اکسیژن و نیتروژن به عنوان مهمترین گازهای تشکیل دهنده هوا که در حیات موجودات زنده نقش عمده ای را ایفا میکنند، شناخته می شوند. هوا متشکل از ۲۱% اکسیژن، ۷۸% نیتروژن و یک درصد مابقی گازها از جمله دی اکسید کربن، گازهای بی اثر، اکسیدهای نیتروژن و گوگرد و… است.
نام اکسیژن از کلمه یونانی OXY (اسیدی-تیز) و لاتین gen (تولید) تشکیل شده است که معنای تحت الفظی غلط تولید اسید را می دهد. این اعتقاد اشتباه برای اولین بار توسط لاوازیه مطرح شده بود. این گاز که از سال ۱۷۹۰ به بعد اکسیژن نامیده شد، برای نخستین بار در سال ۱۷۷۴ با نام Dephlogisticated کشف شد. گروه مهدسی اوژن در این مقاله قصد دارد به بررسی دستگاه اکسیژن ساز بپردازد.
تاریخچه استفاده از دستگاه اکسیژن ساز
دستگاه اکسیژن ساز، اولین بار برای مصارف پزشکی در اوایل دهه ۱۹۷۰ اختراع شد و تولید این دستگاه ها در اواخر دهه ۱۹۷۰ افزایش یافته است. شرکت های Union Carbide و شرکت Bendix هر دو از اولین تولیدکننده های دستگاه اکسیژن ساز بودند. قبل از تولید دستگاه اکسیژن ساز، تولید اکسیژن در منزل نیاز به استفاده از سیلندر های اکسیژن فشار قوی و یا سیستم های کوچک اکسیژن مایع کریوژنیک داشت.
هردوی این سیستم های اکسیژن ساز برای تعمیر و چک کردن دوره ای منابع اکسیژن به بازدیدهای مکرر توسط تأمین کنندگان نیاز داشتند. پس از آن برای کاهش هزینه ها و بازدید مکرر متخصصین، دستگاه های اکسیژن ساز اختراع شدند که این اختراع باعث کاهش تعداد سیستم های فشار قوی اولیه و اکسیژن مایع مورد استفاده در خانه های ایالات متحده در آن زمان شد. این مدل از دستگاه اکسیژن ساز جایگزین کپسول های اکسیژن شد.
شیوه کار عمومی دستگاه اکسیژن ساز
اکسیژن ساز های مورد استفاده در مصارف خانگی، کلینیک ها و مصارفی که نیاز به حمل و نقل دستگاه وجود دارد، از روش جذب نوسان فشار (PSA) به طور گسترده استفاده می شود. این روش همچنین خطرات ناشی از استفاده از دستگاه اکسیژن ساز را کاهش می دهد و این امر، دستگاه اکسیژن ساز (PSA) را برای استفاده در منازل مناسب می سازد. برای اهداف دیگر نیز از فناوری های مبتنی به غشا استفاده می شود.
روش عمومی کار دستگاه اکسیژن ساز بدین صورت است که، هوا را دریافت می کند و با تغلیظ اکسیژن و حذف نیتروژن، یک گاز غنی شده از اکسیژن را در اختیار ما قرار می دهد. این دستگاه عمدتا در مصارف پزشکی مورد استفاده قرار می گیرد.
اکسیژن ساز قابل حمل
از اوایل دهه ۲۰۰۰ ، تعدادی از شرکت ها دستگاه اکسیژن ساز قابل حمل تولید کرده اند. به طور معمول، این دستگاه ها معادل یک تا پنج لیتر در دقیقه جریان مداوم اکسیژن را تولید می کنند و از برخی نسخه های از پالس یا “جریان تقاضا” برای تحویل اکسیژن تنها در هنگام استنشاق بیمار استفاده می کنند. ( هنگامی که بیمار اقدام به انجام عمل دم می کند.). دستگاه اکسیژن ساز می تواند این پالس های اکسیژن را برای تأمین جریان متناوب بالاتر یا کاهش مصرف انرژی و اکسیژن تولید شده فراهم کند. تحقیقات در مورد غلظت اکسیژن در حال انجام است و تکنیک های مدرن نشان می دهد که مقدار جاذب مورد نیاز توسط دستگاه های اکسیژن ساز پزشکی می تواند به طور بالقوه تا یک سوم کاهش یابد در حالی که امکان ارائه بازیابی اکسیژن بالاتر در مقایسه با یک کپسول اکسیژن معمولی است. این دستگاه های اکسیژن ساز قابل حمل به طور معمول به یک پریز برق وصل می شوند و ممکن است دارای یک باتری داخلی یا باتری خارجی برای کارکردن در خارج از خانه و در هنگام قطع برق باشند. دستگاه اکسیژن ساز قابل حمل همچنین می تواند به خروجی DC یک وسیله نقلیه وصل شود.
