高原小型便携式供氧装置的现状及发展趋势

田朴 李宁 孔庆平 王静

摘 要：简单阐述了制氧技术的工作原理以及优缺点，通过介绍与分析国内外小型便携式供氧装置，提出一种小型便携式供氧装置的研究思路。

关键词：制氧技术;高原环境;小型装置

氧气是人类生存的重要保障，充足的氧气可保证人类正常的生理活动，保持身体健康。但是在高原环境下作业，面临持续低氧状况，会对人的感觉、思维、情绪、行动造成不良影响，严重时会对人体造成不可逆的损伤[1]。目前，最有效的解决办法就是持续给人体提供充足的氧气。现阶段，高原地区已有大型供氧装置，但设备能耗大、不便移动，人员通过定点吸氧或配备氧气瓶、氧气袋等补充氧气，携带不便且有一定的危险性，不能满足偏远地区或高原野外机动人员的供氧需求。因此，高原供氧的特殊性要求供氧装置朝着小型化、轻量化、智能化等方向发展[2]。

1 制氧技术原理

目前，适合小型化供氧装置的供氧技术主要有变压吸附法、膜分离法和化学制氧法3种。

1.1  变压吸附法制氧技术

变压吸附法制氧技术[3-4]是利用合成沸石分子筛对氮气和氧气的选择性吸附性能，加压时，分子筛吸附氮气得到富氧气氛;降压时，氮气解析，分子筛恢复吸附氮气的功能，实现空气中的氧氮分离。此方法具有沸石原料容易制备、成本低、技术比较稳定、可连续产氧、所得氧气质量分数在90%以上等优点。在军事领域，国外将其广泛用于战斗机的高空制氧，以供飞行员和发动机用氧[5-6]。但国内对变压吸附制氧技术的研究起步较晚，装置及产氧性能与国外有一定差距。近年来，随着变压吸附技术的不断发展，大型变压吸附制氧装置取得一定进展，北大先锋科技有限公司研制出锂分子筛变压吸附装置，并实现了工业化应用。

车载式变压吸附装置已经研制成功，可实现对乘员的及时供氧[7]。但其制氧原料源于外界洁净的空气，在外界环境遭到污染或极端天气条件下，变压吸附装置的供氧能力无法得到保障，且分子筛的使用寿命较短，容易粉化，所得氧气含尘量较大，需对氧气进行过滤处理。同时，分子筛容易吸水，降低分离效率，为保证分子筛的吸附能力，在使用前一般对空气进行脱水处理。脱水后的空气特别干燥，需对所得氧气进行加湿处理后才能使用。变压吸附法制氧设备比较复杂，包括空气预处理系统、分子筛氮氧分离系统、氧气后处理系统，在装置的小型化、轻量化处理方面有一定难度。

1.2  膜分离法制氧技术

膜分离法制氧技术[8]是利用不同气体在膜中的不同溶解和扩散系数，产生不同的渗透速度来实现气体分离。目前，膜分离法主要应用于合成氨过程中的氢气回收、氮氧分离以及天然气中二氧化碳的去除等。采用膜分离法制备氧气是以空气为原料，在一定压力下，气体分子通过中空纤维组成的薄膜时，纤维之间形成的微纳米孔洞会对气体中较大的杂质进行过滤，而气体中的其他组分会在中空纤维内外之间形成分压差，气体会向势能较低的一方运动，在分压差的推动下，气体经过溶解、扩散、解吸3个步骤，实现对空气的分离。目前，空气制氧的薄膜主要为高分子膜[9-10]和钙钛矿陶瓷透氧膜[11-12]，都有板式膜、管式膜和中空纤维膜3种。相较于其他薄膜，陶瓷中空纤维膜具有更好的机械性能，有利于膜的组装，同时具有更大的比表面积，可提高氧气的渗透效率。随着制备薄膜技术的发展，采用静电纺丝法可制备具有三维网状结构的中空陶瓷薄膜。在薄膜组件单元的组装过程中，具有三维网状结构的中空陶瓷薄膜的纤维之间会搭接微纳米孔洞，这些孔洞可对空气中的较大杂质起到一定的过滤作用。但是，陶瓷透氧膜工作需要具备两个条件[13]：一是有合适的工作温度，二是膜两侧有一定的浓度梯度。陶瓷透氧膜具有质量小、结构简单、易于携带，在使用过程中可通过增加、减少膜组件来调节产氧能力等优点。但是，中空纤维膜的制备有一定的技术难度，生产成本高，所制氧气质量分数较低，为20%～40%，但可直接供人体使用。和分子筛制氧技术一样，膜分离技术也需要外界洁净的空气，不适用于战场环境。

