Концентратор кислорода — это устройство, которое концентрирует кислород из источника газа (обычно окружающего воздуха) путем селективного удаления азота для подачи обогащенного кислородом потока продуктового газа. Они используются в промышленности, для обеспечения дополнительного кислорода на больших высотах, а также в качестве медицинских устройств для кислородной терапии . [1]
Кислородные концентраторы широко используются для подачи кислорода в медицинских целях, особенно там, где жидкий или сжатый кислород слишком опасен или неудобен, например, в домах или мобильных клиниках, а также могут служить экономичным источником кислорода в промышленных процессах, где они также известны как генераторы газообразного кислорода или кислородные установки . Двумя распространенными методами являются адсорбция при переменном давлении и мембранное разделение газа .
Кислородные концентраторы адсорбции с переменным давлением (PSA) используют молекулярное сито для адсорбции газов и работают по принципу быстрой адсорбции с переменным давлением атмосферного азота на цеолитовых минералах при высоком давлении. Таким образом, этот тип адсорбционной системы функционально является азотным скруббером, пропускающим другие атмосферные газы, оставляя кислород в качестве основного газа. Технология PSA является надежной и экономичной технологией для мало- и среднемасштабного производства кислорода. Криогенное разделение больше подходит для больших объемов. [2]
Разделение газа через мембрану — это процесс, управляемый давлением, где движущей силой является разница в давлении между входом сырья и выходом продукта. Мембрана, используемая в процессе, обычно представляет собой непористый слой, поэтому не будет сильной утечки газа через мембрану. Производительность мембраны зависит от проницаемости и селективности. Проницаемость зависит от размера пенетранта. Более крупные молекулы газа имеют более низкий коэффициент диффузии. Мембранное газоразделительное оборудование обычно закачивает газ в мембранный модуль, и целевые газы разделяются на основе разницы в диффузии и растворимости. Например, кислород будет отделяться от окружающего воздуха и собираться на стороне входа, а азот — на стороне выхода. По состоянию на 2016 год сообщалось, что мембранная технология способна производить от 10 до 25 тонн кислорода концентрацией от 25 до 40% в день. [3]
Домашние медицинские кислородные концентраторы были изобретены в начале 1970-х годов, а объемы производства этих устройств увеличились в конце 1970-х годов. Корпорации Union Carbide и Bendix были первыми производителями. До этого времени домашняя медицинская кислородная терапия требовала использования тяжелых кислородных баллонов высокого давления или небольших криогенных систем жидкого кислорода. Обе эти системы доставки требовали частых визитов поставщиков на дом для пополнения запасов кислорода. В Соединенных Штатах Medicare перешла с оплаты за услуги на фиксированную ежемесячную ставку за домашнюю кислородную терапию в середине 1980-х годов, в результате чего отрасль долговременного медицинского оборудования (DME) быстро приняла концентраторы как способ контроля расходов. Это изменение возмещения резко сократило количество основных систем подачи высокого давления и жидкого кислорода, используемых в домах в Соединенных Штатах в то время. Кислородные концентраторы стали предпочтительным и наиболее распространенным средством доставки домашнего кислорода. Количество производителей, выходящих на рынок кислородных концентраторов, значительно возросло в результате этого изменения. Корпорация Union Carbide изобрела молекулярное сито в 1950-х годах, что сделало эти устройства возможными. Она также изобрела первые криогенные жидкие домашние медицинские кислородные системы в 1960-х годах.
Концентраторы кислорода, использующие технологию адсорбции при переменном давлении (PSA), широко используются для подачи кислорода в медицинских целях, особенно там, где жидкий или сжатый кислород слишком опасен или неудобен, например, в домах или мобильных клиниках. Для других целей также существуют концентраторы, основанные на технологии мембранного разделения азота .
Концентратор кислорода забирает воздух и удаляет из него азот, оставляя обогащенный кислородом газ для использования людьми, которым требуется медицинский кислород из-за низкого уровня кислорода в крови. [4] Концентраторы кислорода являются экономичным источником кислорода в промышленных процессах, где они также известны как генераторы кислородного газа или установки по производству кислорода .
