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圧力スイング吸着法（PSA）は、圧力下でガス混合物（通常は空気）から特定のガス種を、その分子特性と吸着剤への親和性に基づいて分離する技術です。この方法は常温に近い温度で動作し、ガス分離に一般的に用いられる極低温蒸留とは大きく異なります。ゼオライト（分子ふるい）や活性炭などの選択性吸着剤が捕捉材として用いられ、高圧下で目的のガス種を優先的に吸着します。その後、圧力を下げて吸着したガスを脱着します。
圧力スイング吸着（PSA）プロセスは、高圧下ではガスが固体表面に捕捉され、すなわち「吸着」されるという現象に基づいています。圧力が高いほど、吸着されるガスの量も多くなります。圧力を下げると、ガスは放出され、脱着されます。PSAは、異なるガスが特定の固体表面に多かれ少なかれ強く吸着されるため、混合ガス中のガスを分離するために使用できます。例えば、空気などの混合ガスを、酸素よりも窒素を強く吸着するゼオライト吸着剤層を含む容器に加圧して通すと、窒素の一部が吸着剤層に残り、容器から出るガスは流入する混合ガスよりも酸素濃度が高くなります。吸着剤層が窒素を吸着できる限界に達すると、圧力を下げることで吸着された窒素を放出し、再生することができます。その後、酸素濃縮空気を生成する次のサイクルに備えることができます。
2つの吸着容器を使用することで、目的ガスをほぼ連続的に生産することが可能になります。また、圧力均等化も実現でき、減圧される容器から排出されるガスを利用して、もう一方の容器を部分的に加圧します。これにより大幅なエネルギー節約が可能となり、これは一般的な工業的手法です。
PSAシステム用の吸着剤は、異なるガスを識別する能力に加えて、比表面積が大きいことから、通常は非常に多孔質な材料が選ばれます。代表的な吸着剤としては、ゼオライト、活性炭、シリカゲル、アルミナ、合成樹脂などがあります。これらの表面に吸着されるガスは、分子1個分、多くても数個分の厚さの層で構成される場合もありますが、1グラムあたり数百平方メートルの表面積により、吸着剤の重量の大部分を占めるガスを吸着することが可能です。ゼオライトや一部の活性炭は、異なるガスに対する親和性に加えて、分子ふるいの特性を利用して、分子の大きさや形状に基づいて一部のガス分子を構造から排除し、より大きな分子の吸着能力を制限することができます。
PSAは、医療用酸素の供給や、病院における主要な酸素源であるバルク極低温貯蔵や圧縮シリンダー貯蔵の代替として使用される以外にも、数多くの用途があります。PSAの主な用途の1つは、石油精製所やアンモニア（NH₃ ）製造で使用される水素（H₂ ）の大規模商業合成の最終段階として二酸化炭素（CO₂ ）を除去することです。製油所では、水素化処理および水素化分解装置の水素供給流およびリサイクル流から硫化水素（H₂S ）を除去するためにPSA技術がよく使用されます。PSAのもう1つの用途は、バイオガスから二酸化炭素を分離してメタン（CH₄ ）の比率を高めることです。
PSA を通じて、バイオガスを天然ガスと同等の品質にアップグレードすることができます。これには、埋立地ガスを天然ガスとして販売できるユーティリティグレードの高純度メタンガスにアップグレードする埋立地ガス利用プロセスが含まれます。[ 1 ]
PSAは以下のような用途にも使用されます。
二酸化炭素回収・貯留（CCS）に関しては、これらの発電所からの温室効果ガスの排出量を削減するために、地中貯留の前に石炭火力発電所から大量のCO2を回収する研究が現在進行中である。[ 4 ] [ 5 ]
PSAは、宇宙服の主要生命維持システムで使用される再生不可能な吸着剤技術の将来的な代替手段としても議論されており、軽量化と宇宙服の稼働時間の延長を目的としている。[ 6 ]
PSAは、肺気腫患者やCOVID-19患者、その他酸素濃度を高めた空気を呼吸に必要とする人々が使用する医療用酸素濃縮器に用いられています。
二段式PSA（DS-PSA）は、実験室用窒素発生装置向けに開発された方式で、二段階式PSAとも呼ばれます。窒素ガスは2段階で生成されます。まず、第1段階では、圧縮空気をカーボン分子ふるいに通して純度約98%の窒素ガスを生成します。次に、この窒素ガスを別のカーボン分子ふるいに通して、純度99.999%まで高めます。第2段階で排出されたパージガスはリサイクルされ、第1段階の供給ガスとして一部使用されます。
さらに、パージプロセスは、次のサイクルでの性能向上を目的として、能動的な排気によってサポートされています。これら2つの変更の目的は、従来のPSAプロセスよりも効率を向上させることです。
DS-PSAは酸素濃度を高めるためにも適用できます。この場合、第一段階ではアルミニウムシリカ系ゼオライトが窒素を吸着し、出口で95%の酸素濃度を達成します。第二段階では、炭素系分子ふるいが逆サイクルで残留窒素を吸着し、酸素濃度を99%まで高めます。
急速圧力スイング吸着（RPSA）は、携帯型酸素濃縮器でよく使用されます。高純度が必須ではなく、供給ガス（空気）を廃棄できる場合、吸着剤層のサイズを大幅に縮小できます。[ 7 ]この方式は、圧力を急速にサイクルさせながら、カラムの両端を同じ速度で交互に排気することで機能します。つまり、吸着されていないガスはカラム内をはるかに速く移動し、遠位端から排気されますが、吸着されたガスは移動する機会がなく、近位端から排気されます。[ 8 ]
真空スイング吸着（VSA）は、ほぼ常圧で気体混合物から特定のガスを分離し、その後、吸着剤を再生するために真空に切り替えます。VSAは、ほぼ常温常圧で動作するため、他のPSA技術とは異なります。VSAは通常、真空を用いて分離プロセスを通してガスを吸引します。酸素および窒素のVSAシステムでは、真空は通常、ブロワーによって生成されます。ハイブリッド真空圧力スイング吸着（VPSA）システムも存在します。VPSAシステムは、分離プロセスに加圧ガスを供給し、パージガスにも真空を適用します。VPSAシステムは、ポータブル酸素濃縮器の1つと同様に、回収率（生成ガス排出量/生成ガス投入量）や生産性（生成ガス排出量/篩材質量）などの一般的な業界指標で測定すると、最も効率的なシステムの1つです。一般的に、回収率が高いほど、コンプレッサー、ブロワー、またはその他の圧縮ガス源や真空源が小さくなり、消費電力も少なくなります。生産性が高いほど、篩材ベッドが小さくなります。消費者は、システム全体の重量とサイズに対する製品ガスの量の比率、システムの初期費用と維持費用、システムの消費電力やその他の運用コスト、信頼性など、システム全体においてより直接的に測定可能な差を示す指標を考慮する可能性が高いでしょう。
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