Sito molekularne do koncentratora tlenu: jak dobrać złoże NaX lub LiX do urządzenia

Jak złoże sita molekularnego wytwarza tlen w koncentratorze

Koncentrator tlenu rozdziela powietrze atmosferyczne metodą adsorpcji zmiennociśnieniowej, znanej w literaturze jako PSA (z ang. Pressure Swing Adsorption). Sprężone powietrze przepływa przez kolumnę wypełnioną zeolitowym sitem molekularnym, które zatrzymuje cząsteczki azotu, a przepuszcza tlen i argon. Producenci materiałów deklarują, że ich wyroby pozwalają uzyskać w koncentratorze tlen o stężeniu 93% z tolerancją 3 punktów procentowych ^[1]. Jest to deklaracja dotycząca całego urządzenia pracującego w przewidzianym cyklu, a nie właściwość samego materiału.

Zatrzymany azot nie zostaje w złożu na stałe. Po obniżeniu ciśnienia materiał oddaje go z powrotem do otoczenia, a kolumna jest gotowa do kolejnego cyklu. Typowy koncentrator ma dwie kolumny pracujące na przemian: jedna wytwarza tlen, druga w tym czasie się regeneruje. Adsorpcja nie zużywa materiału chemicznie, więc złoże może pracować przez tysiące cykli, dopóki nie zostanie zanieczyszczone albo mechanicznie zniszczone.

Rozdział azotu i tlenu opiera się na różnicy w sile oddziaływania obu cząsteczek z jonami metalu wbudowanymi w strukturę zeolitu. Azot ma wyraźnie większy moment kwadrupolowy niż tlen, więc jest przyciągany silniej. Sama struktura krystaliczna, czyli rozmiar porów, nie rozdziela tych dwóch gazów, ponieważ ich cząsteczki mają zbliżoną średnicę. Ogólny podział zeolitów i ich oznaczenia opisujemy w artykule Co to jest sito molekularne (zeolity) i jakie są jego rodzaje?.

NaX i LiX: dwa rodzaje sita molekularnego stosowane w koncentratorach tlenu

W koncentratorach tlenu pracują dwa rodzaje zeolitu o tej samej strukturze krystalicznej typu X, różniące się rodzajem jonu wymiennego. W materiale NaX jest to jon sodu, w materiale LiX jon litu. Wymiana sodu na lit zwiększa siłę wiązania azotu, co przekłada się na wyższą pojemność adsorpcyjną i wyższą selektywność rozdziału azotu i tlenu. Oba materiały dostarczamy jako sita molekularne do koncentratorów tlenu w odmianach LiX i NaX, w postaci gotowego materiału złoża do zasypu urządzenia.

Poniższe zestawienie pochodzi z przeglądu technologii koncentratorów tlenu opublikowanego w czasopiśmie Adsorption, w którym zebrano dane z kart technicznych czterech producentów materiałów sodowych i czterech producentów materiałów litowych, dla wszystkich pozycji przy tych samych warunkach pomiaru pojemności azotowej, czyli przy ciśnieniu 1 atm i temperaturze 25 °C ^[2]. Zestawienie pokazuje rząd różnicy między obiema grupami materiałów, a nie wynik jednego pomiaru wykonanego w laboratorium na wszystkich próbkach.

Rodzaj zeolitu	Pojemność adsorpcyjna azotu przy 1 atm i 25 °C	Gęstość nasypowa	Średnica granulek
Sodowy NaX	od 8,0 do 8,7 ml/g	od 580 do 700 kg/m³	od 0,4 do 0,8 mm
Litowy LiX i LiLSX	od 18,5 do 26,5 ml/g	od 580 do 670 kg/m³	od 0,4 do 0,8 mm

Wartości w tabeli opisują zeolity handlowe dostępne na rynku, a nie jeden konkretny wyrób.

Dla czytelnika wynika z tego jedna rzecz praktyczna: w warunkach porównawczych z tabeli materiał litowy wiąże na gram ponad dwa razy więcej azotu niż sodowy, przy zbliżonej gęstości nasypowej i tej samej frakcji. Dlatego w urządzeniu zaprojektowanym pod materiał litowy kolumny są mniejsze, a przy materiale sodowym ten sam strumień tlenu wymaga większej objętości złoża, krótszego cyklu pracy albo pracy przy niższej sprawności. Ile azotu złoże zatrzyma w jednym cyklu, rozstrzyga jednak dopiero pojemność robocza, czyli różnica obciążenia materiału między fazą adsorpcji i fazą regeneracji w danym urządzeniu.

