南工大新技術讓氙氣採購成本節約99%以上

氙氣因為其稀少和昂貴，被麻醉學界稱為吸入麻醉藥的"貴族"，它和氧的混合物（20%Xe，80%O2，體積）是對人體的一種麻醉劑。近些年來，隨著對氙氣的臨床研究的深入，它的許多特性逐漸被人們認識。它與理想吸入麻醉藥非常接近，應用前景普遍看好。氙氣的MAC為71％，麻醉強度高於笑氣，在體內不發生代謝，不產生毒性代謝產物，理論上對重要器官無代謝危害。

南京工業大學顧學紅教授、王學瑞教授與荷蘭代爾夫特理工大學Freek Kapteijn教授合作，開發出一種中空纖維分子篩膜用於現代醫療麻醉氙氣在線回用新技術，可以實現氙氣的循環使用，節約氙氣採購成本99%以上，同時也可大大緩解氙氣市場供應緊張的問題。這一成果發表在《德國應用化學》上。
「氙氣作為麻醉藥劑，具有無毒副作用、器官保護、快速誘導和甦醒等方面的突出優勢，在嬰幼兒、孕婦等群體的手術麻醉中具有良好應用前景。目前，氙氣的唯一可開採性來源是空氣，多級深冷精製工藝能耗較高;同時，氙氣在空氣中的濃度極低，僅為0.087 ppm，市場供應量也極為有限。即使全球生產的高純度Xe都應用於醫療麻醉，可服務的臨床病例也不超過80 萬人次。」論文通訊作者顧學紅教授介紹。
在臨床手術的麻醉過程中，用作麻醉藥劑的氙氣，被病人不斷地吸進去再呼出來。病人在麻醉過程中組織代謝仍正常進行，在呼吸氙氣的同時也不斷呼出二氧化碳。在這個閉路循環呼吸麻醉器械裡，當二氧化碳的濃度積累到一定程度，就會造成二氧化碳中毒。因此二氧化碳和氙氣的混合氣體就必須定時排出去，更換新鮮的氙氣。

「我們的工作，就是要把我們的分子篩膜，放到麻醉閉路循環系統裡面，將麻醉過程中人體組織代謝產生的二氧化碳及時移走，這樣氙氣在裡面就可以循環使用了，不需要更換新的氙氣，從而降低氙氣麻醉過程中氙氣的用量和麻醉的成本。」論文通訊作者、第一作者王學瑞教授說。

分子篩膜是一類具有規整孔道結構的矽鋁酸鹽材料，有效孔徑由分子篩的孔道結構決定，是氣體分子間精密分離的理想膜材料。南京工業大學等科研院所已成功實現分子篩膜在有機溶劑與水分離中的工業應用，打破了日本和德國等少數國家的技術壟斷，填補了我國在該領域的技術空白。「而將分子篩膜用於氣體分離，我們已經研究了十年時間，在膜材料的設計與應用方面我們已經取得了一些成果。如何實現分子篩膜氣體分離的大規模工業應用，是亟待突破的瓶頸，是目前學術界和產業界共同關注的焦點問題。」王學瑞介紹，課題組提出的中空纖維分子篩膜用於現代醫療麻醉氙氣在線回用新技術，為解決這一難題提供了有效途徑。
課題組在研究中發現，氣體分子在滲透通過分子篩膜時，二氧化碳分子「跑」得更快，它的滲透速度比氙氣分子快兩個數量級。「在分子篩膜孔道的內部，尤其是分子篩膜表面，二氧化碳分子和氙氣分子都可以吸附，但兩者的吸附能力有強弱之分。」王學瑞教授解釋道，「二氧化碳分子滲透速率快，最早進入分子篩孔道並吸附，但是二氧化碳分子與分子篩孔道相互作用力相對較弱，很容易被作用力更強的氙氣分子『擠』出去。儘管氙氣分子滲透速率慢，一旦佔據分子篩孔道，將會阻礙二氧化碳分子的吸附和擴散，從而降低二氧化碳的滲透速率。因此，在膜材料的設計和膜過程開發中，應該從膜材料對氣體吸附能力的強弱和氣體在材料中擴散的快慢兩個角度著手，統籌考慮，從而達到膜材料應用性能的最優化。」
由於二氧化碳透過分子篩膜的速率比上氙氣透過速率快兩個數量級，氙氣的回收率高達99%以上，過程能耗僅為1.5$/Nm³，相對於目前高昂的氙氣市場價格(30000——60000 $/Nm³)，該課題組開發的分子篩膜氙氣在線回用技術，具有明顯的技術優勢和經濟優勢。同時，該膜材料在模擬體系中連續運行300小時以上，性能保持穩定，有望可以開發新型的醫療麻醉器械，服務於我國現代化醫療體系建設。

來源：中國化工報