CN114534436B - 一种医用分子筛制氧系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种医用分子筛制氧系统，属于医疗器械领域，包括压缩机、空气罐和至少两个吸附塔，所述吸附塔内装填有制氧分子筛，所述吸附塔内部设置有温度传感器，所述空气罐内部设置有压力传感器，所述压缩机通过处理器分别与所述温度传感器和所述压力传感器信号连接。本申请通过在吸附塔内和空气罐内分别设置温度传感器、压力传感器，通过处理器使压缩机根据吸附塔内和空气罐内的实时温度和压力自动控制进气压力，保证吸附塔的最佳吸附状态和最大氧产量，从而达到减少制氧机与压缩机的能耗，延长设备使用寿命的目的。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种医用分子筛制氧系统。
背景技术
随着吸氧治疗越来越普遍，大型医院用氧量增大以及高原地区用氧的不便，对这些的问题解决方式是大型分子筛制氧机，分子筛制氧机是唯一成熟的，具有国际标准和国家标准的制氧机。医用分子筛制氧机无安全方面的特殊要求，可以从空气中提取高浓度的氧气，减少医院的液氧使用，降低了用氧成本，氧气随用随制，24小时连续运转。
但是因为沸石分子筛的特殊特性，吸附塔会因为环境温度的变化(通常低于5℃和高于25℃时)，导致吸附效率降低，进而导致氧产量的降低，氧浓度达不到标准。在环境温度有变化时，为减少环境温度对吸附塔的影响，现有技术通过在制氧机站房加装空调及排风系统以稳定环境温度，增大设备体量和消耗，同时为了能够取得高浓度氧气，又必须满负荷运载制氧机和空压机，减少了设备寿命，也造成资源浪费。
分子筛(又称合成沸石)是一种硅铝酸盐多微孔晶体。它是由硅氧、铝氧四面体组成基本的骨架结构，在晶格中存在着金属阳离子(如Na+，K+，Ca2+，Li+等)，以平衡晶体中多余的负电荷。分子筛的类型按其晶体结构主要分为：A型，X型，Y型等。分子筛对物质的吸附来源于物理吸附(范德华力)，其晶体孔穴内部有很强的极性和库仑场，对极性分子(如水)和不饱和分子表现出强烈的吸附能力，利用其对氮气和氧气的吸附性能差异，可将其用于氧气富集，但现有的分子筛难以兼具高的吸附容量和氮氧分离系数。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种医用分子筛制氧系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
一种医用分子筛制氧系统，包括压缩机、空气罐和至少两个吸附塔，所述吸附塔内装填有制氧分子筛，所述吸附塔内部设置有温度传感器，所述空气罐内部设置有压力传感器，所述压缩机通过处理器分别与所述温度传感器和所述压力传感器信号连接；
其中，所述温度传感器和所述压力传感器分别监测所述吸附塔的内部温度和所述空气罐的的内部压力，并将实时的温度信号和压力信号传送至所述处理器，所述温度信号和压力信号经所述处理器处理后，所述处理器输出控制信号并传送至所述压缩机，从而调整所述压缩机的进气压力。
优选的，所述制氧分子筛的制备方法包括以下步骤：
(1)分别称取四乙氧基硅烷并溶解在无水乙醇中，再加入多级孔碳模板并分散均匀，制得溶液A，称取偏铝酸钠并溶解在重蒸馏水中，加入25wt.％的N,N,N-三甲基-1-金刚烷基氢氧化铵水溶液，制得溶液B；
其中，所述四乙氧基硅烷与所述无水乙醇、所述多级孔碳模板的质量比例1：(1.2-1.5)：(0.7-0.8)；所述偏铝酸钠与所述重蒸馏水、所述N,N,N-三甲基-1-金刚烷基氢氧化铵水溶液的质量比例为1：(15-16)：(30-35)；
(2)在搅拌条件下，将所述溶液A缓慢滴加到所述溶液B中，滴加完成后继续搅拌反应1-30min，封闭反应体系，在恒温下静置陈化12-24h，蒸除溶剂后再加入重蒸馏水，在150-200℃下进行水热晶化反应，反应时间在12-36h，反应完成产物以重蒸馏水洗涤至pH小于9，再干燥至含水量小于1％，在500-700℃下高温热处理3-6h，制得所述制氧分子筛；
其中，所述溶液A与所述溶液B的混合质量比为(3-3.2)：1。
