朱 路，朱孟府，邓 橙，陈 平，王兴鹏

分子筛制氧机富氧气体组分分析

朱 路，朱孟府，邓 橙，陈 平，王兴鹏

目的：通过对分子筛制氧机富氧气体进行组分分析，为改进变压吸附工艺或研发新型分子筛材料以获取高纯氧奠定基础。方法：采用气相色谱分析仪，测试分子筛制氧机富氧气体的氧气、氮气、氩气、二氧化碳、总烃的含量。结果：分子筛制氧机富氧气体的主要杂质为氮气和氩气，二氧化碳和总烃含量微小。随着氧气含量增加，氮气含量降低，氩气含量增加。当氧气体积分数为94.424 9%时，氩气体积分数为5.110 1%，氮气体积分数仅为0.464 3%。结论：影响分子筛制氧机制备的富氧气体氧含量的主要因素为空气中的氩气，常用的沸石分子筛很难吸附分离氩气，需要研发具有氧、氩分离性能的新型分子筛材料以获取高纯度氧气。

制氧机；分子筛；富氧气体；气体分析；变压吸附

0 引言

随着氧气制备技术的发展，医用供氧在钢瓶单独供氧、钢瓶混流排供氧、液氧集中供氧的基础上，发展出了医用分子筛制氧机（又称变压吸附制氧机）供氧。变压吸附技术是基于吸附剂对不同组分的吸附特性差异以及吸附容量随压力变化而变化的特性，通过周期性压力变化而实现对气体的分离或提纯[1-3]。目前，变压吸附技术制备的富氧气体越来越广泛地应用于医院及家庭，特别是在高原、边远地区的应用尤为突出。通常采用变压吸附工艺制备的富氧气体氧含量较低，即使是医用分子筛制氧设备所制备的氧气含量也只为（93±3）%（体积分数）[4-6]，并未达到中国药典和国家、军队相关标准规定的医用氧的氧含量指标[7-8]。为了更好地提高分子筛制氧机的产氧性能，了解分子筛制氧机制备的富氧气体与医用氧的组分差别，本文对采用变压吸附工艺的分子筛制氧机制备的富氧气体组分进行了分析测量，以确定影响分子筛制氧机产氧性能的关键因素，从而为改进变压吸附制氧工艺以及研发新型分子筛吸附材料奠定基础。

1 实验

1.1 仪器设备

分子筛制氧机，PSA-10A型，以沸石分子筛（ZMS）为吸附剂，自研[9]；气相色谱分析仪，GC-9310型，上海荆和分析仪器有限公司生产。

1.2 实验方法

（1）用标准气体对气相色谱分析仪进行标定。标准气体的体积分数分别为氩气0.72%、氮气6.23%、甲烷（294×10-4）%、一氧化碳（295×10-4）%、二氧化碳（296×10-4）%，剩余为氧气。图1为标准气体典型色谱峰曲线，图1（a）中保留时间为0.11、0.45、1.05、2.57 min的4个时间点分别对应总烃、一氧化碳、甲烷和二氧化碳等4种气体峰，图1（b）中保留时间为1.19和1.39 min的2个时间点分别对应氩气和氮气2种气体峰。每个时间点前后10%的时间带内出现的峰也作为相应气体峰计算。

图1 标准气体典型色谱峰曲线

（2）测量制氧机制备的富氧气体组分。实验分别测试了PSA-10A制氧机产氧流量为4、6、8 L/min时的气体组分，以及产氧流量为8 L/min连续运行14 h时的气体组分。图2为制氧机运行稳定后制备的富氧气体的测试曲线，图2（a）在保留时间为0.11和2.57 min时出现2个信号峰，说明待测富氧气体中存在总烃和二氧化碳气体；图2（b）在保留时间为1.12和1.31 min时也出现2个信号峰，说明待测富氧气体中存在氩气和氮气。

