酸素濃縮器

これらの酸素濃縮器は、分子ふるいを利用してガスを吸着し、高圧下で大気中の窒素をゼオライト鉱物に急速に圧力スイング吸着させる原理で動作します。したがって、このタイプの吸着システムは、機能的には窒素スクラバーであり、他の大気ガスは通過させ、酸素を主要なガスとして残します。PSA技術は、小規模から中規模の酸素生成のための信頼性が高く経済的な技術です。極低温分離はより大容量に適しており、外部供給は一般的に小容量に適しています。^{[ 5 ]}

高圧下では、多孔質ゼオライトはその大きな表面積と化学的特性により、大量の窒素を吸着します。酸素濃縮器は空気を圧縮してゼオライトに通し、空気中の窒素を吸着させます。その後、残りのガス（主に酸素）を回収し、減圧下で窒素をゼオライトから脱着させて排出します。

酸素濃縮器は、空気圧縮機、ゼオライトペレットが充填された2つのシリンダー、圧力均等化リザーバー、およびいくつかのバルブとチューブで構成されています。最初の半サイクルでは、最初のシリンダーに圧縮機から空気が供給され、これは約3秒間続きます。この間、最初のシリンダー内の圧力は大気圧から約2.5倍の大気圧（通常20 psi/138 kPaゲージ、または2.36気圧絶対圧）まで上昇し、ゼオライトは窒素で飽和します。最初の半サイクルで最初のシリンダーがほぼ純粋な酸素（少量のアルゴン、CO₂、水蒸気、ラドン、その他の微量な大気成分が含まれています_）に達すると、バルブが開き、酸素濃縮ガスが圧力均等化リザーバーに流れ込み、患者の酸素ホースに接続されます。最初の半サイクルの終わりに、バルブの位置が再び変更され、圧縮機からの空気が2番目のシリンダーに送られます。濃縮酸素がリザーバーへ移動するにつれて、第1シリンダー内の圧力が低下し、窒素が脱着されてガスに戻ります。サイクルの後半の途中で、バルブの位置が再び変更され、第1シリンダー内のガスが大気中に放出されます。これにより、圧力均等化リザーバー内の酸素濃度が約90%を下回らないように維持されます。圧力均等化リザーバーから酸素を供給するホース内の圧力は、減圧弁によって一定に保たれます。

旧型の装置は、約20秒間作動し、毎分最大5リットルの90%以上の酸素を供給していました。1999年頃からは、毎分最大10リットルの供給が可能な装置が販売されています。

初期の酸素濃縮器は2床の分子ふるいを使用していましたが、最近の設計では、ベッド再生中に連続的に酸素を生成できるように、多床の分子ふるいが組み込まれています。冗長性は、10 L/minの分子ふるいをずらして配置することで確保されています。これにより、960 L/minを超える酸素を生成できます。ランプアップ時間（多床式濃縮器が90%以上の濃度で酸素を生成するまでの経過時間）は、多くの場合2分未満で、単純な2床式濃縮器よりもはるかに高速です。ランプアップ時間の短縮により、現代の環境や緊急時における使用の持続可能性が向上します。高圧ブースターを使用して標準酸素ボンベ（例えば、50 L、200 bar = 10,000 L）を充填するオプションがこれらのシステムで提供され、以前に充填された予備ボンベへの自動フェイルオーバーが保証され、例えば停電の場合に酸素供給チェーンが確保されます。

膜分離によるガス分離では、膜は透過性のある障壁として機能し、異なる化合物は異なる速度で膜を通過したり、全く通過しなかったりする。

気体混合物は、ポリアミドや酢酸セルロースなどのポリマー、またはセラミック材料から作られた合成膜によって効果的に分離することができる。 ^{[ 6 ]}

ポリマー膜は経済的で技術的に有用ですが、ロベソン限界（透過性と選択性のトレードオフの関係にある）と呼ばれる性能の制約を受けます。^{[ 7 ]}この限界は、質量輸送が制限要因となり、透過性が低いため CO2 分離が非常に高価になるため、排ガス流からの CO2 分離にポリマー膜を使用する際_に影響_します。膜材料は、シリカ、ゼオライト、金属有機構造体、ペロブスカイトの領域にまで拡大しており、これらは、高い耐熱性、耐薬品性、および高い調整可能性（改質および機能化の能力）により、透過性と選択性が向上しています。膜は、ガス混合物の分離に使用でき、透過性バリアとして機能し、異なる化合物が異なる速度で通過したり、まったく通過しなかったりします。膜はナノ多孔質、ポリマーなどであり、ガス分子はサイズ、拡散性、または溶解度に応じて透過します。

