業(yè)明坤，陳 龍，楊伸其，鄭防震，譚發(fā)剛

（美的集團(tuán)中央研究院，廣東 佛山 528311）

隨著生活水平的不斷提高，人們越來越重視食品安全與健康問題，果蔬保鮮則是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。冰箱作為果蔬貯藏的主要場所，目前其保鮮主要是通過控制溫度和相對濕度來實現(xiàn)的[1]。同時，科研人員也在不斷嘗試更多的新技術(shù)（真空/膜分離降低氧氣濃度、催化分解乙烯等）來提升果蔬的保鮮效果，延長貯藏周期[1-3]。

變壓吸附法最早是由Skarstrom等人于1960年發(fā)明的[4]，并將其應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域中的空氣干燥和氫氣純化。1970年后，該技術(shù)得到進(jìn)一步開發(fā)并被用于空氣制氧。變壓吸附制氧是利用沸石分子篩對氧氣、氮?dú)獾倪x擇性吸附來獲取高濃度的氧氣[5]。其工作過程主要包含加壓吸附和減壓解吸兩個步驟：隨著壓力的升高，沸石分子篩選擇性吸附氮?dú)猓鴮⒀鯕馀懦?，這樣就產(chǎn)生了高濃度的氧氣；隨著壓力的降低，被吸附的氮?dú)鈺姆惺肿雍Y脫附出來，實現(xiàn)吸附劑的再生；該過程反復(fù)循環(huán)，即可持續(xù)產(chǎn)生高濃度的氧氣[4-6]。變壓吸附制氧技術(shù)具有吸附壓力小、產(chǎn)氧率高、循環(huán)壽命長的特點，已在大型醫(yī)用供氧機(jī)、小型家用制氧機(jī)上得到廣泛應(yīng)用，并取得很好的效果[7]。目前，變壓吸附制氧的研究主要集中在工藝流程的改進(jìn)及新型高效吸附劑的開發(fā)上[8-9]。

上述研究的主要目的是從空氣中獲取氧氣，而本工作結(jié)合冰箱保鮮的實際需求，對變壓吸附制氧技術(shù)進(jìn)行逆向應(yīng)用，以降低冰箱保鮮盒中的氧氣濃度，實現(xiàn)果蔬的長效保鮮。受到冰箱可利用空間尺寸的限制，如何將變壓吸附裝置小型化并達(dá)到理想的保鮮效果具有較大的挑戰(zhàn)。本文系統(tǒng)研究并優(yōu)化了影響小型變壓吸附裝置制氧效率的多種因素，最高排氧體積分?jǐn)?shù)達(dá)到93%；通過搭建測試平臺，將小型變壓吸附裝置應(yīng)用于冰箱保鮮盒中，實現(xiàn)在30 min內(nèi)將其氧體積分?jǐn)?shù)控制在7.2%以下，從理論和試驗上都證實了小型變壓吸附裝置可有效降低存儲空間的氧氣濃度，從而延長果蔬的保鮮時間。

1 小型變壓吸附模塊在冰箱保鮮中的設(shè)計

小型變壓吸附模塊主要由吸附塔、電磁閥、氣泵等組成。吸附塔由兩個相同直徑與高度的圓柱體組成，中間填充有沸石分子篩，工作過程中，一個吸附塔進(jìn)行吸附，另一個吸附塔進(jìn)行解吸，兩者交替工作以實現(xiàn)持續(xù)排氧。電磁閥用于切換控制氣路；氣泵則是將氣體送入吸附塔并具有增壓功能。將小型變壓吸附模塊小型化設(shè)計并搭載在冰箱中，能夠高效、快速地將保鮮盒中的氧氣排走，而解吸再生的富氮?dú)怏w則返回保鮮盒中，如此反復(fù)循環(huán)，則可以持續(xù)降低保鮮盒中氧氣的濃度，實現(xiàn)果蔬保鮮。

圖1為小型變壓吸附模塊在冰箱上應(yīng)用的工藝流程圖，具體工作流程如下：保鮮盒的空氣經(jīng)過氣泵加壓，經(jīng)過兩位三通電磁閥A，當(dāng)電磁閥A通電時，將空氣流向吸附塔A，吸附塔A進(jìn)行吸附；此時，兩位三通閥B斷電，吸附塔B的壓力降低，氣體從沸石分子中篩釋放出來，經(jīng)過兩位三通閥輸送至保鮮盒。當(dāng)電磁閥A斷電時，加壓后的空氣經(jīng)過兩位三通閥A，將空氣流向吸附塔B；此時，兩位三通閥B通電，吸附塔A的壓力降低，氣體從沸石分子中篩釋放出來，經(jīng)過兩位三通閥輸送至保鮮盒。

