Дыхательный газ

Газ, используемый для дыхания человека

Моряки проверяют дыхательные аппараты в море.

Дыхательный газ — это смесь газообразных химических элементов и соединений, используемых для дыхания . Воздух — наиболее распространенный и единственный естественный дыхательный газ, но в дыхательном оборудовании и закрытых помещениях также используются другие смеси газов или чистый кислород. Кислород — это основной компонент любого дыхательного газа. Дыхательные газы для гипербарического использования были разработаны для улучшения характеристик обычного воздуха за счет снижения риска декомпрессионной болезни , сокращения продолжительности декомпрессии , снижения азотного наркоза или обеспечения более безопасного глубокого погружения .

Описание

Дыхательный газ — это смесь газообразных химических элементов и соединений, используемых для дыхания . Воздух — наиболее распространенный и единственный природный дыхательный газ. Другие смеси газов или чистый кислород также используются в дыхательном оборудовании и закрытых средах обитания, таких как подводное снаряжение , водолазное снаряжение с поверхностной подачей , барокамеры , высотный альпинизм , высотные самолеты , подводные лодки , скафандры , космические корабли , медицинское оборудование для жизнеобеспечения и оказания первой помощи , а также анестезиологические аппараты . ^{[1] [2] [3]}

Содержание

Кислород является основным компонентом любого дыхательного газа, при парциальном давлении примерно от 0,16 до 1,60 бар при давлении окружающей среды , иногда ниже для высокогорного альпинизма или выше для гипербарической кислородной терапии . Кислород обычно является единственным метаболически активным компонентом, если только газ не является анестезирующей смесью. Часть кислорода в дыхательном газе потребляется метаболическими процессами, а инертные компоненты остаются неизменными и служат в основном для разбавления кислорода до соответствующей концентрации, и поэтому их также называют газами-разбавителями.

Большинство дыхательных газов, таким образом, представляют собой смесь кислорода и одного или нескольких метаболически инертных газов . ^{[1] [3]} Дыхательные газы для гипербарического использования были разработаны для улучшения характеристик обычного воздуха за счет снижения риска декомпрессионной болезни , сокращения продолжительности декомпрессии , уменьшения азотного наркоза или обеспечения более безопасного глубокого погружения . ^{[1] [3]} Методы, используемые для заполнения водолазных баллонов газами, отличными от воздуха, называются газовым смешиванием . ^{[4] [5]}

Дыхательные газы для использования при давлении окружающей среды ниже нормального атмосферного давления обычно представляют собой чистый кислород или воздух, обогащенный кислородом, чтобы обеспечить достаточное количество кислорода для поддержания жизни и сознания или для обеспечения более высоких уровней нагрузки, чем это было бы возможно при использовании воздуха. Обычно дополнительный кислород предоставляется в виде чистого газа, добавляемого к воздуху для дыхания при вдыхании или через систему жизнеобеспечения.

Для дайвинга и других гипербарических применений

Закрытый колокол, используемый для погружений с насыщением, на котором показаны баллоны аварийного запаса газа.

Безопасный дыхательный газ для гипербарического использования имеет четыре основные характеристики:

• Он должен содержать достаточно кислорода для поддержания жизни, сознания и работоспособности дышащего. ^{[1] [2] [3]}
• Он не должен содержать вредных загрязняющих веществ. Окись углерода и двуокись углерода являются распространенными ядами, которые могут загрязнять дыхательные газы. Существует много других возможностей. ^{[1] [2] [3]}
• Он не должен становиться токсичным при вдыхании под высоким давлением , например, под водой . Кислород и азот являются примерами газов, которые становятся токсичными под давлением. ^{[1] [2] [3]}
• Он не должен быть слишком плотным для дыхания. Работа дыхания увеличивается с плотностью и вязкостью . Максимальная вентиляция падает примерно на 50%, когда плотность эквивалентна воздуху при 30 мсв , а уровень углекислого газа неприемлемо повышается для умеренных упражнений с плотностью газа, превышающей 6 г/литр. Дыхание газа плотностью 10 г/литр или более может вызвать неуправляемую гиперкапнию даже при очень низких уровнях работы, с потенциально фатальными последствиями. ^[6]

Используются следующие распространенные дыхательные газы для дайвинга:

• Воздух представляет собой смесь 21% кислорода , 78% азота и примерно 1% других газовых примесей, в первую очередь аргона ; для упрощения расчетов этот последний 1% обычно рассматривается как азот. Будучи свободно доступным и простым в использовании, он является наиболее распространенным газом для дайвинга. ^{[1] [2] [3]} Поскольку его азотный компонент вызывает азотный наркоз , считается, что его безопасный предел глубины составляет около 40 метров (130 футов) для большинства дайверов, хотя максимальная рабочая глубина (MOD) воздуха при допустимом парциальном давлении кислорода 1,6 бар составляет 66,2 метра (217 футов). ^{[1] [3] [7]} Воздух для дыхания — это воздух, отвечающий установленным стандартам по загрязняющим веществам.
• Чистый кислород в основном используется для ускорения неглубоких декомпрессионных остановок в конце военного , коммерческого или технического погружения . Риск острого отравления кислородом резко возрастает при давлении более 6 метров морской воды. ^{[1] [2] [3] [7]} Он широко использовался в ребризерах водолазов и до сих пор используется атакующими пловцами. ^{[2] [7] [8] [9]}
• Nitrox — это смесь кислорода и воздуха, и обычно относится к смесям, которые содержат более 21% кислорода. Его можно использовать как инструмент для ускорения декомпрессионных остановок в воде или для снижения риска декомпрессионной болезни и, таким образом, для продления погружения (распространенное заблуждение заключается в том, что дайвер может погружаться глубже, но это не так из-за меньшей максимальной рабочей глубины, чем на обычном воздухе). ^{[1] [2] [3] [10]}
• Тримикс представляет собой смесь кислорода, азота и гелия и часто используется на глубине при техническом и коммерческом дайвинге вместо воздуха для снижения азотного наркоза и избежания опасности кислородного отравления. ^{[1] [2] [3]}
• Гелиокс — это смесь кислорода и гелия, которая часто используется в глубокой фазе коммерческих глубоких погружений для устранения азотного наркоза. ^{[1] [2] [3] [11]} Гелиокс — это стандартный тип смеси для глубоких погружений с насыщением в открытом море . ^[12]
• Heliair — это форма тримикса, которая легко смешивается из гелия и воздуха без использования чистого кислорода. Он всегда имеет соотношение кислорода к азоту 21:79; остаток смеси — гелий. ^{[3] [13]}
• Hydreliox — это смесь кислорода, гелия и водорода , которая используется для погружений на глубину более 130 метров в коммерческом дайвинге. ^{[1] [3] [11] [14] [15]}
• Гидрокс , газовая смесь водорода и кислорода , используется в качестве дыхательного газа при очень глубоких погружениях . ^{[1] [3] [11] [14] [16]}
• Neox (также называемый neonox) — это смесь кислорода и неона, которая иногда используется в глубоководном коммерческом дайвинге. Он редко используется из-за своей стоимости. Кроме того, симптомы DCS, вызванные неоном («изгибы neox»), имеют плохую репутацию, поскольку широко сообщается, что они более серьезны, чем те, которые вызваны точно таким же дайвинг-столом и смесью с гелием. ^{[1] [3] [11] [17]}

