Koncentrator tlenu
Koncentrator tlenu to urządzenie, które koncentruje tlen ze źródła gazu (zwykle z powietrza atmosferycznego) poprzez selektywne usuwanie azotu w celu dostarczenia strumienia gazowego produktu wzbogaconego w tlen. Wykorzystywane są przemysłowo oraz jako wyroby medyczne do tlenoterapii .
Dwie powszechnie stosowane metody to adsorpcja zmiennociśnieniowa i membranowa separacja gazów . Koncentratory adsorpcji zmiennociśnieniowej ( PSA ) wykorzystują wiele sit molekularnych składających się z minerałów zeolitowych , które adsorbują azot pod ciśnieniem w szybkich cyklach.
Historia
Domowe medyczne koncentratory tlenu zostały wynalezione na początku lat 70. XX wieku, a pod koniec lat 70. produkcja tych urządzeń wzrosła. Korporacja Union Carbide i Korporacja Bendix obaj byli wczesnymi producentami. Przed tą erą domowa tlenoterapia medyczna wymagała użycia ciężkich butli z tlenem pod wysokim ciśnieniem lub małych kriogenicznych systemów ciekłego tlenu. Oba te systemy dostarczania wymagały częstych wizyt domowych dostawców w celu uzupełnienia zapasów tlenu. W Stanach Zjednoczonych w połowie lat 80. Medicare przeszło z opłaty za usługę na stałą miesięczną opłatę za domową tlenoterapię, co spowodowało, że branża trwałego sprzętu medycznego (DME) szybko zaczęła wykorzystywać koncentratory jako sposób kontrolowania kosztów. Ta zmiana refundacji radykalnie zmniejszyła liczbę podstawowych systemów dostarczania wysokiego ciśnienia i ciekłego tlenu używanych w domach w Stanach Zjednoczonych w tamtym czasie. Koncentratory tlenu stały się preferowanym i najczęstszym sposobem dostarczania tlenu do domu. W wyniku tej zmiany liczba producentów wchodzących na rynek koncentratorów tlenu znacznie wzrosła. Union Carbide Corporation wynalazła sito molekularne w latach pięćdziesiątych XX wieku, co umożliwiło powstanie tych urządzeń. W latach 60. wynalazł również pierwsze kriogeniczne domowe systemy tlenu medycznego.
Jak działają koncentratory tlenu
Koncentratory tlenu wykorzystujące technologię adsorpcji zmiennociśnieniowej (PSA) są szeroko stosowane do dostarczania tlenu w zastosowaniach medycznych, zwłaszcza tam, gdzie ciekły lub sprężony tlen jest zbyt niebezpieczny lub niewygodny, na przykład w domach lub przenośnych klinikach. Do innych celów dostępne są również koncentratory oparte na membranowej separacji azotu .
Koncentrator tlenu zasysa powietrze i usuwa z niego azot, pozostawiając gaz wzbogacony w tlen do użytku przez osoby wymagające tlenu medycznego z powodu niskiego poziomu tlenu we krwi. Koncentratory tlenu stanowią ekonomiczne źródło tlenu w procesach przemysłowych, gdzie są również znane jako generatory tlenu lub instalacje wytwarzania tlenu .
Adsorpcja zmiennociśnieniowa
Te koncentratory tlenu wykorzystują sito molekularne do adsorpcji gazów i działają na zasadzie szybkiej adsorpcji zmiennociśnieniowej azotu atmosferycznego na minerałach zeolitowych pod wysokim ciśnieniem. Ten typ układu adsorpcyjnego jest zatem funkcjonalnie płuczką azotową, przepuszczającą inne gazy atmosferyczne, pozostawiając tlen jako pozostały gaz pierwotny. Technologia PSA to niezawodna i ekonomiczna technika wytwarzania tlenu na małą i średnią skalę. Separacja kriogeniczna jest bardziej odpowiednia przy większych objętościach, a dostarczanie zewnętrzne ogólnie bardziej odpowiednie dla małych objętości.