1.3  化学制氧法

化学制氧法是最早、也是应用最广泛的制氧技术，主要包括水的电解[14]、超氧化物氧气再生[15]以及氯酸盐氧烛热分解[16]3种，各有优缺点。水的电解能耗较高、产氧率低，主要是为了制备氢气。超氧化物氧气再生法是利用碱金属的超氧化物与二氧化碳和水反应放出氧气。但过氧化物非常活泼，在使用和贮存过程中需特别注意，以免引起燃烧和爆炸。氯酸盐氧烛热分解方法以氯酸钠为主体、以金属粉末为燃料，添加一定量的催化剂、抑氯剂、黏结剂等，经干混、湿混后，压制而成。使用时，通过机械撞击或电启动后，可自行燃烧，放出氧气。氧烛具有体积小、质量小、产氧快、含氧量高、受外界环境影响小、容易贮存和携带等优点，主要应用于矿井、潜艇、航天飞机中，或者作为密闭空间中的应急氧源。但是，氧烛在使用过程中会产生大量热量，在装置的小型化过程中，需提高装置的隔热性能。同时，所制备的氧气中可能含有一定量的杂质气体，需对其进行过滤处理。

目前，3种制氧技术已经在高原地区得到了一定的应用，变压吸附法和化学制氧法装置的小型化也取得了一定的进展，部分制氧装置已实现车载应用，但小型便携式供氧装置的研制还有待改进。目前，国外小型便攜式供氧装置[17]主要有：（1）美军单兵脉冲式供氧装置。采用电控装置，可根据人体所需自动调节供氧量，但主要气源是气瓶提供的氧气。（2）美军脉冲PSA制氧机。采用电控装置，质量小、体积小、便于携带，但存在供氧量不足的问题。（3）国内研制的ZYJ-II-D6高原单兵氧气机。采用膜分离法制氧技术，但在高原条件下，空气稀薄，提供的氧浓度较低。阮俊勇等[18]研制的HZY-1型单兵高原增氧呼吸器，主要通过风机局部加压来提高人体进氧量，但可能造成人体呼吸困难。田涛等[19]对小型变压吸附装置的工艺参数进行优化，提高了制氧装置的稳定性。刘娟等[20]在模拟高原环境下研究了低压低氧环境对膜分离法单兵制氧机的影响，并评估了氧气机的应用效果。张彦军等[21]成功制备了在低于氯酸钠熔融温度下可持续发生化学反应、产生氧气的氧烛，降低了装置的表面温度。

3种制氧技术的小型化各有优缺点，如采用膜分离法或变压吸附法制备氧气，在高原上存在供氧量不足的缺点，且在外界空气受到污染的情况下，装置不能正常使用。如果采用常规氧气瓶供氧，就会增加负重、降低人员的机动性。采用氧烛供氧装置，存在续航不足、装置表面过热的问题。通过分析3种供氧技术以及现阶段的供氧装置，采用静电纺丝法制备陶瓷中空纤维膜[22]和氧烛供氧[23-24]相结合的方式，研制出一种装置，可满足日常供氧和战时应急供氧两种需求。这是因为在常规条件下，膜分离供氧的产氧量虽低于变压吸附，但可直接供人体使用，同时，薄膜的三维结构以及固有的选择透过性，使薄膜本身具有一定的过滤功能。氧烛在燃烧过程中释放大量热量，同时释放一定量的氧气，既可以满足陶瓷透氧膜的使用条件（温度和浓度差），也可对产生的氧气进行过滤，以满足人体所需。

2 结语

目前，我国对各种制氧技术的研究不够深入，在制氧装置的小型化和便携化研制方面仍不能满足不同地域、不同海拔的使用要求，便携性、续航性、智能化、舒适性有待提高。隨着科学技术的不断发展、科研人员的不懈努力，这些问题必然得以解决。

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