FAA استفاده از دستگاه های اکسیژن ساز قابل حمل را در خطوط هوایی – تجاری تأیید کرده است. با این حال، کاربران این دستگاه ها باید از قبل بررسی کنند که آیا یک مارک یا مدل خاص در یک شرکت هواپیمایی خاص مجاز است یا خیر. بر خلاف خطوط هوایی – تجاری، کاربران هواپیما به جز کابین خلبان، نیاز به دسانگاه اکسیژن ساز دارند که قادر به تولید میزان اکسیژن مورد نیاز طی پرواز در ارتفاعاترا داشته باشند. معمولاً دستگاه اکسیژن ساز قابل حملی که از نوع پالسی هستند، برای بیماران در خواب استفاده نمی شوند، چرا که در این حالت سنسور های آن امکان تشخیص تنفس بیمار را ندارند و در نهایت اکسیژن کافی به بیمار نمی رسد. البته برخی دستگاه های اکسیژن ساز قابل حمل بزرگتر طراحی شده اند تا علاوه بر حالت پالس جریان، در حالت جریان مداوم نیز فعالیت کنند و در این حالت حتی برای بیمار در حالت خواب و بیهوشی نیز مناسب هستند.
جداسازی هوا (AIR SEPARATION)
فرآیندیست که طی آن گازهای سازنده هوا از یکدیگر جدا می‌شوند. هوای تنفسی به طور عمده از دو عنصر نیتروژن (۷۸٪) و اکسیژن (۲۱٪) تشکیل شده است. همچنین عناصری چون نئون، آرگون، زنون، کریپتون و هلیم به مقادیر اندک و ترکیباتی چون کربن دی اکسید، کربن مونوکسید، متان و برخی هیدروکربن‌ها، و اکسیدهای نیتروژن و گوگرد که عمدتا نقش آلاینده هوا را دارد، به مقادیر ناچیز در هوا یافت می‌شوند. همچنین مقادیر متفاوتی از آب به صورت رطوبت در هوا موجوداست.
انواع اکسیژن ساز
روشهای بسیاری جهت جداسازی اجزای موجود در هوای اطراف وجود دارد که براساس خلوص مورد نظر می توان از آنها استفاده نمود. بعضی از این روش ها به صورت مختصر در ذیل آورده شده اند:
روش تقطیر سرمایشی: دراین روش مخلوط هوای موردنظر در یک برج تقطیر تا دمای میعان سرد شده، سپس با افزایش تدریجی دما، اجزای سازنده هوا براساس دمای جوش آنها جداسازی میگردند
روش غشایی: در این روش با استفاده از غشاهای موکولی ، نیتروژن و اکسیژن با خلوص ۴۰ % تولید میگردد ولی به دلیل خلوص پایین معمولا از این روش در آزمایشگاه ها بهره میگیرند.
روش جذب سطحی: این روش جهت تولید اکسیژن و نیتروژن خالص با خلوص ۹۰% استفاده می شود.
اکسیژن ساز صنعتی: فرآیند های صنعتی ممکن است از فشار و جریان بسیار بالاتری نسبت به واحد های پزشکی استفاده کنند. برای رفع این نیاز، فرایند دیگری به نام جذب نوسان خلا (VSA) توسط محصولات Air تولید شده است. در این فرایند از یک فنر فشار کم و دریچه ای استفاده می شود که جریان را از طریق دمنده معکوس می کند به طوری که مرحله بازسازی تحت یک خلاء اتفاق می افتد. دستگاه های اکسیژن ساز که از این فرآیند استفاده می کنند به صنعت پرورش ماهیان و جانداران دریایی عرضه می شوند و برای این صنعت موثر واقع می شوند. دستگاه های اکسیژن ساز صنعتی اغلب در طیف وسیع تری از نظر ظرفیت حجمی نسبت به دستگاه های اکسیژن ساز پزشکی موجود هستند.
دستگاه های اکسیژن ساز صنعتی گاهی به عنوان ژنراتورهای اکسیژن در صنایع اکسیژن و ازن شناخته می شوند. با این حال، استفاده از نام گذاری ژنراتور اکسیژن می تواند منجر به سردرگمی شود. اصطلاح، ژنراتور اکسیژن نادرست است به این دلیل که اکسیژن همانند اوزون تولید نمی شود بلکه از هوا متمرکز می شود
تولید گاز به روش CRYOGENIC
پروسه جداسازی گازهای تشکیل دهنده هوا به روش Cryogenic یکی از متداولترین شیوه های تولید گازهای صنعتی می باشد این پروسه یکی از تکنولوژی های برتر در زمینه تولید نیتروژن، اکسیژن و آرگون ( به حالت گازی یا مایع ) بوده و از نظر هزینه با صرفه ترین روش برای تولیدات با ظرفیت بالا ( بیش از Nm3/h 5000 ) و خلوص بالای ۹۹% ( نیتروژن تا ۹۹۹/۹۹ و اکسیژن ۹/۹۹ ) می باشد.