Эти кислородные концентраторы используют молекулярное сито для адсорбции газов и работают по принципу быстрой адсорбции атмосферного азота при перепадах давления на цеолитовых минералах при высоком давлении. Таким образом, этот тип адсорбционной системы функционально является азотным скруббером, пропускающим другие атмосферные газы, оставляя кислород в качестве основного газа. Технология PSA является надежной и экономичной технологией для мало- и среднемасштабной генерации кислорода. Криогенное разделение больше подходит для больших объемов, а внешняя доставка, как правило, больше подходит для малых объемов. [5]
При высоком давлении пористый цеолит адсорбирует большое количество азота из-за большой площади поверхности и химических характеристик. Концентратор кислорода сжимает воздух и пропускает его через цеолит, заставляя цеолит адсорбировать азот из воздуха. Затем он собирает оставшийся газ, который в основном состоит из кислорода, и азот десорбируется из цеолита под пониженным давлением для выпуска.
Концентратор кислорода имеет воздушный компрессор, два цилиндра, заполненных гранулами цеолита, резервуар для выравнивания давления и несколько клапанов и трубок. В первой половине цикла первый цилиндр получает воздух из компрессора, что длится около 3 секунд. За это время давление в первом цилиндре повышается от атмосферного до примерно 2,5-кратного нормального атмосферного давления (обычно 20 фунтов на квадратный дюйм/138 кПа манометрического давления или 2,36 атмосферы абсолютного давления), и цеолит насыщается азотом. Когда первый цилиндр достигает почти чистого кислорода (есть небольшие количества аргона, CO2 , водяного пара, радона и других второстепенных атмосферных компонентов) в первой половине цикла, открывается клапан, и обогащенный кислородом газ поступает в резервуар для выравнивания давления, который соединяется с кислородным шлангом пациента. В конце первой половины цикла происходит еще одно изменение положения клапана, так что воздух из компрессора направляется во второй цилиндр. Давление в первом цилиндре падает по мере того, как обогащенный кислород перемещается в резервуар, позволяя азоту десорбироваться обратно в газ. В середине второй половины цикла происходит еще одно изменение положения клапана, чтобы выпустить газ из первого цилиндра обратно в окружающую атмосферу, не давая концентрации кислорода в резервуаре выравнивания давления упасть ниже примерно 90%. Давление в шланге, подающем кислород из резервуара выравнивания давления, поддерживается постоянным с помощью редукционного клапана.
Старые блоки работали в течение примерно 20 секунд и подавали до 5 литров в минуту 90+% кислорода. Примерно с 1999 года появились блоки, способные подавать до 10 л/мин.
Классические концентраторы кислорода используют двухслойные молекулярные сита; более новые концентраторы используют многослойные молекулярные сита. Преимущество многослойной технологии заключается в повышенной доступности и избыточности, поскольку молекулярные сита 10 л/мин располагаются в шахматном порядке и умножаются на нескольких платформах. При этом можно производить более 960 л/мин. Время нарастания — время, прошедшее до того, как многослойный концентратор начнет производить кислород с концентрацией >90% — часто составляет менее 2 минут, что намного быстрее, чем у простых двухслойных концентраторов. Это большое преимущество в мобильных чрезвычайных ситуациях. В этих системах предусмотрена возможность заполнения стандартных кислородных баллонов (например, 50 л при 200 бар = 10 000 л каждый) с помощью усилителей высокого давления для обеспечения автоматического переключения на ранее заполненные резервные баллоны и обеспечения цепочки подачи кислорода, например, в случае отключения электроэнергии.
При мембранном разделении газов мембраны действуют как проницаемый барьер, через который различные соединения перемещаются с разной скоростью или не пересекают его вообще.