Pod wysokim ciśnieniem porowaty zeolit adsorbuje duże ilości azotu ze względu na swoją dużą powierzchnię i właściwości chemiczne. Koncentrator tlenu spręża powietrze i przepuszcza je przez zeolit, powodując, że zeolit adsorbuje azot z powietrza. Następnie zbiera pozostały gaz, który jest głównie tlenem, a azot ulega desorpcji z zeolitu pod zmniejszonym ciśnieniem w celu odpowietrzenia.
Koncentrator tlenu ma sprężarkę powietrza, dwa cylindry wypełnione granulkami zeolitu, zbiornik wyrównujący ciśnienie oraz kilka zaworów i rurek. W pierwszej połowie cyklu pierwszy cylinder otrzymuje powietrze ze sprężarki, co trwa około 3 sekund. W tym czasie ciśnienie w pierwszym cylindrze wzrasta od ciśnienia atmosferycznego do około 2,5-krotności normalnego ciśnienia atmosferycznego (typowo 20 psi/138 kPa, czyli 2,36 atmosfery bezwzględnej) i zeolit zostaje nasycony azotem. Ponieważ pierwsza butla dociera do bliskiego czystego tlenu (występują niewielkie ilości argonu, CO 2 , pary wodnej, radonu i inne drobne składniki atmosfery) w pierwszej połowie cyklu otwiera się zawór i gaz wzbogacony w tlen przepływa do zbiornika wyrównującego ciśnienie, który łączy się z przewodem tlenowym pacjenta. Pod koniec pierwszej połowy cyklu następuje kolejna zmiana położenia zaworów tak, aby powietrze ze sprężarki kierowane było do drugiego cylindra. Ciśnienie w pierwszym cylindrze spada, gdy wzbogacony tlen przemieszcza się do zbiornika, umożliwiając desorpcję azotu z powrotem do postaci gazowej. W połowie drugiej połowy cyklu następuje kolejna zmiana położenia zaworu, aby odpowietrzyć gaz z pierwszego cylindra z powrotem do otaczającej atmosfery, zapobiegając spadkowi stężenia tlenu w zbiorniku wyrównującym ciśnienie poniżej około 90%. Ciśnienie w wężu doprowadzającym tlen ze zbiornika wyrównawczego jest utrzymywane na stałym poziomie przez zawór redukcyjny.
Starsze jednostki pracowały cyklicznie przez około 20 sekund i dostarczały do 5 litrów na minutę 90+% tlenu. Od około 1999 roku dostępne są jednostki zdolne do dostarczania do 10 l/min.
Klasyczne koncentratory tlenu wykorzystują dwuwarstwowe sita molekularne; nowsze koncentratory wykorzystują wielowarstwowe sita molekularne. Zaletą technologii wielołóżkowej jest zwiększona dostępność i redundancja, ponieważ sita molekularne 10 l/min są rozłożone i zwielokrotnione na kilku platformach. Dzięki temu można wyprodukować ponad 960 l/min. Czas rozruchu — czas, jaki upłynął, zanim koncentrator wielołóżkowy zacznie wytwarzać tlen w stężeniu >90% — często wynosi mniej niż 2 minuty, czyli znacznie szybciej niż w przypadku prostych koncentratorów dwułóżkowych. Jest to duża zaleta w mobilnych sytuacjach awaryjnych. Możliwość napełniania standardowych butli tlenowych (np. 50 l przy 200 bar = 10 000 l każda) za pomocą wysokociśnieniowych urządzeń wspomagających, aby zapewnić automatyczne przełączanie awaryjne na wcześniej napełnione butle rezerwowe i zapewnić łańcuch dostaw tlenu, np. w przypadku awarii zasilania podane z tymi systemami.
Separacja membranowa
W membranowej separacji gazów membrany działają jak przepuszczalna bariera, przez którą różne związki przemieszczają się z różną szybkością lub w ogóle nie przekraczają.