Drugim parametrem podawanym w kartach technicznych jest współczynnik selektywności azotu wobec tlenu, który opisuje, o ile silniej materiał wiąże azot niż tlen. Dla materiału sodowego producent deklaruje wartość nie mniejszą niż 3, dla litowego nie mniejszą niż 6,2, w obu przypadkach przy temperaturze 25 °C i ciśnieniu 760 mmHg ^[1]. Wyższa selektywność oznacza mniejsze straty tlenu wraz z desorbowanym azotem.

Materiał sodowy nie jest przy tym wyborem gorszym z definicji. W przywołanym przeglądzie technologii zwrócono uwagę, że zeolity sodowe pozostają uzasadnione tam, gdzie urządzenie pracuje w prostszym cyklu, oraz w starszych konstrukcjach koncentratorów, które nadal są eksploatowane.

Ile materiału wchodzi do kolumny i skąd wziąć tę liczbę

Nie ma jednej tabeli, która przelicza wydajność koncentratora w litrach tlenu na minutę na kilogramy sita molekularnego. Ilość materiału zależy od czasu cyklu, ciśnienia sprężania, sposobu regeneracji i geometrii kolumn, a te parametry różnią się między modelami urządzeń o tej samej wydajności nominalnej. Liczba przepisana z cudzego urządzenia opisuje tamtą konstrukcję, a nie tę, którą ma przed sobą serwis.

W praktyce serwisowej ilość materiału ustala się na trzy sposoby, uporządkowane w tabeli od najbardziej do najmniej wiarygodnego.

Sposób ustalenia ilości materiału	Co daje	Ograniczenie
Dokumentacja techniczna koncentratora albo informacja od jego producenta	Ilość przewidzianą przez konstruktora urządzenia	Dla starszych modeli bywa niedostępna
Zważenie materiału wymontowanego z kolumny	Rzeczywistą ilość z tego egzemplarza urządzenia	Zawilgocone złoże waży więcej niż to samo złoże w stanie suchym
Objętość kolumny pomnożona przez gęstość nasypową materiału	Wartość orientacyjną, gdy dwa pierwsze sposoby odpadają	Nie uwzględnia warstwy wstępnego osuszania ani wolnej przestrzeni na dociśnięcie złoża

Ostatni sposób ma postać prostego iloczynu: masa złoża w kilogramach równa się objętość kolumny w metrach sześciennych pomnożona przez gęstość nasypową materiału w kilogramach na metr sześcienny. Rozrzut gęstości nasypowych z tabeli wyżej przekłada się jednak na wynik: dla objętości 1 dm³ daje od 0,58 do 0,70 kg materiału, czyli około 20% różnicy ^[2]. Do przeliczenia bierze się więc gęstość konkretnego wyrobu z jego karty technicznej, a wynik pozostaje wartością orientacyjną.

Wilgoć jako główna przyczyna szybszego zużycia złoża

Rys. 1. Zeolitowe sito molekularne 13X o frakcji od 0,4 do 0,8 mm w zamkniętym naczyniu szklanym. Materiał przechowuje się bez dostępu powietrza do chwili zasypu. Zdjęcie ABC-Z System EKO.

Zeolity typu X wiążą parę wodną silniej niż azot, więc woda wypiera azot z powierzchni materiału. W przeglądzie technologii koncentratorów tlenu podano, że w zeolitach selektywnych wobec azotu zaadsorbowanie zaledwie 2% wody w stosunku do masy suchego adsorbentu obniża ich pojemność azotową o ponad połowę, a zanieczyszczenie wodą jest główną przyczyną zakończenia pracy takiego złoża ^[2]. Skalę tego powinowactwa widać w kartach technicznych: producent materiałów do koncentratorów podaje statyczną adsorpcję wody na poziomie co najmniej 30% masy przy temperaturze 25 °C i wilgotności względnej 75%, i to zarówno dla odmiany sodowej, jak i litowej ^[1].