圖1 小型變壓吸附模塊在冰箱保鮮上應(yīng)用的工藝流程Fig.1 Processflow of the application of small PSA module in refrigerator fresh-keeping

當(dāng)吸附塔A處于升壓吸附狀態(tài)時，吸附塔B則處于降壓解吸狀態(tài)。氧氣經(jīng)過單向閥A排向儲氧罐的同時，一部分氧氣會經(jīng)過沖洗孔排向吸附塔B對其進(jìn)行反向沖洗，去除殘留氮?dú)?，使解吸更加徹底，提高沸石分子篩的再生能力。該過程完成后，兩位三通閥A和B會進(jìn)行切換，使吸附塔A和B交替進(jìn)行工作。在氧氣罐的出口位置設(shè)置有氧氣分析儀1，用于測量排出的氧氣濃度，此測量數(shù)值為排氧體積分?jǐn)?shù)；調(diào)節(jié)閥和流量計則是用于調(diào)節(jié)和監(jiān)測氧氣的流量。

通過對變壓吸附制氧的逆向應(yīng)用，將保鮮盒中的氧氣不斷排走，能夠?qū)崿F(xiàn)低氧保鮮。在保鮮盒中設(shè)置有氧氣分析儀2，用于測量保鮮盒的氧氣濃度，此測量數(shù)值為保鮮盒內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)，簡稱氧體積分?jǐn)?shù)。氧氣不斷被排出造成保鮮盒內(nèi)部的氣壓變小，通過單向閥C向保鮮盒中補(bǔ)充一定量的空氣，從而實現(xiàn)壓力平衡。

2 小型變壓吸附模塊設(shè)計

設(shè)計并制作了小型變壓吸附模塊，探討了3個主要因素對保鮮盒控氧效果的影響，包含吸附劑的選型、吸附時間、沖洗孔直徑。

2.1 吸附劑的選型

對于小型變壓吸附模塊，需要選擇具有高性能的沸石分子篩，可以有效減小裝置的體積。因此，選擇LiX型沸石分子篩這種產(chǎn)氧效率高的材料作為吸附劑[10-12]，其具體性能參數(shù)參見表1。

表1 LiX型沸石分子篩吸附劑的主要規(guī)格參數(shù)Table 1 Main parameters of LiX zeolite adsorbent

2.2 吸附時間對小型變壓吸附模塊的影響

吸附時間是指吸附塔從開始進(jìn)氣到停止進(jìn)氣的時間間隔，即電磁閥A或B的動作間隔時間。試驗研究了模塊在小排氧量下，吸附時間分別為2、3、4、5、6 s時對排氧體積分?jǐn)?shù)的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 吸附時間對排氧體積分?jǐn)?shù)的影響Fig.2 Effect of adsorption time on the exhausted oxygen volume fraction

由圖2可以看出，排氧體積分?jǐn)?shù)隨吸附時間的延長先增大后減小，在吸附時間為4 s時，達(dá)到最大值（93%）。這是因為吸附時間小于4 s時，進(jìn)入吸附塔的空氣量相對較少，分子篩未達(dá)到充分吸附；當(dāng)吸附時間達(dá)到4 s時，分子篩基本達(dá)到飽和吸附狀態(tài)，如果再增加吸附時間，則進(jìn)入吸附塔的氮?dú)鉄o法被充分吸附，一部分氮?dú)鈺┩肝剿?，造成排氧體積分?jǐn)?shù)反而減小[13-14]。因此，確定最佳吸附時間為4 s。

2.3 沖洗孔直徑對小型變壓吸附模塊的影響

當(dāng)吸附塔A在降壓解吸后，吸附劑中仍有一小部分氮?dú)鉄o法排除。利用從吸附塔B中排出的氣體通過沖洗孔對吸附塔A進(jìn)行反沖洗尤為重要，通過反沖洗，可去除殘留氮?dú)?，使解吸更徹底，提高沸石分子篩的再生能力。本試驗研究了模塊在小排氧量下，沖洗孔直徑分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 mm時對排氧體積分?jǐn)?shù)的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 沖洗孔直徑對排氧體積分?jǐn)?shù)的影響Fig.3 Effect of flushing holediameter on the exhausted oxygen volume fraction