Aplikacje
Medyczne koncentratory tlenu są używane w szpitalach lub w domu do zagęszczania tlenu dla pacjentów. Generatory PSA zapewniają ekonomiczne źródło tlenu . Stanowią bezpieczniejszą, tańszą i wygodniejszą alternatywę dla zbiorników z kriogenicznym tlenem lub butli ciśnieniowych. Mogą być stosowane w różnych gałęziach przemysłu, w tym w medycynie, produkcji farmaceutycznej, uzdatnianiu wody i produkcji szkła.
Generatory PSA są szczególnie przydatne w odległych lub niedostępnych częściach świata lub mobilnych placówkach medycznych ( szpitale wojskowe , obiekty katastrof).
Przenośne koncentratory tlenu
Od początku XXI wieku wiele firm produkowało przenośne koncentratory tlenu. Zazwyczaj urządzenia te wytwarzają odpowiednik jednego do pięciu litrów na minutę ciągłego przepływu tlenu i wykorzystują pewną wersję przepływu pulsacyjnego lub „przepływu na żądanie”, aby dostarczać tlen tylko wtedy, gdy pacjent wdycha. Mogą również dostarczać impulsy tlenu w celu zapewnienia wyższych przerywanych przepływów lub w celu zmniejszenia zużycia energii.
Badania nad stężeniem tlenu są w toku, a nowoczesne techniki sugerują, że ilość adsorbentu wymagana przez medyczne koncentratory tlenu może zostać potencjalnie „zmniejszona trzykrotnie, oferując jednocześnie o 10–20% wyższy odzysk tlenu w porównaniu z typową jednostką handlową”.
FAA zatwierdziła użycie przenośnych koncentratorów tlenu w komercyjnych liniach lotniczych. Jednak użytkownicy tych urządzeń powinni wcześniej sprawdzić, czy dana marka lub model jest dozwolony w danej linii lotniczej. W przeciwieństwie do komercyjnych linii lotniczych, użytkownicy samolotów bez podwyższonego ciśnienia w kabinie potrzebują koncentratorów tlenu, które są w stanie zapewnić wystarczający przepływ nawet na dużych wysokościach.
Zwykle koncentratory tlenu „na żądanie” lub pulsacyjne nie są używane przez pacjentów podczas snu. Wystąpiły problemy z koncentratorami tlenu, które nie były w stanie wykryć, kiedy śpiący pacjent wdycha. Niektóre większe przenośne koncentratory tlenu są zaprojektowane do pracy w trybie ciągłego przepływu oprócz trybu pulsacyjnego. Tryb ciągłego przepływu jest uważany za bezpieczny do użytku nocnego w połączeniu z CPAP .
Aplikacje alternatywne
Przerobione medyczne koncentratory tlenu lub wyspecjalizowane przemysłowe koncentratory tlenu mogą być przystosowane do obsługi małych palników tlenowo-acetylenowych lub innych palników gazowych do cięcia, spawania i lamp .
Zastosowanie generatora tlenu PSA w przemyśle
Tlen jest powszechnie potrzebny do utleniania różnych chemikaliów do celów przemysłowych. Wcześniej te branże kupowały butle z tlenem w dużych ilościach, aby sprostać ich wymaganiom. Było to jednak bardzo drogie, a butle z tlenem nie zawsze były dostępne na rynku.
Branże, które potrzebują generatorów tlenu PSA do produkcji
Przemysł papierniczy
Tlen jest tu potrzebny do bielenia masy papierniczej za pomocą procesu utleniania, aby papier stał się biały. Ponadto obecna w drewnie lignina jest usuwana w procesie delignifikacji, do którego również potrzebny jest tlen.
Przemysł szklarski
Do stopienia surowców, z których powstaje szkło, potrzebne są ogromne piece. Tlen rozpala ogień pieca do spalania w wyższej temperaturze potrzebnej do produkcji szkła.
