氧氣體氧含量較低，即使是醫(yī)用分子篩制氧設(shè)備所制備的氧氣含量也只為（93±3）%（體積分?jǐn)?shù)）[4-6]，并未達(dá)到中國(guó)藥典和國(guó)家、軍隊(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的醫(yī)用氧的氧含量指標(biāo)[7-8]。為了更好地提高分子篩制氧機(jī)的產(chǎn)氧性能，了解分子篩制氧機(jī)制備的富氧氣體與醫(yī)用氧的組分差別，本文對(duì)采用變壓吸附工藝的分子篩制氧機(jī)制備的富氧氣體組分進(jìn)行了分析測(cè)量，以確定影響分子篩制氧機(jī)產(chǎn)氧性能的關(guān)鍵因素，從而為改進(jìn)變壓吸附制氧工藝以及研發(fā)新型分子篩吸附材料奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器設(shè)備

分子篩制氧機(jī)，PSA-10A型，以沸石分子篩（ZMS）為吸附劑，自研[9]；氣相色譜分析儀，GC-9310型，上海荊和分析儀器有限公司生產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）用標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)氣相色譜分析儀進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)準(zhǔn)氣體的體積分?jǐn)?shù)分別為氬氣0.72%、氮?dú)?.23%、甲烷（294×10-4）%、一氧化碳（295×10-4）%、二氧化碳（296×10-4）%，剩余為氧氣。圖1為標(biāo)準(zhǔn)氣體典型色譜峰曲線，圖1（a）中保留時(shí)間為0.11、0.45、1.05、2.57 min的4個(gè)時(shí)間點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)總烴、一氧化碳、甲烷和二氧化碳等4種氣體峰，圖1（b）中保留時(shí)間為1.19和1.39 min的2個(gè)時(shí)間點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)氬氣和氮?dú)?種氣體峰。每個(gè)時(shí)間點(diǎn)前后10%的時(shí)間帶內(nèi)出現(xiàn)的峰也作為相應(yīng)氣體峰計(jì)算。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)氣體典型色譜峰曲線

（2）測(cè)量制氧機(jī)制備的富氧氣體組分。實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了PSA-10A制氧機(jī)產(chǎn)氧流量為4、6、8 L/min時(shí)的氣體組分，以及產(chǎn)氧流量為8 L/min連續(xù)運(yùn)行14 h時(shí)的氣體組分。圖2為制氧機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后制備的富氧氣體的測(cè)試曲線，圖2（a）在保留時(shí)間為0.11和2.57 min時(shí)出現(xiàn)2個(gè)信號(hào)峰，說(shuō)明待測(cè)富氧氣體中存在總烴和二氧化碳?xì)怏w；圖2（b）在保留時(shí)間為1.12和1.31 min時(shí)也出現(xiàn)2個(gè)信號(hào)峰，說(shuō)明待測(cè)富氧氣體中存在氬氣和氮?dú)狻?/p>

（3）待測(cè)氣體定性后，再根據(jù)信號(hào)值的強(qiáng)弱，與標(biāo)準(zhǔn)氣體測(cè)試峰的信號(hào)值進(jìn)行對(duì)比，確定各組分氣體含量。氧氣含量不是直接測(cè)量出來(lái)的，而是通過(guò)將氣體組分中其他氣體含量全部減掉，剩余含量即為氧氣含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)氧流量對(duì)富氧氣體各組分含量的影響

表1為制氧機(jī)不同產(chǎn)氧流量時(shí)的富氧氣體各組分的含量?？梢钥闯?，富氧氣體含有氧氣、氮?dú)?、氬氣、總烴和二氧化碳等5種組分，其中主要成分為氧氣、氮?dú)夂蜌鍤猓偀N和二氧化碳含量只在10-4級(jí)別，含量非常微小，且基本不隨產(chǎn)氧流量的改變而變化。氧氣、氮?dú)夂蜌鍤夂侩S著產(chǎn)氧流量的改變而變化，產(chǎn)氧流量減小，氧氣含量增加，氮?dú)夂砍士焖傧陆档内厔?shì)，氬氣含量呈增加的趨勢(shì)，增加速度約為10%。氮?dú)夂蜌鍤獾倪@一變化趨勢(shì)說(shuō)明影響分子篩制氧機(jī)制備的富氧氣體氧含量進(jìn)一步提高的關(guān)鍵因素是氬氣，而另一主要組分氮?dú)夂縿t隨著分子篩利用率的提高呈明顯下降的趨勢(shì)，這說(shuō)明現(xiàn)有的變壓吸附制氧工藝所用沸石分子篩對(duì)氮?dú)獾奈叫Ч浅Ｓ行?，只要提高沸石分子篩的吸附分離率就可以有效降低氮?dú)夂俊ｋm然氬氣在空氣中的體積分?jǐn)?shù)小于1%，但經(jīng)變壓吸附工藝分離后，在富氧氣體中的體積分?jǐn)?shù)可達(dá)5%以上，說(shuō)明富氧氣體中的氬氣很難通過(guò)現(xiàn)有的沸石分子篩材料有效吸附分離[10]。