Воздух для дыхания

Воздух для дыхания — это атмосферный воздух со стандартом чистоты, подходящим для дыхания человека в указанном применении. Для гипербарического использования парциальное давление загрязняющих веществ увеличивается пропорционально абсолютному давлению и должно быть ограничено безопасным составом для глубины или диапазона давлений, в которых он должен использоваться.

Классификация по содержанию кислорода

Дыхательные газы для дайвинга классифицируются по фракции кислорода. Границы, установленные властями, могут немного отличаться, поскольку эффекты постепенно меняются в зависимости от концентрации и от человека к человеку и не являются точно предсказуемыми. ^{[ необходима цитата ]}

Нормоксический

где содержание кислорода не сильно отличается от содержания кислорода в воздухе и позволяет его непрерывно безопасно использовать при атмосферном давлении. ^[19]

Гипероксический илиобогащенный кислородом

где содержание кислорода превышает атмосферные уровни, как правило, до уровня, где есть некоторый измеримый физиологический эффект при длительном использовании, и иногда требующий специальных процедур для обращения из-за повышенной пожароопасности. Сопутствующие риски - кислородная токсичность на глубине и пожар, особенно в дыхательном аппарате. ^{[ необходима цитата ]}

Гипоксический

где содержание кислорода меньше, чем в воздухе, как правило, в той степени, что существует значительный риск измеримого физиологического эффекта в краткосрочной перспективе. Непосредственный риск обычно заключается в гипоксической потере трудоспособности на поверхности или вблизи нее. ^[20]

Отдельные компоненты газов

Дыхательные газы для дайвинга смешиваются из небольшого числа газовых компонентов, которые придают смеси особые характеристики, которых нет в атмосферном воздухе.

Кислород

Кислород (O ₂ ) должен присутствовать в каждом дыхательном газе. ^{[1] [2] [3]} Это потому, что он необходим для метаболического процесса человеческого тела , который поддерживает жизнь. Человеческое тело не может хранить кислород для последующего использования, как это происходит с пищей. Если тело лишено кислорода более чем на несколько минут, наступает потеря сознания и смерть. Ткани и органы внутри тела (особенно сердце и мозг) повреждаются, если лишены кислорода намного дольше четырех минут.

Заполнение баллона для дайвинга чистым кислородом стоит примерно в пять раз дороже, чем заполнение его сжатым воздухом. Поскольку кислород поддерживает горение и вызывает ржавчину в баллонах для дайвинга , с ним следует обращаться осторожно при смешивании газов . ^{[4] [5]}

Кислород исторически получали путем фракционной перегонки жидкого воздуха , но все чаще его получают с помощью некриогенных технологий, таких как технологии адсорбции при переменном давлении (PSA) и вакуумной адсорбции при переменном давлении (VSA). ^[21]

Доля кислородного компонента дыхательной газовой смеси иногда используется при ее наименовании:

• Гипоксические смеси, строго говоря, содержат менее 21% кислорода, хотя часто используется граница в 16%, и предназначены только для дыхания на глубине в качестве «донного газа», где более высокое давление увеличивает парциальное давление кислорода до безопасного уровня. ^{[1] [2] [3]} Trimix , Heliox и Heliair — это газовые смеси, обычно используемые для гипоксических смесей и используемые в профессиональном и техническом дайвинге в качестве газов для глубокого дыхания. ^{[1] [3]} AМинимальная рабочая глубина может быть назначена для гипоксической газовой смеси на основе глубины, на которой парциальное давление равно минимальному парциальному давлению кислорода, приемлемому для человека или организации, использующей газ.
• Нормоксические смеси имеют ту же долю кислорода, что и воздух, 21%. ^{[1] [3]} Максимальная рабочая глубина нормоксической смеси может быть не более 47 метров (154 фута). Тримикс с содержанием кислорода от 17% до 21% часто описывается как нормоксический, поскольку он содержит достаточно высокую долю кислорода, чтобы им можно было безопасно дышать на поверхности.
• Гипероксические смеси содержат более 21% кислорода. Обогащенный воздух Nitrox (EANx) — типичный гипероксический дыхательный газ. ^{[1] [3] [10]} Гипероксические смеси, по сравнению с воздухом, вызывают кислородную токсичность на меньших глубинах, но могут использоваться для сокращения декомпрессионных остановок за счет более быстрого вывода растворенных инертных газов из организма. ^{[7] [10]}

Доля кислорода определяет наибольшую глубину, на которой смесь может безопасно использоваться, чтобы избежать кислородной токсичности . Эта глубина называется максимальной рабочей глубиной . ^{[1] [3] [7] [10]}

Концентрация кислорода в газовой смеси зависит от фракции и давления смеси. Она выражается парциальным давлением кислорода (P _{O 2} ). ^{[1] [3] [7] [10]}

Парциальное давление любого компонента газа в смеси рассчитывается как:

парциальное давление = полное абсолютное давление × объемная доля газового компонента

Для кислородного компонента,

П _{О 2} = П × Ф _{О 2}

где:

P _{O 2} = парциальное давление кислорода

P = полное давление

F _{O 2} = объемная доля содержания кислорода

Минимальное безопасное парциальное давление кислорода в дыхательной смеси обычно составляет 16  кПа (0,16 бар). Ниже этого парциального давления дайвер может подвергаться риску потери сознания и смерти из-за гипоксии , в зависимости от факторов, включая индивидуальную физиологию и уровень нагрузки. Когда гипоксическая смесь вдыхается на мелководье, она может не иметь достаточно высокого P _{O 2} , чтобы поддерживать дайвера в сознании. По этой причине нормоксические или гипероксические «транспортные газы» используются на средней глубине между «донной» и «декомпрессионной» фазами погружения.