优选的，所述多级孔碳模板的制备方法包括以下步骤：
分别称取粒径200-500nm的聚苯乙烯纳米粒子和粒径10-50nm的二氧化硅纳米粒子并分散在甘氨酸与氯化钠的混合水溶液中，调节溶液pH值小于3，经喷雾干燥后进行高温热处理，所述高温热处理条件为：(1)空气气氛，100-150℃下保温1-4h；(2)空气气氛，150-300℃下保温1-4h；(3)氨气气氛，700-800℃下保温0.5-2h；热处理完成后制得所述多级孔碳模板；
其中，所述甘氨酸与氯化钠的混合水溶液中甘氨酸和氯化钠的浓度分别为3-3.3mol/L、0.1-0.3mol/L；所述聚苯乙烯纳米粒子和二氧化硅纳米粒子的分散比分别为0.15g/ml、0.07g/ml。
优选的，所述晶化反应在γ射线辐照条件下进行。
优选的，所述制氧分子筛的制备方法还包括金属离子交换，所述金属离子为锂离子、铁离子、铜离子、镍离子、铬离子、镧离子中的一种或几种。
优选的，所述金属离子的交换方法是：
将所述制氧分子筛加入到相当于其10-20倍质量的重蒸馏水中，在搅拌条件下加入金属离子源，充分搅拌混合均匀后，在100-150℃温度下交换5-15h，滤出所述制氧分子筛，完成一次交换，重复交换3-5次，交换完成后以重蒸馏水洗涤，干燥；
所述金属离子源为具有所述金属离子的碱或盐，所述金属离子源与所述制氧分子筛的质量比例为1∶(1-10)。
优选的，对交换后的所述制氧分子筛进行二次晶化，所述二次晶化具体为：
以重蒸馏水配制浓度为0.1-1mol/L的氢氧化钠溶液，称取所述交换后的所述制氧分子筛并分散在所述氢氧化钠溶液中，转入反应釜后在150-200℃下进行水热晶化反应，反应时间在12-36h，反应完成产物以重蒸馏水洗涤至pH小于9，干燥。
优选的，交换后的所述制氧分子筛还包括后处理，所述后处理具体为：
将交换后的所述制氧分子筛置于石英管反应器中，在干燥的氮气气氛下升温至500-600℃，待温度稳定后，将气氛切换为乙炔、氮气和水蒸气的混合气体，保温反应0.5-1h，使得碳沉积量在1-3％；其中，所述乙炔、氮气和水蒸气的体积比为2：1：1。
本发明的有益效果为：
(1)吸附塔的吸附效率受吸附温度以及进气压力的影响，为降低吸附温度对吸附效率的影响，本发明通过在吸附塔内和空气罐内分别设置温度传感器、压力传感器，通过处理器使压缩机根据吸附塔内和空气罐内的实时温度和压力自动控制进气压力，为本发明所述制氧系统提供高质量与适合吸附塔压力的压缩空气，保证吸附塔的最佳吸附状态和最大氧产量，从而达到减少制氧系统与压缩机的能耗，延长设备使用寿命的目的。
(2)针对现有的制氧分子筛难以兼具高的吸附容量和氮氧分离系数的问题，本发明分别以聚苯乙烯纳米粒子、二氧化硅纳米粒子和氯化钠为模板，以甘氨酸为碳源，通过喷雾干燥法制得多级孔碳，再在LSX分子筛的基础上，基于多级孔碳模板内三维的大孔/介孔的空间限域作用，结合水热辅助晶化过程，以多级孔碳为模板，在LSX分子筛内部引入大/介/微孔多级孔道，得到具有大/介/微孔多级孔道的LSX分子筛材料，可以保留空穴内部的范德华力吸附作用、极化场和库仑场，在保持其氮氧分离系数的同时扩大吸附容量，进一步的，通过在γ射线辐照条件下进行晶化反应可以加速晶化过程，缩短LSX分子筛的晶化时间，同时，本发明还通过阳离子交换增强孔道内部对氮气的极化，提高对氮气的吸附性能，进而提高氮氧分离系数与富氧性能，更进一步的，本发明所述交换后的制氧分子筛还包括后处理，具体是在水蒸气辅助下，以乙炔为碳源进行原位沉积，将所述交换离子“封装”在所述分子筛内，在保持其极化场和库仑场高的极化能力的基础上提高分子筛的稳定性和耐久性。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
本发明的实施例涉及一种医用分子筛制氧系统，包括压缩机、空气罐和至少两个吸附塔，所述吸附塔内装填有制氧分子筛，所述吸附塔内部设置有温度传感器，所述空气罐内部设置有压力传感器，所述压缩机通过处理器分别与所述温度传感器和所述压力传感器信号连接；