圖2 制氧機(jī)富氧氣體測(cè)試曲線

表1 制氧機(jī)不同產(chǎn)氧流量時(shí)的富氧氣體組分體積分?jǐn)?shù)%

2.2 富氧氣體與高純氧組分含量對(duì)比

為了更好地了解分子篩制氧機(jī)制備的富氧氣體

的組成，在相同測(cè)試條件下進(jìn)行了富氧氣體與深冷法制備的高純氧組分測(cè)試，結(jié)果見表2。由表2可知，高純氧中不含有氬氣組分，且氮?dú)饨M分的體積分?jǐn)?shù)也僅為0.052 7%，氧氣體積分?jǐn)?shù)可達(dá)99.9%以上，遠(yuǎn)高于分子篩制氧機(jī)制備的富氧氣體的氧含量。這說(shuō)明深冷法制備的高純氧可以完全去除空氣中的%氬氣，而分子篩制氧機(jī)制備的富氧氣體含有氮?dú)夂蜌鍤?，其中氮?dú)夂靠梢酝ㄟ^(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)去除或降低，但是采用沸石分子篩的變壓吸附工藝不能去除氬氣，因此，其富氧氣體的氧含量受到限制。

表2 富氧氣體與高純氧組分含量對(duì)比

2.3 制氧機(jī)運(yùn)行時(shí)間對(duì)富氧氣體各組分含量的影響

圖3為在產(chǎn)氧流量為8 L/min時(shí)制氧機(jī)連續(xù)運(yùn)行產(chǎn)生的富氧氣體組分變化曲線?？梢钥闯?，在制氧機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，相比于氮?dú)夂脱鯕獾暮?，氬氣的含量較為穩(wěn)定，體積分?jǐn)?shù)基本保持在3.8%左右，這進(jìn)一步說(shuō)明了氬氣這一惰性氣體在富氧氣體中的殘留量非常穩(wěn)定，運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。制氧機(jī)在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，氮?dú)夂坑形⑿〔▌?dòng)，可能與分子篩材料本身、外界溫度變化以及外接電源電壓波動(dòng)等因素有關(guān)。氧氣體積分?jǐn)?shù)基本穩(wěn)定在93%左右，說(shuō)明該制氧機(jī)的穩(wěn)定性較好，可以保證長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行氧含量不變。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)分子篩制氧機(jī)制備的富氧氣體中的氧氣、氮?dú)狻鍤?、二氧化碳、總烴等組分分析表明，沸石分子篩制氧機(jī)富氧氣體的主要雜質(zhì)成分是氬氣，氬氣含量不隨沸石分子篩吸附性能的變化而變化，是制約沸石分子篩制氧機(jī)獲取高純氧的關(guān)鍵影響因素。因此，為制備高純氧或醫(yī)用氧，分子篩變壓吸附制氧工藝的工作重點(diǎn)是如何消除產(chǎn)品氣中的氬氣組分。

圖3 制氧機(jī)運(yùn)行時(shí)間對(duì)富氧氣體組分含量影響曲線

（收稿：2013-09-09 修回：2013-12-20）

（欄目責(zé)任編校：李惠萍 孫麗麗）

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Component Analysis on Oxygen-rich Gas by Molecular Sieve Oxygen Generator

ZHU Lu,ZHU Meng-fu,DENG Cheng,CHEN Ping,WANG Xing-peng
(Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300161,China)

Objective To perform componentanalysison the oxygen-rich gasby themolecular sieve oxygen generator in order to obtain high-purity oxygen by improving pressure swing adsorption process or developing newmolecular sievematerial.Methods A gas chromatographicanalyzerwas used to determine the concentrationsof the oxygen,nitrogen,argon,carbon dioxide and total hydrocarbon.Results Themajor impuritieswerenitrogen and argon,and increased argon and decreased nitrogenwere found with the increase of oxygen.When the concentration of oxygen came to 94.424 9%,the concentrations of argon and nitrogen were 5.110 1%and 0.464 3%respectively.Conclusion It's difficult to eliminate argon from the oxygen-rich gas by common zeolite molecular sieve,and it'ssuggested to develop newmolecular sievematerial to obtain high-purity oxygen.[Chinese Medical E－ quipment Journal，2014，35（3）：29-31]

oxygen concentrator;molecular sieve;oxygen-rich gas;gas analysis;PSA

R318.6；TH777

A

1003-8868（2013）03-0029-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2013.03.029

朱 路（1987—），男，博士研究生，研究方向?yàn)楣δ懿牧霞胺蛛x技術(shù)。

300161天津，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所（朱 路，朱孟府，鄧 橙，陳 平，王興鵬）

朱孟府，E-mail：zmf323@163.com