Максимально безопасное значение P _{O 2} в дыхательном газе зависит от времени воздействия, уровня физической нагрузки и безопасности используемого дыхательного оборудования. Обычно оно составляет от 100 кПа (1 бар) до 160 кПа (1,6 бар); для погружений продолжительностью менее трех часов обычно считается, что оно составляет 140 кПа (1,4 бар), хотя известно, что ВМС США разрешают погружения с P _{O 2} до 180 кПа (1,8 бар). ^{[1] [2] [3] [7] [10]} При высоком значении P _{O 2} или более длительном воздействии дайвер рискует получить кислородное отравление, которое может привести к припадку . [ ^{1] [2]} Каждый дыхательный газ имеет максимальную рабочую глубину , которая определяется содержанием в нем кислорода. ^{[1] [2] [3] [7] [10]} Для терапевтической рекомпрессии и гипербарической оксигенотерапии в барокамере обычно используются парциальные давления 2,8 бар, но нет риска утопления, если человек потеряет сознание. ^[2] В течение более длительных периодов, например, при погружениях с насыщением , можно переносить давление 0,4 бара в течение нескольких недель.

Анализаторы кислорода используются для измерения парциального давления кислорода в газовой смеси. ^[4]

Divox — это кислород для дыхания, маркированный для использования в дайвинге. В Нидерландах чистый кислород для дыхания считается медицинским, в отличие от промышленного кислорода, например, используемого при сварке , и доступен только по рецепту врача . Индустрия дайвинга зарегистрировала Divox в качестве торговой марки для кислорода для дыхания, чтобы обойти строгие правила, касающиеся медицинского кислорода, тем самым упростив для (любителей) дайвинга получение кислорода для смешивания их дыхательной смеси. В большинстве стран нет никакой разницы в чистоте между медицинским и промышленным кислородом, поскольку они производятся точно такими же методами и производителями, но маркируются и заполняются по-разному. Главное различие между ними заключается в том, что протоколирование гораздо более обширно для медицинского кислорода, чтобы легче было идентифицировать точный производственный маршрут «партии» или партии кислорода в случае обнаружения проблем с его чистотой. Авиационный кислород похож на медицинский кислород, но может иметь более низкое содержание влаги. ^[4]

Газы-разбавители

Газы, не имеющие метаболической функции в дыхательном газе, используются для разбавления газа и поэтому классифицируются как газы-разбавители. Некоторые из них оказывают обратимый наркотический эффект при высоком парциальном давлении, и поэтому должны быть ограничены, чтобы избежать чрезмерного наркотического эффекта при максимальном давлении, при котором они предназначены для вдыхания. Газы-разбавители также влияют на плотность газовой смеси и, следовательно, на работу дыхания .

Азот

Азот (N ₂ ) — двухатомный газ и основной компонент воздуха , самого дешевого и распространенного дыхательного газа, используемого для дайвинга. Он вызывает у дайвера азотный наркоз , поэтому его использование ограничено более мелкими погружениями. Азот может вызывать декомпрессионную болезнь . ^{[1] [2] [3] [22]}

Эквивалентная глубина воздуха используется для оценки требований к декомпрессии смеси нитрокс (кислород/азот). Эквивалентная наркотическая глубина используется для оценки наркотической силы тримикса (смеси кислорода/гелия/азота). Многие дайверы считают, что уровень наркоза, вызванный погружением на 30 м (100 футов) при дыхании воздухом, является комфортным максимумом. ^{[1] [2] [3] [23] [24]}

Азот в газовой смеси почти всегда получается путем добавления в смесь воздуха.

Гелий

Квадратное хранилище 2% гелиокса. 2% кислорода по объему достаточно при давлении, превышающем 90  мсв .

Гелий (He) — инертный газ, который при эквивалентном давлении менее наркотичен, чем азот (на самом деле нет никаких доказательств наркоза от гелия вообще), и имеет гораздо меньшую плотность, поэтому он больше подходит для более глубоких погружений, чем азот. ^{[1] [3]} Гелий в равной степени способен вызывать декомпрессионную болезнь . При высоком давлении гелий также вызывает нервный синдром высокого давления , который является синдромом раздражения центральной нервной системы, который в некотором роде противоположен наркозу. ^{[1] [2] [3] [25]}

Заправка гелиевой смесью значительно дороже, чем заправка воздухом, из-за стоимости гелия и стоимости смешивания и сжатия смеси. ^{[ необходима цитата ]}

Гелий не подходит для надувания сухого костюма из-за его плохих теплоизоляционных свойств — по сравнению с воздухом, который считается приемлемым изолятором, гелий имеет в шесть раз большую теплопроводность. ^[26] Низкая молекулярная масса гелия (одноатомный ММ = 4 по сравнению с двухатомным азотом ММ = 28) усиливает тембр голоса дышащего, что может затруднить общение. ^{[1] [3] [27]} Это происходит потому, что скорость звука выше в газе с более низкой молекулярной массой, что увеличивает резонансную частоту голосовых связок. ^{[1] [27]} Гелий легче утекает из поврежденных или неисправных клапанов , чем другие газы, потому что атомы гелия меньше, что позволяет им проходить через меньшие зазоры в уплотнениях .

Гелий в значительных количествах содержится только в природном газе , из которого его извлекают при низких температурах методом фракционной перегонки.