Część konstrukcji zabezpiecza przed tym złoże osobną warstwą wstępną. Przed materiałem rozdzielającym azot i tlen umieszcza się wtedy adsorbent zatrzymujący parę wodną i dwutlenek węgla: zeolit sodowy NaX, aktywny tlenek glinu albo żel krzemionkowy ^[2]. W przemysłowych instalacjach tlenowych pracujących z regeneracją pod obniżonym ciśnieniem warstwa z tlenku glinu albo z zeolitu sodowego jest ustaloną praktyką ^[3].

Nie każde urządzenie ma jednak osobną warstwę wstępną. Tam, gdzie jej nie przewidziano, jej rolę przejmuje pierwsza warstwa samego złoża: zatrzymana w niej woda tworzy strefę zachowującą się podobnie jak warstwa wstępna, tyle że ta część materiału nie bierze już udziału w rozdziale powietrza. W obu przypadkach obowiązuje ta sama zależność: jeżeli strefa zatrzymująca wodę jest za płytka albo urządzenie pracuje w powietrzu o wysokiej wilgotności, front wilgoci przesuwa się w głąb kolumny i wyłącza z pracy kolejne warstwy materiału. W literaturze anglojęzycznej nosi to nazwę water creep, czyli pełzania wilgoci, a sposób przewidywania zasięgu strefy zawilgoconej w złożu podano w pracy o wpływie wody na proces rozdziału powietrza ^[3].

Praktyczny wniosek dotyczy nie tylko doboru materiału, ale też sposobu obchodzenia się z nim. Sito molekularne do koncentratora tlenu dostarczane jest w opakowaniu hermetycznym, a pozostawienie go otwartego na stanowisku serwisowym obniża pojemność materiału, zanim jeszcze trafi on do urządzenia. Ta sama zasada dotyczy kolumny otwartej na czas wymiany.

Koncentrator stacjonarny a przenośny: co naprawdę różni dobór

Koncentrator stacjonarny pracuje w sposób ciągły, przez wiele godzin, przy zasilaniu z sieci i bez ograniczenia masy urządzenia. W takich konstrukcjach dopuszczalna jest większa objętość kolumn, a materiał sodowy bywa wystarczający, jeżeli cały układ został pod niego zaprojektowany. Koncentrator przenośny ma ograniczoną masę i pojemność akumulatora. Podaje tlen zwykle w trybie impulsowym, czyli tylko w fazie wdechu, a jego kolumny pracują w krótkim cyklu adsorpcji i regeneracji. To dwie różne rzeczy: sposób dozowania tlenu pacjentowi i czas cyklu kolumn. Krótki cykl kolumn wymaga materiału o wysokiej pojemności azotowej i szybkim przebiegu adsorpcji, dlatego w tej klasie urządzeń stosuje się zwykle zeolit litowy.

Frakcja materiału nie dzieli natomiast tych urządzeń na dwie grupy. Zarówno w koncentratorach stacjonarnych, jak i przenośnych stosuje się granulki o średnicy od 0,4 do 0,8 mm ^[2]. Nie znaczy to, że wielkość granulek jest bez znaczenia, bo wpływa ona na opory przepływu i na szybkość adsorpcji, a w podanym przedziale skrajne średnice różnią się dwukrotnie. Jest to jednak parametr do sprawdzenia w dokumentacji konkretnego urządzenia, a nie cecha odróżniająca koncentratory przenośne od stacjonarnych.

Najczęstsze błędy przy wymianie złoża w koncentratorze tlenu

Pierwszym i najczęstszym błędem jest zamiana rodzaju zeolitu bez zmiany urządzenia. Koncentrator zaprojektowany pod materiał litowy, napełniony materiałem sodowym o tej samej objętości, otrzymuje złoże o ponad dwukrotnie niższej pojemności azotowej, co obniża stężenie tlenu na wylocie. Zamiana w drugą stronę zmienia z kolei przebieg ciśnień w cyklu, pod który urządzenie zostało ustawione.

Drugim błędem jest dobór materiału wyłącznie po objętości kolumny, bez ustalenia, jaki rodzaj sita pracował w urządzeniu wcześniej. Objętość mówi tylko o tym, ile materiału się zmieści, i nie rozstrzyga, który materiał da oczekiwany strumień tlenu.

