膜分离富氧在家用医疗保健中的应用分析

　　1　引　言

　　时代的进步,导致竞争激烈、生活与工作节奏的加快。大量的用脑、忙碌的工作、沉重的工作与生活压力,再加上城市空气污染所导致的空气含氧量的下降,可能会使你头晕目眩,四肢乏力,机体供氧不足。呼吸富氧空气已不再是那些患有哮喘病、肺气肿等病人的需要,而成为现代人实现自我调节及自我放松的一种方式与手段。然而,对于制富氧,一般采取低温精馏、物理或化学吸收及活性炭或沸石的吸附等技术,但是由于利用这些技术的装置或因为体积庞大,或由于成本高且无法连续工作,或由于存在安全性问题,一直无法制成小型家用制富氧设备,以使消费者不能在家中即可呼吸富氧空气。如何发明一种成本低且能连续使用的家用富氧装置是人们长期以来的夙愿。

　　近年来,由于反渗透技术的迅速发展,高选择性膜的开发及制造技术的日趋成熟,膜工艺技术在工业生产中的应用日益广泛。由于采用膜分离技术的装置具有投资少,开停车方便等优点,使其在中小规模的空分系统方面有着重要的地位。

　　本文将对膜工艺分离气体的原理及其在家用医疗保健中的应用———小型家用膜分离富氧机装置实现的可行性进行分析。

　　2　膜分离的理论分析及各参数的影响

　　2.1　原理及理论分析

　　用膜分离气体主要是由于混合原料气中各组分在压力的作用下,通过半透膜的相对传递速率不同而得以实现气体分离。就传质过程而言,可将膜分为两种类型:多孔膜和溶解—扩散膜。由于在气体分离方面,主要使用溶解—扩散膜,故以下分析都是以溶解—扩散膜为对象。考虑到家用制富氧设备一般是以空气为原料气体,为了便于对膜分离过程进行分析与计算,可将空气认为是由氮气与氧气组成的两组分混合气体。下面将以二元混合物为例,推导描述局部特性的方程。

　　对于膜分离永久性气体混合物而言,气体穿过膜的流量可用下式计算:

　　其中Ft(mol/s)为单位时间透过膜的气体摩尔数,At(m ²)为膜面积,Q[mol/ (s·m ²·Pa)]为气体的渗透系数,δ(m)为膜厚度,p _h(Pa)与p ₁(Pa)分为膜的高压侧与低压侧的压力。

　　考虑到膜具有复杂的不对称结构,为了便于分析,首先需对膜前膜后的浓度特性作出如下假设: (1)膜前的浓度梯度是可忽略的; (2)多孔支撑层中的压力损失可忽略; (3)透过气体为自由流出的渗透物。有了以上3个假设,我们便可以对气体分离过程建模(图1)。图1中Ft(mol/s)为混合气进入膜组件流量,xf,xo,xp,为易透膜(即透过膜而被提浓)的组分在进口高压侧、低压侧的摩尔浓度。Fo(mol/s)为浓缩气体的流量Fp(mol/s)为渗透物的流量,δ为膜厚。