Неоновый

Неон (Ne) — инертный газ, иногда используемый в глубоководном коммерческом дайвинге , но он очень дорогой. ^{[1] [3] [11] [17]} Как и гелий, он менее наркотичен, чем азот, но в отличие от гелия не искажает голос дайвера. По сравнению с гелием, неон обладает превосходными теплоизоляционными свойствами. ^[28]

Водород

Водород (H ₂ ) использовался в газовых смесях для глубоких погружений, но он очень взрывоопасен при смешивании с более чем 4–5 % кислорода (например, кислородом, содержащимся в дыхательном газе). ^{[1] [3] [11] [14]} Это ограничивает использование водорода глубокими погружениями и налагает сложные протоколы, чтобы гарантировать, что избыток кислорода будет удален из дыхательного оборудования перед началом дыхания водородом. Как и гелий, он повышает тембр голоса дайвера. Смесь водорода и кислорода, используемая в качестве газа для дайвинга, иногда называется Hydrox . Смеси, содержащие как водород, так и гелий в качестве разбавителей, называются Hydreliox.

Нежелательные компоненты дыхательных газов для дайвинга

Многие газы не подходят для использования в качестве дыхательных газов при дайвинге. ^{[5] [29]} Вот неполный список газов, которые обычно присутствуют в среде дайвинга:

аргон

Аргон (Ar) — инертный газ, более наркотический, чем азот, поэтому обычно не подходит в качестве дыхательного газа для дайвинга. ^[30] Аргокс используется для исследований декомпрессии. ^{[1] [3] [31] [32]} Иногда его используют для надувания сухих костюмов водолазы, чей основной дыхательный газ основан на гелии, из-за хороших теплоизоляционных свойств аргона. Аргон дороже воздуха или кислорода, но значительно дешевле гелия. Аргон является компонентом природного воздуха и составляет 0,934% по объему атмосферы Земли. ^[33]

Углекислый газ

Углекислый газ (CO2 ₎ вырабатывается в результате метаболизма в организме человека и может вызвать отравление углекислым газом . ^{[29] [34] [35]} Когда дыхательный газ рециркулируется в рециркуляционном аппарате или системе жизнеобеспечения , углекислый газ удаляется скрубберами перед повторным использованием газа.

Окись углерода

Окись углерода (CO) — это высокотоксичный газ, который конкурирует с дикислородом за связывание с гемоглобином, тем самым препятствуя переносу кислорода кровью (см. отравление окисью углерода ). Обычно он образуется при неполном сгорании . ^{[1] [2] [5] [29]} Существует четыре распространенных источника:

• Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания, содержащие CO в воздухе, всасываемом в компрессор для дайвинга . CO во всасываемом воздухе не может быть остановлен никаким фильтром. Выхлопы всех двигателей внутреннего сгорания, работающих на нефтяном топливе, содержат некоторое количество CO, и это является особой проблемой на лодках, где впуск компрессора не может быть произвольно перемещен на желаемое расстояние от двигателя и выхлопов компрессора.
• Нагрев смазочных материалов внутри компрессора может привести к их испарению в достаточной степени, чтобы они стали доступны для всасывания компрессора или линии впускной системы.
• В некоторых случаях углеводородное смазочное масло может попасть в цилиндр компрессора напрямую через поврежденные или изношенные уплотнения, и масло может (и обычно так и происходит) затем сгореть, воспламенившись из-за огромной степени сжатия и последующего повышения температуры. Поскольку тяжелые масла плохо горят, особенно если они не распылены должным образом, неполное сгорание приведет к образованию оксида углерода.
• Похожий процесс, как полагают ^{[ кем? ] [ оригинальное исследование? ]} , потенциально может произойти с любым твердым веществом, содержащим «органические» (углеродсодержащие) вещества, особенно в баллонах, которые используются для гипероксичных газовых смесей. Если воздушный фильтр(ы) компрессора выходят из строя, в цилиндр, содержащий органические вещества (так как он обычно содержит гумус ), попадет обычная пыль . Более серьезная опасность заключается в том, что твердые частицы воздуха на лодках и в промышленных зонах, где заполняются баллоны, часто содержат продукты сгорания углеродных частиц (именно они делают тряпку черной), и они представляют более серьезную опасность CO при попадании в баллон. ^{[ необходима цитата ]}

Оксид углерода обычно избегают, насколько это разумно и практически осуществимо, путем размещения воздухозаборника в незагрязненном воздухе, фильтрации частиц из всасываемого воздуха, использования подходящей конструкции компрессора и соответствующих смазочных материалов, а также обеспечения того, чтобы рабочие температуры не были чрезмерными. Если остаточный риск чрезмерен, в фильтре высокого давления можно использовать катализатор гопкалита для преобразования окиси углерода в диоксид углерода, который гораздо менее токсичен.

Углеводороды

Углеводороды (C _x H _y ) присутствуют в смазочных материалах и топливе компрессора . Они могут попасть в цилиндры водолазов в результате загрязнения, утечек, ^{[ необходимо разъяснение ]} или из-за неполного сгорания вблизи воздухозаборника. ^{[2] [4] [5] [29] [36]}

• Они могут выступать в качестве топлива при сгорании, увеличивая риск взрыва , особенно в газовых смесях с высоким содержанием кислорода.
• Вдыхание масляного тумана может повредить легкие и в конечном итоге вызвать их дегенерацию с развитием тяжелой липидной пневмонии ^[37] или эмфиземы .

Содержание влаги

Процесс сжатия газа в баллоне для дайвинга удаляет влагу из газа. ^{[5] [29]} Это хорошо для предотвращения коррозии в баллоне, но означает, что дайвер вдыхает очень сухой газ. Сухой газ извлекает влагу из легких дайвера под водой, способствуя обезвоживанию , что также считается предрасполагающим фактором риска декомпрессионной болезни . Это также неудобно, вызывая сухость во рту и горле и заставляя дайвера испытывать жажду. Эта проблема уменьшается в ребризерах, потому что реакция натронной извести , которая удаляет углекислый газ, также возвращает влагу в дыхательный газ, ^[9] а относительная влажность и температура выдыхаемого газа относительно высоки, и существует кумулятивный эффект из-за повторного дыхания. ^[38] В жарком климате погружение с открытым циклом может ускорить тепловое истощение из-за обезвоживания. Еще одной проблемой, связанной с содержанием влаги, является тенденция влаги конденсироваться по мере декомпрессии газа при прохождении через регулятор; это в сочетании с экстремальным снижением температуры, также вызванным декомпрессией, может привести к затвердеванию влаги в виде льда. Это обледенение в регуляторе может привести к заклиниванию подвижных частей и выходу регулятора из строя или свободному потоку. Это одна из причин, по которой регуляторы для подводного плавания обычно изготавливаются из латуни и хромируются (для защиты). Латунь, обладающая хорошими теплопроводными свойствами, быстро проводит тепло от окружающей воды к холодному, недавно декомпрессированному воздуху, помогая предотвратить обледенение.

