南工大研发氙气在线回用新技术 让氙气采购成本节约99%以上

氙气是现代医疗手术中的一种重要而稀缺的麻醉药剂。在临床使中，如何实现氙气的循环使用一直是一个难题。日前，南京工业大学顾学红教授、王学瑞教授与荷兰代尔夫特理工大学Freek Kapteijn教授合作，开发出一种中空纤维分子筛膜用于现代医疗麻醉氙气在线回用新技术，可以实现氙气的循环使用，节约氙气采购成本99%以上，同时也可大大缓解氙气市场供应紧张的问题。这一成果发表在《德国应用化学》上。

“氙气作为麻醉药剂，具有无毒副作用、器官保护、快速诱导和苏醒等方面的突出优势，在婴幼儿、孕妇等群体的手术麻醉中具有良好应用前景。目前，氙气的唯一可开采性来源是空气，多级深冷精制工艺能耗较高;同时，氙气在空气中的浓度极低，仅为0.087 ppm，市场供应量也极为有限。即使全球生产的高纯度Xe都应用于医疗麻醉，可服务的临床病例也不超过80 万人次。”论文通讯作者顾学红教授介绍。

在临床手术的麻醉过程中，用作麻醉药剂的氙气，被病人不断地吸进去再呼出来。病人在麻醉过程中组织代谢仍正常进行，在呼吸氙气的同时也不断呼出二氧化碳。在这个闭路循环呼吸麻醉器械里，当二氧化碳的浓度积累到一定程度，就会造成二氧化碳中毒。因此二氧化碳和氙气的混合气体就必须定时排出去，更换新鲜的氙气。

“我们的工作，就是要把我们的分子筛膜，放到麻醉闭路循环系统里面，将麻醉过程中人体组织代谢产生的二氧化碳及时移走，这样氙气在里面就可以循环使用了，不需要更换新的氙气，从而降低氙气麻醉过程中氙气的用量和麻醉的成本。”论文通讯作者、第一作者王学瑞教授说。

分子筛膜是一类具有规整孔道结构的硅铝酸盐材料，有效孔径由分子筛的孔道结构决定，是气体分子间精密分离的理想膜材料。南京工业大学等科研院所已成功实现分子筛膜在有机溶剂与水分离中的工业应用，打破了日本和德国等少数国家的技术垄断，填补了我国在该领域的技术空白。“而将分子筛膜用于气体分离，我们已经研究了十年时间，在膜材料的设计与应用方面我们已经取得了一些成果。如何实现分子筛膜气体分离的大规模工业应用，是亟待突破的瓶颈，是目前学术界和产业界共同关注的焦点问题。”王学瑞介绍，课题组提出的中空纤维分子筛膜用于现代医疗麻醉氙气在线回用新技术，为解决这一难题提供了有效途径。

课题组在研究中发现，气体分子在渗透通过分子筛膜时，二氧化碳分子“跑”得更快，它的渗透速度比氙气分子快两个数量级。“在分子筛膜孔道的内部，尤其是分子筛膜表面，二氧化碳分子和氙气分子都可以吸附，但两者的吸附能力有强弱之分。”王学瑞教授解释道，“二氧化碳分子渗透速率快，最早进入分子筛孔道并吸附，但是二氧化碳分子与分子筛孔道相互作用力相对较弱，很容易被作用力更强的氙气分子‘挤’出去。尽管氙气分子渗透速率慢，一旦占据分子筛孔道，将会阻碍二氧化碳分子的吸附和扩散，从而降低二氧化碳的渗透速率。因此，在膜材料的设计和膜过程开发中，应该从膜材料对气体吸附能力的强弱和气体在材料中扩散的快慢两个角度着手，统筹考虑，从而达到膜材料应用性能的最优化。”

由于二氧化碳透过分子筛膜的速率比上氙气透过速率快两个数量级，氙气的回收率高达99%以上，过程能耗仅为1.5$/Nm³，相对于目前高昂的氙气市场价格(30000——60000 $/Nm³)，该课题组开发的分子筛膜氙气在线回用技术，具有明显的技术优势和经济优势。同时，该膜材料在模拟体系中连续运行300小时以上，性能保持稳定，有望可以开发新型的医疗麻醉器械，服务于我国现代化医疗体系建设。