田樸 李寧 孔慶平 王靜

摘 要：簡(jiǎn)單闡述了制氧技術(shù)的工作原理以及優(yōu)缺點(diǎn)，通過介紹與分析國(guó)內(nèi)外小型便攜式供氧裝置，提出一種小型便攜式供氧裝置的研究思路。

關(guān)鍵詞：制氧技術(shù);高原環(huán)境;小型裝置

氧氣是人類生存的重要保障，充足的氧氣可保證人類正常的生理活動(dòng)，保持身體健康。但是在高原環(huán)境下作業(yè)，面臨持續(xù)低氧狀況，會(huì)對(duì)人的感覺、思維、情緒、行動(dòng)造成不良影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)人體造成不可逆的損傷[1]。目前，最有效的解決辦法就是持續(xù)給人體提供充足的氧氣?，F(xiàn)階段，高原地區(qū)已有大型供氧裝置，但設(shè)備能耗大、不便移動(dòng)，人員通過定點(diǎn)吸氧或配備氧氣瓶、氧氣袋等補(bǔ)充氧氣，攜帶不便且有一定的危險(xiǎn)性，不能滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)或高原野外機(jī)動(dòng)人員的供氧需求。因此，高原供氧的特殊性要求供氧裝置朝著小型化、輕量化、智能化等方向發(fā)展[2]。

1?制氧技術(shù)原理

目前，適合小型化供氧裝置的供氧技術(shù)主要有變壓吸附法、膜分離法和化學(xué)制氧法3種。

1.1? 變壓吸附法制氧技術(shù)

變壓吸附法制氧技術(shù)[3-4]是利用合成沸石分子篩對(duì)氮?dú)夂脱鯕獾倪x擇性吸附性能，加壓時(shí)，分子篩吸附氮?dú)獾玫礁谎鯕夥?降壓時(shí)，氮?dú)饨馕?，分子篩恢復(fù)吸附氮?dú)獾墓δ?，?shí)現(xiàn)空氣中的氧氮分離。此方法具有沸石原料容易制備、成本低、技術(shù)比較穩(wěn)定、可連續(xù)產(chǎn)氧、所得氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)在90%以上等優(yōu)點(diǎn)。在軍事領(lǐng)域，國(guó)外將其廣泛用于戰(zhàn)斗機(jī)的高空制氧，以供飛行員和發(fā)動(dòng)機(jī)用氧[5-6]。但國(guó)內(nèi)對(duì)變壓吸附制氧技術(shù)的研究起步較晚，裝置及產(chǎn)氧性能與國(guó)外有一定差距。近年來，隨著變壓吸附技術(shù)的不斷發(fā)展，大型變壓吸附制氧裝置取得一定進(jìn)展，北大先鋒科技有限公司研制出鋰分子篩變壓吸附裝置，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。

車載式變壓吸附裝置已經(jīng)研制成功，可實(shí)現(xiàn)對(duì)乘員的及時(shí)供氧[7]。但其制氧原料源于外界潔凈的空氣，在外界環(huán)境遭到污染或極端天氣條件下，變壓吸附裝置的供氧能力無(wú)法得到保障，且分子篩的使用壽命較短，容易粉化，所得氧氣含塵量較大，需對(duì)氧氣進(jìn)行過濾處理。同時(shí)，分子篩容易吸水，降低分離效率，為保證分子篩的吸附能力，在使用前一般對(duì)空氣進(jìn)行脫水處理。脫水后的空氣特別干燥，需對(duì)所得氧氣進(jìn)行加濕處理后才能使用。變壓吸附法制氧設(shè)備比較復(fù)雜，包括空氣預(yù)處理系統(tǒng)、分子篩氮氧分離系統(tǒng)、氧氣后處理系統(tǒng)，在裝置的小型化、輕量化處理方面有一定難度。

1.2? 膜分離法制氧技術(shù)

膜分離法制氧技術(shù)[8]是利用不同氣體在膜中的不同溶解和擴(kuò)散系數(shù)，產(chǎn)生不同的滲透速度來實(shí)現(xiàn)氣體分離。目前，膜分離法主要應(yīng)用于合成氨過程中的氫氣回收、氮氧分離以及天然氣中二氧化碳的去除等。采用膜分離法制備氧氣是以空氣為原料，在一定壓力下，氣體分子通過中空纖維組成的薄膜時(shí)，纖維之間形成的微納米孔洞會(huì)對(duì)氣體中較大的雜質(zhì)進(jìn)行過濾，而氣體中的其他組分會(huì)在中空纖維內(nèi)外之間形成分壓差，氣體會(huì)向勢(shì)能較低的一方運(yùn)動(dòng)，在分壓差的推動(dòng)下，氣體經(jīng)過溶解、擴(kuò)散、解吸3個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的分離。目前，空氣制氧的薄膜主要為高分子膜[9-10]和鈣鈦礦陶瓷透氧膜[11-12]，都有板式膜、管式膜和中空纖維膜3種。相較于其他薄膜，陶瓷中空纖維膜具有更好的機(jī)械性能，有利于膜的組裝，同時(shí)具有更大的比表面積，可提高氧氣的滲透效率。隨著制備薄膜技術(shù)的發(fā)展，采用靜電紡絲法可制備具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的中空陶瓷薄膜。在薄膜組件單元的組裝過程中，具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的中空陶瓷薄膜的纖維之間會(huì)搭接微納米孔洞，這些孔洞可對(duì)空氣中的較大雜質(zhì)起到一定的過濾作用。但是，陶瓷透氧膜工作需要具備兩個(gè)條件[13]：一是有合適的工作溫度，二是膜兩側(cè)有一定的濃度梯度。陶瓷透氧膜具有質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于攜帶，在使用過程中可通過增加、減少膜組件來調(diào)節(jié)產(chǎn)氧能力等優(yōu)點(diǎn)。但是，中空纖維膜的制備有一定的技術(shù)難度，生產(chǎn)成本高，所制氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，為20%～40%，但可直接供人體使用。和分子篩制氧技術(shù)一樣，膜分離技術(shù)也需要外界潔凈的空氣，不適用于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。