Анализ газа

Электрогальванический топливный элемент, используемый в водолазном ребризере

Газовые смеси обычно должны анализироваться либо в процессе, либо после смешивания для контроля качества. Это особенно важно для дыхательных газовых смесей, где ошибки могут повлиять на здоровье и безопасность конечного пользователя. Трудно обнаружить большинство газов, которые, вероятно, присутствуют в баллонах для дайвинга, поскольку они бесцветны, не имеют запаха и вкуса. Для некоторых газов существуют электронные датчики, такие как анализаторы кислорода , гелиевые анализаторы , детекторы угарного газа и детекторы углекислого газа . ^{[2] [4] [5]} Анализаторы кислорода обычно находятся под водой в ребризерах . ^[9] Анализаторы кислорода и гелия часто используются на поверхности во время смешивания газов для определения процентного содержания кислорода или гелия в дыхательной газовой смеси. ^[4] Химические и другие типы методов обнаружения газов нечасто используются в любительском дайвинге, но используются для периодической проверки качества сжатого воздуха для дыхания из воздушных компрессоров для дайвинга. ^[4]

Стандарты дыхательного газа

Стандарты качества дыхательных газов публикуются национальными и международными организациями и могут быть реализованы в законодательном порядке. В Великобритании Управление по охране труда и технике безопасности указывает, что требования к дыхательным газам для водолазов основаны на BS EN 12021:2014. Спецификации перечислены для воздуха, совместимого с кислородом, смесей нитрокс, полученных путем добавления кислорода, удаления азота или смешивания азота и кислорода, смесей гелия и кислорода (гелиокс), смесей гелия, азота и кислорода (тримикс) и чистого кислорода, как для систем открытого цикла, так и для систем рекуперации, а также для подачи высокого и низкого давления (выше и ниже 40 бар). ^[39]

Содержание кислорода варьируется в зависимости от рабочей глубины, но допуск зависит от диапазона газовой фракции, составляя ±0,25% для фракции кислорода менее 10% по объему, ±0,5% для фракции от 10% до 20% и ±1% для фракции более 20%. ^[39]

Содержание воды ограничивается риском обледенения регулирующих клапанов и коррозией поверхностей защитных оболочек – повышенная влажность не является физиологической проблемой – и, как правило, является фактором точки росы . ^[39]

Другие указанные загрязнители - это углекислый газ, окись углерода, масло и летучие углеводороды, которые ограничены токсическими эффектами. Другие возможные загрязнители должны быть проанализированы на основе оценки риска, и требуемая частота тестирования на загрязнители также основана на оценке риска. ^[39]

В Австралии качество воздуха для дыхания регламентируется австралийским стандартом 2299.1, раздел 3.13 «Качество дыхательного газа». ^[40]

Смешивание газов для дайвинга

Система смешивания парциального давления воздуха, кислорода и гелия

Установка компрессора непрерывного смешивания Nitrox

Газосмешивание (или смешивание) дыхательных газов для дайвинга — это наполнение газовых баллонов дыхательными газами, отличными от воздуха .

Заполнение баллонов смесью газов представляет опасность как для наполнителя, так и для водолаза. Во время заполнения существует риск возгорания из-за использования кислорода и риск взрыва из-за использования газов высокого давления. Состав смеси должен быть безопасным для глубины и продолжительности запланированного погружения. Если концентрация кислорода слишком бедна, водолаз может потерять сознание из-за гипоксии , а если слишком богата, у водолаза может развиться кислородное отравление . Концентрация инертных газов, таких как азот и гелий, планируется и проверяется, чтобы избежать азотного наркоза и декомпрессионной болезни.

Используемые методы включают в себя пакетное смешивание парциальным давлением или массовой долей, а также непрерывные процессы смешивания. Готовые смеси анализируются на состав для безопасности пользователя. Газовые смесители могут быть обязаны по законодательству подтверждать свою компетентность, если они наполняют для других лиц.

Плотность

Избыточная плотность дыхательного газа может повысить работу дыхания до невыносимого уровня и может вызвать задержку углекислого газа при более низких плотностях. ^[6] Гелий используется как компонент для снижения плотности, а также для снижения наркоза на глубине. Как и парциальное давление, плотность смеси газов пропорциональна объемной доле газов-компонентов и абсолютному давлению. Законы идеального газа достаточно точны для газов при вдыхаемых давлениях.

Плотность газовой смеси при заданной температуре и давлении можно рассчитать как:

ρ _м знак равно (ρ ₁ V ₁ + ρ ₂ V ₂ + .. + ρ _n V _n ) / (V ₁ + V ₂ + ... + V _n )

где

ρ _m = плотность газовой смеси

ρ ₁ ... ρ _n = плотность каждого из компонентов

V ₁ ... V _n = парциальный объем каждого из газовых компонентов ^[41]

Так как газовая доля F _i (объемная доля) каждого газа может быть выражена как V _i / (V ₁ + V ₂ + ... + V _n )

путем замены,

ρ _м знак равно (ρ ₁ F ₁ + ρ ₂ F ₂ + .. + ρ _n F _n )

Гипобарические дыхательные газы

Астронавт в скафандре «Орлан» за пределами Международной космической станции.

Дыхательные газы для использования при пониженном давлении окружающей среды используются для полетов на большой высоте в негерметичных самолетах , в космических полетах , особенно в скафандрах , и для высокогорного альпинизма . Во всех этих случаях основное внимание уделяется обеспечению адекватного парциального давления кислорода. В некоторых случаях в дыхательный газ добавляется кислород для создания достаточной концентрации, а в других случаях дыхательный газ может быть чистым или почти чистым кислородом. Системы с замкнутым контуром могут использоваться для сохранения дыхательного газа, запас которого может быть ограничен — в случае альпинизма пользователь должен нести дополнительный кислород, а в космическом полете стоимость подъема массы на орбиту очень высока.

Медицинские дыхательные газы

Медицинское применение дыхательных газов, отличных от воздуха, включает кислородную терапию и анестезию.