由圖3可以看出，排氧體積分?jǐn)?shù)隨沖洗孔直徑的增加先增大后減小，在沖洗孔直徑為0.5 mm時，達(dá)到最大值（93%）。這是因為從沖洗孔引入的氧氣提高了分子篩的解吸再生效果，但隨著沖洗孔孔徑的不斷增加，引入的氧氣量過多，反而會導(dǎo)致輸出的氧體積分?jǐn)?shù)減少[14]。因此，確定最佳沖洗孔直徑為0.5 mm。

3 小型變壓吸附模塊在冰箱保鮮上的試驗研究

上述研究確定了小型變壓吸附模塊的最佳排氧參數(shù)。將該模塊搭載到冰箱的保鮮盒中，對其進(jìn)行循環(huán)排氧。隨著保鮮盒中氧氣濃度的降低，進(jìn)入小型變壓吸附模塊的空氣中氧體積分?jǐn)?shù)不再是固定值，而是不斷減小。同時，由于保鮮盒不斷向外排氧，其內(nèi)部的氣壓逐漸變小，需通過單向閥C補(bǔ)充一定量的空氣來實現(xiàn)壓力平衡。保鮮盒中的氧體積分?jǐn)?shù)（Cn）可以用以下公式表示：

式中：V0為冰箱保鮮盒的容積，設(shè)定為20 L；Cn為排氧n min后，保鮮盒內(nèi)的氧體積分?jǐn)?shù)；Cn-1為前1 min保鮮盒的氧體積分?jǐn)?shù)；V為排氧的流量，即從單向閥C向保鮮盒中補(bǔ)充空氣的流量；Cx為排氧體積分?jǐn)?shù)，它是會隨著保鮮盒中氧體積分?jǐn)?shù)的減小而不斷減??；20.9%表示補(bǔ)充空氣的氧體積分?jǐn)?shù)。

需要注意的是：在相同條件下，當(dāng)V越小時，Cx排氧體積分?jǐn)?shù)會越大；當(dāng)V越大時，Cx排氧氣體分?jǐn)?shù)會越小。因此，如何設(shè)計排氧的流量V顯得尤為關(guān)鍵。若排氧的流量V過小，雖然排氧體積分?jǐn)?shù)Cx相對較大，但減少的總氧量下降較慢，最終，綜合排氧效率不高；若排氧的流量V過大，相應(yīng)的排氧體積分?jǐn)?shù)Cx就相對較小，綜合排氧效率也會不高，所以V存在一個合理的值。排氧的流量V分別設(shè)定為0.2、0.3、0.4、0.5 L/min進(jìn)行研究，結(jié)果如圖4所示。

圖4 排氧流量對保鮮盒中氧體積分?jǐn)?shù)的影響Fig.4 Effect of oxygen removal flow rate on the oxygen volume fraction in fresh-keeping box

由圖4可以看出，保鮮盒中的氧體積分?jǐn)?shù)隨著時間的延長不斷減小，不同排氧流量下，保鮮盒中的氧體積分?jǐn)?shù)減小速度不同；隨著排氧流量的增加，保鮮盒中的氧體積分?jǐn)?shù)下降速度反而減小。當(dāng)排氧流量為0.3 L/min時，保鮮盒中的氧體積分?jǐn)?shù)下降最快，裝置運(yùn)行30 min后其值達(dá)到最小7.2%。

4 結(jié)論

本研究通過對變壓吸附制氧進(jìn)行逆向應(yīng)用，利用LiX型沸石分子篩對氮?dú)夂脱鯕獾倪x擇性吸附，設(shè)計并制作了小型變壓吸附模塊，進(jìn)一步對該小型變壓吸附模塊進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，使排氧體積分?jǐn)?shù)達(dá)到93%。將該裝置應(yīng)用于冰箱的保鮮盒中，可高效地將其中的氧氣排走并將再生的氣體送回保鮮盒中，持續(xù)排氧以獲得極低氧體積分?jǐn)?shù)的環(huán)境，實現(xiàn)果蔬的長效保鮮。