1.3? 化學(xué)制氧法

化學(xué)制氧法是最早、也是應(yīng)用最廣泛的制氧技術(shù)，主要包括水的電解[14]、超氧化物氧氣再生[15]以及氯酸鹽氧燭熱分解[16]3種，各有優(yōu)缺點(diǎn)。水的電解能耗較高、產(chǎn)氧率低，主要是為了制備氫氣。超氧化物氧氣再生法是利用堿金屬的超氧化物與二氧化碳和水反應(yīng)放出氧氣。但過氧化物非常活潑，在使用和貯存過程中需特別注意，以免引起燃燒和爆炸。氯酸鹽氧燭熱分解方法以氯酸鈉為主體、以金屬粉末為燃料，添加一定量的催化劑、抑氯劑、黏結(jié)劑等，經(jīng)干混、濕混后，壓制而成。使用時(shí)，通過機(jī)械撞擊或電啟動(dòng)后，可自行燃燒，放出氧氣。氧燭具有體積小、質(zhì)量小、產(chǎn)氧快、含氧量高、受外界環(huán)境影響小、容易貯存和攜帶等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于礦井、潛艇、航天飛機(jī)中，或者作為密閉空間中的應(yīng)急氧源。但是，氧燭在使用過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，在裝置的小型化過程中，需提高裝置的隔熱性能。同時(shí)，所制備的氧氣中可能含有一定量的雜質(zhì)氣體，需對(duì)其進(jìn)行過濾處理。

目前，3種制氧技術(shù)已經(jīng)在高原地區(qū)得到了一定的應(yīng)用，變壓吸附法和化學(xué)制氧法裝置的小型化也取得了一定的進(jìn)展，部分制氧裝置已實(shí)現(xiàn)車載應(yīng)用，但小型便攜式供氧裝置的研制還有待改進(jìn)。目前，國(guó)外小型便攜式供氧裝置[17]主要有：（1）美軍單兵脈沖式供氧裝置。采用電控裝置，可根據(jù)人體所需自動(dòng)調(diào)節(jié)供氧量，但主要?dú)庠词菤馄刻峁┑难鯕?。?）美軍脈沖PSA制氧機(jī)。采用電控裝置，質(zhì)量小、體積小、便于攜帶，但存在供氧量不足的問題。（3）國(guó)內(nèi)研制的ZYJ-II-D6高原單兵氧氣機(jī)。采用膜分離法制氧技術(shù)，但在高原條件下，空氣稀薄，提供的氧濃度較低。阮俊勇等[18]研制的HZY-1型單兵高原增氧呼吸器，主要通過風(fēng)機(jī)局部加壓來提高人體進(jìn)氧量，但可能造成人體呼吸困難。田濤等[19]對(duì)小型變壓吸附裝置的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高了制氧裝置的穩(wěn)定性。劉娟等[20]在模擬高原環(huán)境下研究了低壓低氧環(huán)境對(duì)膜分離法單兵制氧機(jī)的影響，并評(píng)估了氧氣機(jī)的應(yīng)用效果。張彥軍等[21]成功制備了在低于氯酸鈉熔融溫度下可持續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、產(chǎn)生氧氣的氧燭，降低了裝置的表面溫度。

3種制氧技術(shù)的小型化各有優(yōu)缺點(diǎn)，如采用膜分離法或變壓吸附法制備氧氣，在高原上存在供氧量不足的缺點(diǎn)，且在外界空氣受到污染的情況下，裝置不能正常使用。如果采用常規(guī)氧氣瓶供氧，就會(huì)增加負(fù)重、降低人員的機(jī)動(dòng)性。采用氧燭供氧裝置，存在續(xù)航不足、裝置表面過熱的問題。通過分析3種供氧技術(shù)以及現(xiàn)階段的供氧裝置，采用靜電紡絲法制備陶瓷中空纖維膜[22]和氧燭供氧[23-24]相結(jié)合的方式，研制出一種裝置，可滿足日常供氧和戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急供氧兩種需求。這是因?yàn)樵诔Ｒ?guī)條件下，膜分離供氧的產(chǎn)氧量雖低于變壓吸附，但可直接供人體使用，同時(shí)，薄膜的三維結(jié)構(gòu)以及固有的選擇透過性，使薄膜本身具有一定的過濾功能。氧燭在燃燒過程中釋放大量熱量，同時(shí)釋放一定量的氧氣，既可以滿足陶瓷透氧膜的使用條件（溫度和濃度差），也可對(duì)產(chǎn)生的氧氣進(jìn)行過濾，以滿足人體所需。

2?結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)對(duì)各種制氧技術(shù)的研究不夠深入，在制氧裝置的小型化和便攜化研制方面仍不能滿足不同地域、不同海拔的使用要求，便攜性、續(xù)航性、智能化、舒適性有待提高。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展、科研人員的不懈努力，這些問題必然得以解決。

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