Кислородная терапия

Человек в простой маске для кислородной терапии

Кислород необходим людям для нормального метаболизма клеток . ^[42] Воздух обычно содержит 21% кислорода по объему. ^[43] Обычно этого достаточно, но в некоторых обстоятельствах подача кислорода к тканям нарушается.

Кислородная терапия , также известная как дополнительный кислород, представляет собой использование кислорода в качестве медицинского лечения . ^[44] Это может включать в себя низкий уровень кислорода в крови , отравление угарным газом , кластерные головные боли и поддержание достаточного количества кислорода во время ингаляционной анестезии . ^[45] Долгосрочная оксигенотерапия часто полезна для людей с хронически низким уровнем кислорода, например, из-за тяжелой ХОБЛ или муковисцидоза . ^{[46] [44]} Кислород можно подавать несколькими способами, включая носовую канюлю , маску для лица и внутри гипербарической камеры . ^{[47] [48]}

Высокие концентрации кислорода могут вызвать кислородную интоксикацию, такую ​​как повреждение легких, или привести к дыхательной недостаточности у тех, кто предрасположен. ^{[45] [43]} Он также может высушить нос и увеличить риск возникновения пожаров у тех, кто курит . Целевая рекомендуемая сатурация кислорода зависит от состояния, которое лечится. В большинстве случаев рекомендуется сатурация 94-98%, в то время как у тех, кто подвержен риску задержки углекислого газа, предпочтительнее сатурация 88-92%, а у тех, кто страдает от отравления угарным газом или остановки сердца, сатурация должна быть максимально высокой. ^[44]

Использование кислорода в медицине стало обычным явлением около 1917 года. ^{[49] [50]} Он включен в список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения . ^{[51] [52]} Стоимость домашнего кислорода составляет около 150 долларов США в месяц в Бразилии и 400 долларов США в месяц в Соединенных Штатах. ^[46] Домашний кислород может быть предоставлен либо кислородными баллонами , либо кислородным концентратором . ^[44] Считается, что кислород является наиболее распространенным методом лечения, применяемым в больницах в развитых странах . ^{[53] [44]}

Анестезирующие газы

Испаритель удерживает жидкий анестетик и преобразует его в газ для ингаляции (в данном случае севофлуран).

Наркозный аппарат.

Бутылки с севофлураном , изофлураном , энфлураном и десфлураном — распространенными анестетиками на основе фторированного эфира , используемыми в клинической практике. Эти вещества имеют цветовую маркировку в целях безопасности. Обратите внимание на специальный фитинг для десфлурана, который кипит при комнатной температуре .

Наиболее распространенный подход к общей анестезии заключается в использовании ингаляционных общих анестетиков. Каждый из них имеет свою собственную силу, которая коррелирует с его растворимостью в масле. Эта связь существует, поскольку препараты связываются непосредственно с полостями в белках центральной нервной системы, ^{[ необходимо разъяснение ],} хотя было описано несколько теорий действия общей анестезии . Считается, что ингаляционные анестетики оказывают свое воздействие на различные части центральной нервной системы. Например, обездвиживающее действие ингаляционных анестетиков является результатом воздействия на спинной мозг, тогда как седация, гипноз и амнезия затрагивают участки в головном мозге. ^{[54] : 515}

Ингаляционный анестетик — это химическое соединение, обладающее общими анестезирующими свойствами, которое может быть доставлено посредством ингаляции. Агенты, представляющие значительный современный клинический интерес, включают летучие анестетики, такие как изофлуран , севофлуран и десфлуран , а также анестезирующие газы, такие как закись азота и ксенон .

Администрация

Анестезирующие газы вводятся анестезиологами (термин, который включает анестезиологов , медсестер-анестезиологов и помощников анестезиологов ) через анестезиологическую маску, ларингеальную маску, воздуховод или трахеальную трубку, соединенные с испарителем анестетика и системой доставки анестетика . Анестезиологический аппарат (британский английский) или анестезиологический аппарат (американский английский) или аппарат Бойля используется для поддержки введения анестезии . Наиболее распространенным типом анестезиологического аппарата, используемым в развитых странах, является анестезиологический аппарат непрерывного потока, который предназначен для обеспечения точной и непрерывной подачи медицинских газов (таких как кислород и закись азота ), смешанных с точной концентрацией анестезирующего пара (например, изофлуран ), и доставки их пациенту при безопасном давлении и потоке. Современные машины включают в себя вентилятор , отсасывающее устройство и устройства для мониторинга пациента . Выдыхаемый газ пропускается через скруббер для удаления углекислого газа, а пары анестетика и кислород пополняются по мере необходимости, прежде чем смесь возвращается пациенту. ^{[ необходима цитата ]}

Смотрите также

• Искусственная вентиляция легких  – метод механической помощи или замены спонтанного дыхания.
• Воздушный компрессор для дайвинга  – машина, используемая для сжатия воздуха для дыхания дайверов.
• Баллон для дайвинга  – контейнер для подачи дыхательной смеси высокого давления для водолазов.
• Бустерный насос  – машина для повышения давления жидкости.
• Промышленный газ  – газообразные материалы, производимые для использования в промышленности.