Газовые смеси можно эффективно разделять с помощью синтетических мембран, изготовленных из полимеров, таких как полиамид или ацетат целлюлозы , или из керамических материалов. [6]
Хотя полимерные мембраны экономичны и технологически полезны, они ограничены своей производительностью, известной как предел Робсона (проницаемость должна быть принесена в жертву селективности и наоборот). [7] Этот предел влияет на использование полимерных мембран для отделения CO2 от потоков дымовых газов, поскольку массоперенос становится ограничивающим, а отделение CO2 становится очень дорогим из-за низкой проницаемости. Мембранные материалы расширились до области кремния , цеолитов , металлоорганических каркасов и перовскитов из-за их сильной термической и химической стойкости, а также высокой настраиваемости (способности к модификации и функционализации), что приводит к повышению проницаемости и селективности. Мембраны могут использоваться для разделения газовых смесей, где они действуют как проницаемый барьер, через который различные соединения перемещаются с разной скоростью или не перемещаются вообще. Мембраны могут быть нанопористыми, полимерными и т. д., и молекулы газа проникают в зависимости от их размера, диффузионной способности или растворимости.
Разделение газа через мембрану — это процесс, управляемый давлением, где движущей силой является разница в давлении между входом сырья и выходом продукта. Мембрана, используемая в процессе, обычно представляет собой непористый слой, поэтому не будет сильной утечки газа через мембрану. Производительность мембраны зависит от проницаемости и селективности. Проницаемость зависит от размера пенетранта. Более крупные молекулы газа имеют более низкий коэффициент диффузии. Гибкость полимерной цепи и свободный объем в полимере материала мембраны влияют на коэффициент диффузии, поскольку пространство внутри проницаемой мембраны должно быть достаточно большим для диффузии молекул газа. Растворимость выражается как отношение концентрации газа в полимере к давлению газа, контактирующего с ним. Проницаемость — это способность мембраны позволять проникающему газу диффундировать через материал мембраны в результате разницы давления на мембране и может быть измерена с точки зрения скорости потока пермеата, толщины и площади мембраны, а также разницы давления на мембране. Селективность мембраны является мерой отношения проницаемости соответствующих газов для мембраны. Она может быть рассчитана как отношение проницаемости двух газов при бинарном разделении. [3]
Мембранное газоразделительное оборудование обычно закачивает газ в мембранный модуль, а целевые газы разделяются на основе разницы в диффузии и растворимости. Например, кислород будет отделяться от окружающего воздуха и собираться на стороне вверх по потоку, а азот — на стороне вниз по потоку. По состоянию на 2016 год сообщалось, что мембранная технология способна производить от 10 до 25 тонн кислорода концентрацией от 25 до 40% в день. [3]
Медицинские кислородные концентраторы используются в больницах или дома для концентрации кислорода для пациентов. [8] Генераторы PSA являются экономически эффективным источником кислорода . Они являются более безопасной, [9] менее дорогой, [10] и более удобной альтернативой резервуарам с криогенным кислородом или баллонам под давлением. Их можно использовать в различных отраслях промышленности, включая медицину, фармацевтическое производство, очистку воды и производство стекла.
Генераторы PSA особенно полезны в отдаленных или труднодоступных частях мира или в мобильных медицинских учреждениях ( военные госпитали , объекты по ликвидации последствий стихийных бедствий). [11] [12]
С начала 2000-х годов многие компании выпускают портативные концентраторы кислорода. [13] Обычно эти устройства производят эквивалент от одного до пяти литров в минуту непрерывного потока кислорода и используют некоторую версию импульсного потока или «потока по требованию» для подачи кислорода только тогда, когда пациент вдыхает. [14] Они также могут обеспечивать импульсы кислорода либо для обеспечения более высоких прерывистых потоков, либо для снижения энергопотребления.
Исследования в области концентрации кислорода продолжаются, и современные методы показывают, что количество адсорбента, требуемое медицинскими концентраторами кислорода, может быть потенциально «сокращено в три раза, обеспечивая при этом на ~10–20% более высокую степень извлечения кислорода по сравнению с типичным коммерческим устройством». [15]
FAA одобрило использование портативных концентраторов кислорода на коммерческих авиалиниях. [16] Однако пользователи этих устройств должны заранее проверить, разрешена ли конкретная марка или модель на конкретной авиалинии. [17] В отличие от коммерческих авиалиний, пользователям самолетов без герметизации салона нужны концентраторы кислорода, способные обеспечивать достаточную скорость потока даже на больших высотах.