膜を介したガス分離は圧力駆動プロセスであり、駆動力は原料の入口と製品の出口の圧力差です。このプロセスで使用される膜は一般的に非多孔質層であるため、膜を通してガスが著しく漏れることはありません。膜の性能は透過性と選択性に依存します。透過性は透過物質のサイズによって影響を受けます。ガス分子が大きいほど拡散係数は低くなります。膜材料のポリマー鎖の柔軟性とポリマー内の自由体積は拡散係数に影響を与えます。透過膜内の空間は、ガス分子が拡散するのに十分な大きさでなければならないためです。溶解度は、ポリマー中のガスの濃度と、ポリマーと接触しているガスの圧力の比として表されます。透過性とは、膜の両端の圧力差の結果として、透過ガスが膜材料を通して拡散することを可能にする膜の能力であり、透過流量、膜の厚さと面積、および膜の両端の圧力差によって測定できます。膜の選択性とは、膜に対する関連ガスの透過率の比率の尺度である。これは、二成分分離における2つのガスの透過率の比率として計算できる。^{[ 4 ]}

膜ガス分離装置は通常、膜モジュールにガスを送り込み、拡散率と溶解度の違いに基づいて目的のガスを分離します。たとえば、酸素は周囲の空気から分離され、上流側で回収され、窒素は下流側で回収されます。2016年の時点で、膜技術は1日あたり25～40%の酸素を10～25トン生産できると報告されています。^{[ 4 ]}

2000年代初頭から、多くの企業が携帯型酸素濃縮器を製造してきました。^{[ 11 ]}通常、これらの装置は1分間に1～5リットルの連続酸素流量に相当し、パルス流量または「デマンドフロー」のいずれかのバージョンを使用して、患者が吸入しているときだけ酸素を供給します。^{[ 12 ]}また、より高い間欠流量を提供したり、消費電力を削減したりするために、酸素のパルスを提供することもできます。

酸素濃度に関する研究は継続中で、最新の技術では、医療用酸素濃縮器に必要な吸着剤の量を「一般的な市販の装置と比較して約10～20％高い酸素回収率を実現しながら、3分の1に削減できる可能性がある」と示唆されている。^{[ 13 ]}

FAAは商用航空機での携帯型酸素濃縮器の使用を承認しています。^{[ 14 ]}ただし、これらの機器を使用する人は、特定のブランドやモデルが特定の航空会社で許可されているかどうかを事前に確認する必要があります。^{[ 15 ]}商用航空機とは異なり、客室与圧のない航空機の利用者は、高高度でも十分な流量を供給できる酸素濃縮器が必要です。

通常、「デマンド式」またはパルスフロー式の酸素濃縮器は、患者が睡眠中に使用することはありません。睡眠中の患者の吸入を酸素濃縮器が検知できないという問題があったためです。一部の大型携帯型酸素濃縮器は、パルスフローモードに加えて連続フローモードでも動作するように設計されています。連続フローモードは、CPAP装置と併用することで夜間使用にも安全であると考えられています。

医療用酸素濃縮器や特殊な工業用酸素濃縮器を転用して、小型の酸素アセチレンやその他の燃料ガス切断、溶接、ランプワーク用トーチ を稼働させることができる。^{[ 16 ]}

酸素は、工業用途における様々な化学物質の酸化に広く必要とされている。従来、これらの産業では需要を満たすために大量の酸素ボンベを購入していたが、非常に高価であり、市場で常に酸素ボンベが入手できるとは限らなかった。

紙を白くするために、酸化プロセスによって紙パルプを漂白するには酸素が必要です。さらに、木材に含まれるリグニンは脱リグニン化プロセスによって除去されますが、このプロセスにも酸素が必要です。

ガラスの原料を溶かすには、巨大な炉が必要です。酸素は炉の炎を燃え上がらせ、ガラス製造に必要な高温で燃焼させます。

様々な化学物質を酸化して目的の化学物質を生成するには酸素が必要です。化学廃棄物は酸素の力を借りて焼却炉で燃焼・破壊されます。そのため、大量の酸素を継続的に供給することが不可欠であり、これはPSA酸素発生装置によってのみ可能です。