Ссылки

1. Brubakk, AO; Т. С. Нойман (2003). Физиология и медицина дайвинга Беннета и Эллиотта (5-е изд.). США: Saunders Ltd. с. 800. ISBN 978-0-7020-2571-6.
2. Руководство по подводному плаванию ВМС США, 6-е издание. США: Командование военно-морских систем США. 2006. Архивировано из оригинала 2008-05-02 . Получено 2008-08-29 .
3. Tech Diver. "Экзотические газы". Архивировано из оригинала 14 сентября 2008 года . Получено 29 августа 2008 года .
4. Харлоу, В. (2002). Спутник кислородного хакера . Airspeed Press. ISBN 978-0-9678873-2-6.
5. Миллар, Иллинойс; Молди, П.Г. (2008). «Сжатый воздух для дыхания – потенциал зла изнутри». Дайвинг и гипербарическая медицина . 38 (2). Южнотихоокеанское общество подводной медицины : 145–51. PMID  22692708.
6. Mitchell, Simon (2015). «Дыхательная недостаточность при техническом дайвинге». www.youtube.com . DAN Southern Africa. Архивировано из оригинала 2021-11-18 . Получено 6 октября 2021 .
7. Акотт, Крис (1999). «Кислородная токсичность: краткая история кислорода при дайвинге». Журнал Южнотихоокеанского общества подводной медицины . 29 (3). ISSN  0813-1988. OCLC  16986801.
8. Батлер, Ф.К. (2004). «Замкнутый цикл кислородного погружения в ВМС США». Undersea Hyperb Med . 31 (1): 3–20. PMID  15233156.
9. Ричардсон, Дрю; Мендуно, Майкл; Шривз, Карл, ред. (1996). Труды Rebreather Forum 2.0. Семинар по науке и технологиям дайвинга. (Отчет). стр. 286.
10. Ланг, MA (2001). Труды семинара DAN Nitrox . Дарем, Северная Каролина: Divers Alert Network. стр. 197.
11. Гамильтон, Роберт В. младший; Шрайнер, Ганс Р., ред. (1975). Разработка процедур декомпрессии для глубин свыше 400 футов . Том 9-й семинар Общества подводной и гипербарической медицины. Бетесда, Мэриленд: Общество подводной и гипербарической медицины. стр. 272.
12. Сотрудники (февраль 2014 г.). «IMCA International Code of Practice for Offshore Diving» (PDF) . IMCA D 014 Rev. 2. Лондон: Международная ассоциация морских подрядчиков . Получено 22 июля 2016 г.
13. Боуэн, Курт. "Heliair: Poor man's mix" (PDF) . DeepTech . Архивировано (PDF) из оригинала 2016-05-13 . Получено 2010-01-13 .
14. Fife, William P. (1979). «Использование невзрывоопасных смесей водорода и кислорода для дайвинга». Грант Техасского университета A&M на исследования в области моря . TAMU-SG-79-201.
15. Rostain, JC; Gardette-Chauffour, MC; Lemaire, C.; Naquet, R. (1988). «Влияние смеси H2-He-O2 на HPNS до 450 msw». Undersea Biomed. Res . 15 (4): 257–70. ISSN  0093-5387. OCLC  2068005. PMID  3212843.
16. Brauer, RW, ред. (1985). Водород как газ для дайвинга. 33-й семинар Общества подводной и гипербарической медицины. (Отчет). Общество подводной и гипербарической медицины . С. 336 страниц.
17. Hamilton, Robert W. Jr; Powell, Michael R.; Kenyon, David J.; Freitag, M. (1974). Декомпрессия неона (отчет). Том CRL-T-797. Tarrytown Labs Ltd NY.
18. Staff (2007). Маркировка и цветовое кодирование газовых баллонов, квадроциклов и банков для водолазных работ IMCA D043 (PDF) . Лондон, Великобритания: Международная ассоциация морских подрядчиков . Получено 1 февраля 2016 г.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
19. "normoxic". Викисловарь . 4 апреля 2024. Архивировано из оригинала 22 июля 2024. Получено 22 июля 2024 .
20. Хауссерман, Джорджина (1 мая 2017 г.). «Дыхательные газы». Divers Alert Network. Архивировано из оригинала 2 декабря 2022 г. Получено 2 декабря 2022 г.
21. Universal Industrial Gases, Inc. (2003). "Некриогенные процессы разделения воздуха". Архивировано из оригинала 3 октября 2018 года . Получено 29 августа 2008 года .
22. Фаулер, Б.; Эклз, КН; Порлье, Г. (1985). «Влияние наркоза инертным газом на поведение — критический обзор». Undersea Biomed. Res . 12 (4): 369–402. ISSN  0093-5387. OCLC  2068005. PMID  4082343.
23. Логан, JA (1961). Оценка теории эквивалентной воздушной глубины. Технический отчет NEDU-RR-01-61 (Отчет). Экспериментальное водолазное подразделение ВМС США.
24. Бергхейдж, TE; МакКракен, TM (декабрь 1979 г.). «Эквивалентная глубина воздуха: факт или вымысел». Undersea Biomed Res . 6 (4): 379–84. PMID  538866.
25. Hunger, WL Jr.; Bennett, PB (1974). «Причины, механизмы и профилактика нервного синдрома высокого давления». Undersea Biomed. Res . 1 (1): 1–28. ISSN  0093-5387. OCLC  2068005. PMID  4619860.
26. "Теплопроводность обычных материалов и газов". Engineering Toolbox . Архивировано из оригинала 2017-07-25 . Получено 2017-02-18 .
27. Акерман, М.Дж.; Мейтленд, Г. (декабрь 1975 г.). «Расчет относительной скорости звука в газовой смеси». Undersea Biomed Res . 2 (4): 305–10. PMID  1226588.
28. Руководство по подводному плаванию ВМС США (7-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: Правительство США. 1 декабря 2016 г. С. 2–15.
29. NAVSEA (2005). Справочник по очистке и анализу газа для водолазных работ. Техническое руководство NAVSEA (отчет). Том SS521-AK-HBK-010. КОМАНДОВАНИЕ МОРСКИХ СИСТЕМ ВМС.
30. Rahn, H.; Rokitka, MA (март 1976). «Наркотическая сила N ₂ , A и N ₂ O, оцененная по физическим показателям колоний мышей на моделируемых глубинах». Undersea Biomed Res . 3 (1): 25–34. PMID  1273982.
31. D'Aoust, BG; Stayton, L.; Smith, LS (сентябрь 1980 г.). «Разделение основных параметров декомпрессии с использованием мальков лосося». Undersea Biomed Res . 7 (3): 199–209. PMID  7423658.
32. Pilmanis, AA; Balldin, UI; Webb, JT; Krause, KM (декабрь 2003 г.). «Поэтапная декомпрессия до 3,5 фунтов на квадратный дюйм с использованием дыхательных смесей аргона и кислорода и 100% кислорода». Aviat Space Environ Med . 74 (12): 1243–50. PMID  14692466.