（3）待测气体定性后，再根据信号值的强弱，与标准气体测试峰的信号值进行对比，确定各组分气体含量。氧气含量不是直接测量出来的，而是通过将气体组分中其他气体含量全部减掉，剩余含量即为氧气含量。

2 结果与讨论

2.1 产氧流量对富氧气体各组分含量的影响

表1为制氧机不同产氧流量时的富氧气体各组分的含量。可以看出，富氧气体含有氧气、氮气、氩气、总烃和二氧化碳等5种组分，其中主要成分为氧气、氮气和氩气，而总烃和二氧化碳含量只在10-4级别，含量非常微小，且基本不随产氧流量的改变而变化。氧气、氮气和氩气含量随着产氧流量的改变而变化，产氧流量减小，氧气含量增加，氮气含量呈快速下降的趋势，氩气含量呈增加的趋势，增加速度约为10%。氮气和氩气的这一变化趋势说明影响分子筛制氧机制备的富氧气体氧含量进一步提高的关键因素是氩气，而另一主要组分氮气含量则随着分子筛利用率的提高呈明显下降的趋势，这说明现有的变压吸附制氧工艺所用沸石分子筛对氮气的吸附效果非常有效，只要提高沸石分子筛的吸附分离率就可以有效降低氮气含量。虽然氩气在空气中的体积分数小于1%，但经变压吸附工艺分离后，在富氧气体中的体积分数可达5%以上，说明富氧气体中的氩气很难通过现有的沸石分子筛材料有效吸附分离[10]。

图2 制氧机富氧气体测试曲线

表1 制氧机不同产氧流量时的富氧气体组分体积分数%

2.2 富氧气体与高纯氧组分含量对比

为了更好地了解分子筛制氧机制备的富氧气体

的组成，在相同测试条件下进行了富氧气体与深冷法制备的高纯氧组分测试，结果见表2。由表2可知，高纯氧中不含有氩气组分，且氮气组分的体积分数也仅为0.052 7%，氧气体积分数可达99.9%以上，远高于分子筛制氧机制备的富氧气体的氧含量。这说明深冷法制备的高纯氧可以完全去除空气中的%氩气，而分子筛制氧机制备的富氧气体含有氮气和氩气，其中氮气含量可以通过优化工艺参数去除或降低，但是采用沸石分子筛的变压吸附工艺不能去除氩气，因此，其富氧气体的氧含量受到限制。

表2 富氧气体与高纯氧组分含量对比

2.3 制氧机运行时间对富氧气体各组分含量的影响

图3为在产氧流量为8 L/min时制氧机连续运行产生的富氧气体组分变化曲线。可以看出，在制氧机连续运行时间内，相比于氮气和氧气的含量，氩气的含量较为稳定，体积分数基本保持在3.8%左右，这进一步说明了氩气这一惰性气体在富氧气体中的残留量非常稳定，运行时间的延长不会对其产生影响。制氧机在运行时间内，氮气含量有微小波动，可能与分子筛材料本身、外界温度变化以及外接电源电压波动等因素有关。氧气体积分数基本稳定在93%左右，说明该制氧机的稳定性较好，可以保证长时间连续运行氧含量不变。

3 结论

通过对分子筛制氧机制备的富氧气体中的氧气、氮气、氩气、二氧化碳、总烃等组分分析表明，沸石分子筛制氧机富氧气体的主要杂质成分是氩气，氩气含量不随沸石分子筛吸附性能的变化而变化，是制约沸石分子筛制氧机获取高纯氧的关键影响因素。因此，为制备高纯氧或医用氧，分子筛变压吸附制氧工艺的工作重点是如何消除产品气中的氩气组分。

图3 制氧机运行时间对富氧气体组分含量影响曲线

（收稿：2013-09-09 修回：2013-12-20）

（栏目责任编校：李惠萍 孙丽丽）

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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，研究方向为功能材料及分离技术。

300161天津，军事医学科学院卫生装备研究所（朱 路，朱孟府，邓 橙，陈 平，王兴鹏）

朱孟府，E-mail：zmf323@163.com