其中，所述温度传感器和所述压力传感器分别监测所述吸附塔的内部温度和所述空气罐的的内部压力，并将实时的温度信号和压力信号传送至所述处理器，所述温度信号和压力信号经所述处理器处理后，所述处理器输出控制信号并传送至所述压缩机，从而调整所述压缩机的进气压力。
分子筛制氧系统是以空气作为原料，采用变压吸附技术，提纯空气中的氧气，从而获得高纯度氧气。环境大气经压缩、净化后，通过分子筛吸附床层，根据分子筛吸附剂在较高压力下选择吸附氮气，未被吸附的氧气在吸附塔顶部聚集，作为产品气输出，当处于吸附的吸附塔临近吸附饱和之前，原料空气停止进气，转而向另一只完成再生的吸附塔均压，随后泄压再生。被均压的吸附塔引入原料空气开始吸附，两只吸附塔如此交替重复，完成氧气生产的工艺过程。
实施例1
一种医用分子筛制氧系统，包括压缩机、空气罐和至少两个吸附塔，所述吸附塔内装填有制氧分子筛，所述吸附塔内部设置有温度传感器，所述空气罐内部设置有压力传感器，所述压缩机通过处理器分别与所述温度传感器和所述压力传感器信号连接；
其中，所述温度传感器和所述压力传感器分别监测所述吸附塔的内部温度和所述空气罐的的内部压力，并将实时的温度信号和压力信号传送至所述处理器，所述温度信号和压力信号经所述处理器处理后，所述处理器输出控制信号并传送至所述压缩机，从而调整所述压缩机的进气压力；
所述制氧分子筛的制备方法包括以下步骤：
(1)按质量份数计，分别称取四乙氧基硅烷10份并溶解在14份无水乙醇中，再加入多级孔碳模板8份并分散均匀，制得溶液A，称取偏铝酸钠0.2份并溶解在3.2份重蒸馏水中，加入25wt.％的N,N,N-三甲基-1-金刚烷基氢氧化铵水溶液6.5份，制得溶液B；
(2)在搅拌条件下，将所述溶液A缓慢滴加到所述溶液B中，滴加完成后继续搅拌反应10min，封闭反应体系，在恒温下静置陈化24h，蒸除溶剂后再加入重蒸馏水，在180℃下进行水热晶化反应，反应时间在24h，所述晶化反应在γ射线辐照条件下进行，反应完成产物以重蒸馏水洗涤至pH小于9，再干燥至含水量小于1％，在650℃下高温热处理4h，制得所述制氧分子筛；
所述多级孔碳模板的制备方法包括以下步骤：
分别称取粒径200-500nm的聚苯乙烯纳米粒子和粒径10-50nm的二氧化硅纳米粒子并分散在甘氨酸与氯化钠的混合水溶液中，调节溶液pH值小于3，经喷雾干燥后进行高温热处理，所述高温热处理条件为：(1)空气气氛，100-150℃下保温2h；(2)空气气氛，200℃下保温1.5h；(3)氨气气氛，700-800℃下保温1h；热处理完成后制得所述多级孔碳模板；
其中，所述甘氨酸与氯化钠的混合水溶液中甘氨酸和氯化钠的浓度分别为3mol/L、0.12mol/L；所述聚苯乙烯纳米粒子和二氧化硅纳米粒子的分散比分别为0.15g/ml、0.07g/ml；
实施例2
同实施例1，区别在于，所述制氧分子筛的制备方法还包括金属离子交换和二次晶化，所述金属离子的交换方法是：
将所述制氧分子筛加入到相当于其20倍质量的重蒸馏水中，在搅拌条件下加入水溶性锂盐，所述锂盐中锂含量与所述制氧分子筛的质量比例为1∶5，充分搅拌混合均匀后，在180℃温度下交换10h，滤出所述制氧分子筛，完成一次交换，重复交换3次，交换完成后以重蒸馏水洗涤，干燥；
所述二次晶化具体为：
以重蒸馏水配制浓度为0.5mol/L的氢氧化钠溶液，称取所述交换后的所述制氧分子筛并分散在所述氢氧化钠溶液中，转入反应釜后在180℃下进行水热晶化反应，反应时间在24h，反应完成产物以重蒸馏水洗涤至pH小于9，干燥。
实施例3
同实施例2，区别在于，所述金属离子为镧。
实施例4
同实施例3，区别在于，二次晶化后的所述制氧分子筛还包括后处理，所述后处理具体为：
将交换后的所述制氧分子筛置于石英管反应器中，在干燥的氮气气氛下升温至550℃，待温度稳定后，将气氛切换为乙炔、氮气和水蒸气的混合气体，保温反应36min，使得碳沉积量在1.2％；其中，所述乙炔、氮气和水蒸气的体积比为2：1：1。
实验例
采用静态氮吸附仪测定实施例1-4所述制氧分子筛的氮氧吸附性能，测定结果如下：
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (6)