Trzecim błędem jest wymiana samego złoża w układzie, który ma inną usterkę. Spadek stężenia tlenu wywołuje zarówno zużyte złoże, jak i nieszczelność instalacji, zużyta sprężarka albo niesprawny zawór rozdzielający. Zużyta sprężarka i niesprawny zawór obniżają stężenie tlenu, nie niszcząc przy tym materiału, więc po wymianie złoża objaw wraca. Nieszczelność układu i niesprawna regeneracja działają inaczej: wpuszczają do kolumny wilgoć, która zanieczyszcza także nowy materiał.

Czwartym błędem jest ocena stanu materiału na podstawie wyglądu granulek. Zawilgocone złoże zwykle nie zmienia barwy ani kształtu, a materiał sodowy i litowy wyglądają tak samo. Masa wymontowanego materiału coś mówi dopiero w zestawieniu z masą suchego zasypu podaną przez producenta urządzenia, ponieważ przyrost masy od zaadsorbowanej wody może zostać zrównoważony ubytkiem granulek i pyłu. Bez tej wartości odniesienia stan złoża ocenia się po parametrach pracy urządzenia.

Najczęstsze pytania

Czy można zastąpić sito molekularne LiX sitem NaX w tym samym koncentratorze tlenu?

Nie jest to zamiana materiału na równorzędny. Zeolit litowy wiąże na gram ponad dwa razy więcej azotu niż sodowy, więc wypełnienie tej samej kolumny materiałem sodowym zmniejsza ilość azotu zatrzymywanego w jednym cyklu. W urządzeniu, które nie zostało pod to zaprojektowane, skutkiem jest niższe stężenie tlenu na wylocie. W pierwszej kolejności należy kierować się zaleceniami producenta koncentratora.

Czy zużyte złoże sita molekularnego da się zregenerować w warunkach serwisowych?

Materiał zanieczyszczony wodą można zasadniczo doprowadzić do stanu wyjściowego przez wymontowanie go i regenerację termiczną poza urządzeniem. Wymaga to jednak kontrolowanych warunków ogrzewania, ponieważ zbyt wysoka temperatura niszczy strukturę zeolitu. W praktyce serwisowej wymienia się materiał albo cały wkład, a regeneracja we własnym zakresie nie jest metodą, na której można oprzeć przewidywalną pracę urządzenia.

Po czym poznać, że złoże w koncentratorze tlenu wymaga wymiany?

Pierwszym objawem jest spadek stężenia tlenu poniżej wartości deklarowanej przez producenta urządzenia, zwykle sygnalizowany alarmem koncentratora. Towarzyszy mu wydłużony czas dochodzenia do właściwego stężenia po włączeniu oraz zmiana rytmu pracy sprężarki. Przed wymianą materiału warto wykluczyć nieszczelność układu i zużycie sprężarki, ponieważ dają one podobne objawy.

Jaką frakcję materiału stosuje się w koncentratorach tlenu?

Materiały przeznaczone do koncentratorów tlenu dostarczane są jako kulki o średnicy od 0,4 do 0,8 mm, zarówno w odmianie sodowej, jak i litowej. Frakcja grubsza, stosowana w przemysłowych instalacjach separacji powietrza, nie nadaje się do krótkich cykli pracy małych koncentratorów.

Źródła

1. ↑ Luoyang Jalon Micro-nano New Materials: karty produktowe sit molekularnych serii JLOX-100 (odmiana litowa) i JLOX-500 (odmiana sodowa), parametry adsorpcji azotu i wody wraz z warunkami pomiaru, jalonzeolite.com (EN)
2. ↑ Ackley, M. W.: „Medical oxygen concentrators: a review of progress in air separation technology”, Adsorption 25, 2019, tabele 6 i 7 z danymi materiałów handlowych oraz rozdział o warstwie wstępnego osuszania, doi.org (EN)
3. ↑ Wilson, S. J., Beh, C. C. K., Webley, P. A., Todd, R. S.: „The Effects of a Readily Adsorbed Trace Component (Water) in a Bulk Separation PSA Process: The Case of Oxygen VSA”, Industrial and Engineering Chemistry Research 40, 2001, strony od 2702 do 2713, warstwa wstępna i zasięg strefy zawilgoconej w złożu, doi.org (EN)