Обычно концентраторы кислорода «по требованию» или с импульсным потоком не используются пациентами во время сна. Были проблемы с концентраторами кислорода, которые не могли определить, когда спящий пациент вдыхает. Некоторые более крупные портативные концентраторы кислорода предназначены для работы в режиме непрерывного потока в дополнение к режиму импульсного потока. Режим непрерывного потока считается безопасным для использования ночью в сочетании с аппаратом CPAP .
Переделанные медицинские кислородные концентраторы или специализированные промышленные кислородные концентраторы могут быть изготовлены для работы с небольшими кислородно-ацетиленовыми или другими газовыми горелками для резки, сварки и ламповой обработки . [18]
Кислород широко используется для окисления различных химических веществ в промышленных целях. Раньше эти отрасли промышленности закупали кислородные баллоны в больших количествах, чтобы удовлетворить свои потребности. но это было очень дорого, и кислородные баллоны не всегда были доступны на рынке.
Кислород здесь необходим для отбеливания бумажной массы с помощью процесса окисления, чтобы сделать бумагу белой. Кроме того, лигнин, присутствующий в древесине, удаляется процессом делигнификации, для которого также необходим кислород.
Для плавки сырья, которое объединяется в стекло, нужны огромные печи. Кислород разжигает огонь печи, чтобы он горел при более высокой температуре, необходимой для производства стекла.
Кислород необходим для окисления различных химикатов с образованием желаемых химических веществ. Отходы химических продуктов сжигаются и уничтожаются в мусоросжигательной печи с помощью кислорода; таким образом, непрерывная подача большого количества кислорода имеет важное значение, что возможно только с помощью генератора кислорода PSA.
Как в клинических, так и в экстренных ситуациях кислородные концентраторы имеют то преимущество, что они не так опасны, как кислородные баллоны , которые могут, в случае разрыва или утечки, значительно увеличить скорость горения огня. Таким образом, кислородные концентраторы особенно полезны в военных ситуациях или при стихийных бедствиях , где кислородные баллоны могут быть опасны или нецелесообразны.
Концентраторы кислорода считаются достаточно надежными, чтобы поставляться отдельным пациентам в качестве рецептурного препарата для использования на дому. Обычно они используются в качестве дополнения к лечению CPAP при тяжелом апноэ во сне . Существуют также другие медицинские применения концентраторов кислорода, включая ХОБЛ и другие респираторные заболевания.
Люди, которые используют кислородные концентраторы для домашнего ухода, могут столкнуться с опасными для жизни чрезвычайными ситуациями, если во время стихийного бедствия отключится электричество . [19]
Промышленные процессы могут использовать гораздо более высокие давления и потоки, чем медицинские устройства. Для удовлетворения этой потребности Air Products разработала другой процесс, называемый вакуумной адсорбцией с колебанием (VSA) . Этот процесс использует один нагнетатель низкого давления и клапан, который меняет направление потока через нагнетатель, так что фаза регенерации происходит под вакуумом. Генераторы, использующие этот процесс, продаются для аквакультурной отрасли. Промышленные концентраторы кислорода часто доступны в гораздо более широком диапазоне мощностей, чем медицинские концентраторы.
Промышленные концентраторы кислорода иногда называют генераторами кислорода в кислородной и озоновой промышленности, чтобы отличить их от медицинских концентраторов кислорода . Это различие используется в попытке прояснить, что промышленные концентраторы кислорода не являются медицинскими устройствами, одобренными Управлением по контролю за продуктами и лекарствами (FDA), и они не подходят для использования в качестве медицинских концентраторов у постели больного. Однако применение номенклатуры генератора кислорода может привести к путанице. Термин « генератор кислорода» является неправильным, поскольку кислород не генерируется , как в химическом генераторе кислорода , а концентрируется из воздуха.
Немедицинские кислородные концентраторы могут использоваться в качестве питающего газа для медицинской кислородной системы, например, кислородной системы в больнице, хотя для этого требуется одобрение правительства, например FDA, и, как правило, требуется дополнительная фильтрация.
Пандемия COVID-19 увеличила спрос на кислородные концентраторы. Во время пандемии были разработаны концентраторы кислорода с открытым исходным кодом , произведены на месте — по ценам ниже импортных — и использовались, особенно во время волны пандемии COVID-19 в Индии . [20] [21]