1.一种医用分子筛制氧系统，包括压缩机、空气罐和至少两个吸附塔，其特征在于，所述吸附塔内装填有制氧分子筛，所述吸附塔内部设置有温度传感器，所述空气罐内部设置有压力传感器，所述压缩机通过处理器分别与所述温度传感器和所述压力传感器信号连接；
其中，所述温度传感器和所述压力传感器分别监测所述吸附塔的内部温度和所述空气罐的的内部压力，并将实时的温度信号和压力信号传送至所述处理器，所述温度信号和压力信号经所述处理器处理后，所述处理器输出控制信号并传送至所述压缩机，从而调整所述压缩机的进气压力；
所述制氧分子筛的制备方法包括以下步骤：
(1)分别称取四乙氧基硅烷并溶解在无水乙醇中，再加入多级孔碳模板并分散均匀，制得溶液A，称取偏铝酸钠并溶解在重蒸馏水中，加入25wt.％的N,N,N-三甲基-1-金刚烷基氢氧化铵水溶液，制得溶液B；
其中，所述四乙氧基硅烷与所述无水乙醇、所述多级孔碳模板的质量比例1：(1.2-1.5)：(0.7-0.8)；所述偏铝酸钠与所述重蒸馏水、所述N,N,N-三甲基-1-金刚烷基氢氧化铵水溶液的质量比例为1：(15-16)：(30-35)；
(2)在搅拌条件下，将所述溶液A缓慢滴加到所述溶液B中，滴加完成后继续搅拌反应1-30min，封闭反应体系，在恒温下静置陈化12-24h，蒸除溶剂后再加入重蒸馏水，在150-200℃下进行水热晶化反应，反应时间在12-36h，反应完成产物以重蒸馏水洗涤至pH小于9，再干燥至含水量小于1％，在500-700℃下高温热处理3-6h，制得所述制氧分子筛；
其中，所述溶液A与所述溶液B的混合质量比为(3-3.2)：1；
所述多级孔碳模板的制备方法包括以下步骤：
分别称取粒径200-500nm的聚苯乙烯纳米粒子和粒径10-50nm的二氧化硅纳米粒子并分散在甘氨酸与氯化钠的混合水溶液中，调节溶液pH值小于3，经喷雾干燥后进行高温热处理，所述高温热处理条件为：(1)空气气氛，100-150℃下保温1-4h；(2)空气气氛，150-300℃下保温1-4h；(3)氨气气氛，700-800℃下保温0.5-2h；热处理完成后制得所述多级孔碳模板；
其中，所述甘氨酸与氯化钠的混合水溶液中甘氨酸和氯化钠的浓度分别为3-3.3mol/L、0.1-0.3mol/L；所述聚苯乙烯纳米粒子和二氧化硅纳米粒子的分散比分别为0.15g/ml、0.07g/ml。
2.根据权利要求1所述的一种医用分子筛制氧系统，其特征在于，所述晶化反应在γ射线辐照条件下进行。
3.根据权利要求1所述的一种医用分子筛制氧系统，其特征在于，所述制氧分子筛的制备方法还包括金属离子交换，所述金属离子为锂离子、铁离子、铜离子、镍离子、铬离子、镧离子中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的一种医用分子筛制氧系统，其特征在于，所述金属离子的交换方法是：
将所述制氧分子筛加入到相当于其10-20倍质量的重蒸馏水中，在搅拌条件下加入金属离子源，充分搅拌混合均匀后，在100-150℃温度下交换5-15h，滤出所述制氧分子筛，完成一次交换，重复交换3-5次，交换完成后以重蒸馏水洗涤，干燥；
所述金属离子源为具有所述金属离子的碱或盐，所述金属离子源与所述制氧分子筛的质量比例为1∶(1-10)。
5.根据权利要求3所述的一种医用分子筛制氧系统，其特征在于，对交换后的所述制氧分子筛进行二次晶化，所述二次晶化具体为：
以重蒸馏水配制浓度为0.1-1mol/L的氢氧化钠溶液，称取所述交换后的所述制氧分子筛并分散在所述氢氧化钠溶液中，转入反应釜后在150-200℃下进行水热晶化反应，反应时间在12-36h，反应完成产物以重蒸馏水洗涤至pH小于9，干燥。
6.根据权利要求5所述的一种医用分子筛制氧系统，其特征在于，交换后的所述制氧分子筛还包括后处理，所述后处理具体为：
将交换后的所述制氧分子筛置于石英管反应器中，在干燥的氮气气氛下升温至500-600℃，待温度稳定后，将气氛切换为乙炔、氮气和水蒸气的混合气体，保温反应0.5-1h，使得碳沉积量在1-3％；其中，所述乙炔、氮气和水蒸气的体积比为2：1：1。
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