33. "Argon (Ar)". Encyclopaedia Britannica. Архивировано из оригинала 4 августа 2014 года . Получено 14 января 2014 года .
34. Lambertsen, CJ (1971). Устойчивость к углекислому газу и токсичность (отчет). Том. Отчет IFEM № 2-71. Филадельфия, Пенсильвания: Центр данных по биомедицинскому стрессу в окружающей среде, Институт экологической медицины, Медицинский центр Пенсильванского университета.
35. Глатт, HA Jr; Мотсей, GJ; Уэлч, BE (1967). «Исследования переносимости углекислого газа». Технический отчет Школы аэрокосмической медицины на авиабазе Брукс, Техас . SAM-TR-67-77.
36. Росалес, KR; Шоффстолл, MS; Штольцфус, JM (2007). Руководство по оценке совместимости кислорода с кислородными компонентами и системами (отчет). Том NASA/TM-2007-213740. NASA, Технический отчет Космического центра Джонсона.
37. Kizer, KW; Golden, JA (ноябрь 1987). «Липоидный пневмонит у коммерческого ныряльщика за моллюсками». Undersea Biomedical Research . 14 (6): 545–52. PMID  3686744.
38. Mansour, Elias; Vishinkin, Rotem; Rihet, Stéphane; Saliba, Walaa; Fish, Falk; Sarfati, Patrice; Haick, Hossam (1 февраля 2020 г.). "Измерение температуры и относительной влажности в выдыхаемом воздухе". Датчики и приводы B: Химические . 304 . Elsevier:Science Direct: 127371. doi :10.1016/j.snb.2019.127371. S2CID  209715398. Архивировано из оригинала 16 октября 2021 г. . Получено 12 октября 2021 г. .
39. "Стандарт дыхательной смеси для водолаза и частота осмотров и тестов: Информационный лист по дайвингу № 9 (рев. 2)" (PDF) . Health and Safety Executive. Январь 2018 г. Архивировано (PDF) из оригинала 6 октября 2018 г. . Получено 6 октября 2018 г. .
40. Объединенный технический комитет SF-017, Профессиональное водолазное дело (21 декабря 2015 г.). AS/NZS 2299.1:2015 Австралийско-новозеландский стандарт по профессиональным водолазным работам, часть 1: Стандартная оперативная практика .
41. "Свойства газовой смеси: плотность газовой смеси". www.engineeringtoolbox.com . Архивировано из оригинала 8 октября 2021 г. . Получено 7 октября 2021 г. .
42. Пит, Ян; Уайлд, Карен; Наир, Муралитаран (2014). Практика сестринского ухода: Знание и уход. John Wiley & Sons. стр. 572. ISBN 9781118481363. Архивировано из оригинала 2023-01-12 . Получено 2020-05-27 .
43. Martin, Lawrence (1997). Объяснение подводного плавания: вопросы и ответы по физиологии и медицинским аспектам подводного плавания. Lawrence Martin. стр. H-1. ISBN 9780941332569.
44. Британский национальный формуляр: BNF 69 (69-е изд.). Британская медицинская ассоциация. 2015. стр. 217–218, 302. ISBN 9780857111562.
45. Всемирная организация здравоохранения (2009). Stuart MC, Kouimtzi M, Hill SR (ред.). WHO Model Formulary 2008. Всемирная организация здравоохранения. стр. 20. hdl : 10665/44053 . ISBN 9789241547659.
46. Джеймисон, Дин Т.; Бреман, Джоэл Г.; Мишам, Энтони Р.; Аллейн, Джордж; Клейсон, Мариам; Эванс, Дэвид Б.; Джа, Прабхат; Миллс, Энн; Масгроув, Филип (2006). Приоритеты контроля заболеваний в развивающихся странах. Публикации Всемирного банка. стр. 689. ISBN 9780821361801. Архивировано из оригинала 2023-01-12 . Получено 2020-05-27 .
47. Макинтош, Майкл; Мур, Трейси (1999). Уход за тяжелобольным пациентом 2E (2-е изд.). CRC Press. стр. 57. ISBN 9780340705827. Архивировано из оригинала 2023-01-12 . Получено 2020-05-27 .
48. Дарт, Ричард С. (2004). Медицинская токсикология. Lippincott Williams & Wilkins. стр. 217–219. ISBN 9780781728454. Архивировано из оригинала 2023-01-12 . Получено 2020-05-27 .
49. Агасти, TK (2010). Учебник анестезиологии для аспирантов. JP Medical Ltd. стр. 398. ISBN 9789380704944. Архивировано из оригинала 2023-01-12 . Получено 2020-05-27 .
50. Рашман, Джеффри Б.; Дэвис, NJH; Аткинсон, Ричард Стюарт (1996). Краткая история анестезии: первые 150 лет. Баттерворт-Хайнеманн. стр. 39. ISBN 9780750630665.
51. Всемирная организация здравоохранения (2019). Примерный список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения: 21-й список 2019 г. Женева: Всемирная организация здравоохранения. hdl : 10665/325771 . WHO/MVP/EMP/IAU/2019.06. Лицензия: CC BY-NC-SA 3.0 IGO.
52. Всемирная организация здравоохранения (2021). Примерный список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения: 22-й список (2021) . Женева: Всемирная организация здравоохранения. hdl : 10665/345533 . WHO/MHP/HPS/EML/2021.02.
53. Уайетт, Джонатан П.; Иллингворт, Робин Н.; Грэм, Колин А.; Хогг, Керстин; Робертсон, Колин; Клэнси, Майкл (2012). Оксфордский справочник по неотложной медицине. Оксфорд, Англия: Oxford University Press. стр. 95. ISBN 9780191016059. Архивировано из оригинала 2023-01-12 . Получено 2020-05-27 .
54. Миллер, Рональд Д. (2010). Эриксон, Ларс И.; Флейшер, Ли А.; Винер-Крониш, Жанин П.; Янг, Уильям Л. (ред.). Анестезия Миллера, седьмое издание . Churchill Livingstone Elsevier. ISBN 978-0-443-06959-8.

Внешние ссылки

• Медиа, связанные с Дыхательные газы на Wikimedia Commons
• Westfalen (2004). "Информационный листок о Divox" (PDF) (на голландском языке). Westfalen. Архивировано из оригинала (PDF) 2011-07-24 . Получено 2008-08-29 .
• Тейлор, Л. "Краткая история погружений с газовой смесью" . Получено 29 августа 2008 г.
• OSHA. "Правила коммерческого дайвинга (Стандарты - 29 CFR) - Погружения с использованием газовых смесей. - 1910.426". Министерство труда США, Управление по охране труда и промышленной гигиене . Получено 29 августа 2008 г.