Przemysł chemiczny
Tlen jest potrzebny do utleniania różnych chemikaliów w celu utworzenia pożądanych substancji chemicznych. Odpadowe produkty chemiczne są spalane i niszczone w spalarni za pomocą tlenu. Dlatego niezbędne jest ciągłe dostarczanie dużej ilości tlenu, co jest możliwe tylko za pomocą generatora tlenu PSA.
Bezpieczeństwo
Zarówno w sytuacjach klinicznych, jak iw nagłych wypadkach koncentratory tlenu mają tę zaletę, że nie są tak niebezpieczne jak butle tlenowe , które w przypadku pęknięcia lub wycieku mogą znacznie zwiększyć szybkość spalania. Jako takie, koncentratory tlenu są szczególnie korzystne w sytuacjach wojskowych lub katastrofach , gdzie zbiorniki tlenu mogą być niebezpieczne lub niewykonalne.
Koncentratory tlenu są uważane za wystarczająco niezawodne, aby można je było dostarczać poszczególnym pacjentom na receptę do użytku domowego. Zazwyczaj są one stosowane jako uzupełnienie CPAP ciężkiego bezdechu sennego . Istnieją również inne zastosowania medyczne koncentratorów tlenu, w tym POChP i inne choroby układu oddechowego.
Ludzie, którzy polegają na koncentratorach tlenu do opieki domowej, mogą mieć sytuacje zagrażające życiu w przypadku awarii elektryczności podczas klęski żywiołowej .
Przemysłowe koncentratory tlenu
Procesy przemysłowe mogą wykorzystywać znacznie wyższe ciśnienia i przepływy niż jednostki medyczne. Aby sprostać tej potrzebie, firma Air Products opracowała inny proces, zwany adsorpcją zmiennociśnieniową (VSA) . Proces ten wykorzystuje pojedynczą dmuchawę niskociśnieniową i zawór, który odwraca przepływ przez dmuchawę, tak aby faza regeneracji przebiegała pod próżnią. Generatory wykorzystujące ten proces są sprzedawane branży akwakultury . Przemysłowe koncentratory tlenu są często dostępne w znacznie szerszym zakresie pojemności niż koncentratory medyczne.
Przemysłowe koncentratory tlenu są czasami określane jako generatory tlenu w przemyśle tlenowym i ozonowym, aby odróżnić je od koncentratorów tlenu medycznego . Rozróżnienie to ma na celu wyjaśnienie, że przemysłowe koncentratory tlenu nie są wyrobami medycznymi zatwierdzonymi przez Food and Drug Administration (FDA) i nie nadają się do użytku jako koncentratory medyczne przyłóżkowe. Jednak stosowanie nomenklatury generatora tlenu może prowadzić do nieporozumień. Termin generator tlenu jest mylący, ponieważ tlen nie jest generowany podobnie jak w przypadku chemicznego generatora tlenu , ale raczej jest on skoncentrowany z powietrza.
Niemedyczne koncentratory tlenu mogą być używane jako gaz zasilający do medycznego systemu tlenowego, takiego jak system tlenowy w szpitalu, chociaż wymagana jest zgoda rządu, na przykład FDA, i generalnie wymagane jest dodatkowe filtrowanie.
Podczas pandemii COVID-19
Pandemia COVID-19 zwiększyła zapotrzebowanie na koncentratory tlenu. Podczas pandemii opracowywano koncentratory tlenu typu open source , wytwarzano je lokalnie – po cenach niższych od produktów importowanych – i używano, zwłaszcza podczas fali pandemii COVID-19 w Indiach .
Zobacz też
- Membrana do separacji azotu
- Terapia tlenowa – wykorzystanie tlenu jako leczenia
- Przenośny koncentrator tlenu – Urządzenie służące do prowadzenia tlenoterapii
- Separacja gazów membranowych – Technologia rozdzielania określonych gazów z mieszanin
-solution.jpg)