مکانیزم جداسازی گازهای تشکیل دهنده هوا به روش Cryogenic:
ابتدا حجمی از هوای اتمسفر گرفته می شود پس از فشرده شدن، سرد شده ومایع سازی انجام می گیرد در ادامه به وسیله تقطیر گازهای تشکیل دهنده هوا از یکدیگر جدا می گردند.
چرخه تولید با توجه به نیازمصرف کننده به موارد ذیل بستگی دارد:
- انواع محصولات مورد نیاز ( اکسیژن، نیتروژن و آرگون )
- درصدخلوص گاز درخواستی
- فشارگازدرخواستی
- مدت زمانی که لازم است محصولات در حالت مایع باقی بمانند.
تولیدگاز به روش الکترولیز آب
دراین فرآیند آب به عناصر سازنده اش یعنی اکسیژن و هیدروژن تجزیه می شود.مولکول آب که از دو عنصر فوق به صورت دو یون مثبت هیدروژن و یک یون منفی جذب الکترومغناطیسی ازهم جدا می شوند.
وقتی الکتریسیته از طریق دو الکترود به آب وارد می شود، یک کاتد ( منفی) و یک آند ( مثبت)،این یون ها، به الکترود با بار غیر همنام جذب می شوند.یعنی یونهای هیدروژن اکسیژن با بار منفی روی آند جمع می شوند. این روش از نظر اقتصادی جهت تولید گازاکسیژن مقرون به صرفه نمی باشد.
تولید گاز به روش جداسازی جذبی ( PSA )
اکسیژن و نیتروژن را با استفاده از فرآیند جذب در بسترهایی از غربال مولکولی می توان تولید کرد. نمونه ای از فرآیند جذبی جهت تولید نیتروژن با به کار گیری دو بستر حاوی کک ( به عنوان جاذب از نوع غربال مولکولی) انجام می شود. هوای فشرده در تماس با بستر اول، اکسیژن، بخار آب و دی اکسید کربن خود را به علت جذب مولکولی در غربال، از دست می دهد اما نیتروژن از غربال مولکولی عبور می کند. در همان زمان در بستر دوم با جذب فشار، اکسیژن، بخار آب و دی اکسید کربن از غربال مولکولی آزاد میشود. به طور متناوب عمل اعمال فشار و جذب فشار تکراری می شود که برحسب خلوص نیتروژن مورد نیاز، اپتیمم شرایط تغذیه هوای فشرده و جذب فشار، انتخاب میشود.
با استفاده از این روش نیتروژن با خلوص ۹/۹۹-۹۵ درصد وزنی تولید می شود. انرژی موردنیاز ۰.۶ کیلووات ساعت به ازای مترمکعب نیتروژن می باشد که نیتروژن حاصل حاوی ppm1000 اکسیژن می باشد. با این روش اکسیژن نیز با خلوص ۹۵-۹۰ درصد با محدود ظرفیت ۶۰-۱ تن در روز تولید می شود، در این فرآیند ساده نیازی به تجهیزات تبریدی، خشک کن و گرمکن نمی باشد. هر یک از مخازن در سیکل دو مرحله ای جذب و احیا فعالیت می کند. چنانچه یک مخزن در حال فرآیند جذب باشد، دیگر مخازن مرحله احیا را طی می کنند با اشباع شدن مخزن جذب از نظر ناخالصی ها، هوای فشرده به طوراتوماتیک به مخازن دیگر سوئیچ می شود و مخزن اولی در سیکل احیاء قرار می گیرد. ناخالصی های حاصل از احیاء به انمسفر هدایت می شود و نهایتا عمل احیاء در فشار محیط تکمیل می شود.
دیگر کاربرد های اکسیژن ساز
کاربرد های دیگر دستگاه اکسیژن ساز، برای کار با مشعل های کوچک برش، جوش کاری و لامپ سازی مورد استفاده قرار می گیرند.
مزایای روش PSA
- بهره گیری از پیشرفته ترین ژنراتورهای مولد اکسیژن و نیتروژن بر اساس آخرین تکنولوژی روز دنیا
- بهره گیری ازCMS و زئولیت ( با حداقل ۱۰ سال عمر مفید) متعلق به ZEOCHEM سوئیس، بزرگترین کارخانه سازنده مواد Molecular Sieve در اروپا
- عملکرد ۱۰۰% اتوماتیک بدون نیاز به اپراتور
- نیاز به حداقل انرژی به دلیل بهره گیری از پایین ترین Air.factor
تولید گاز به روش احتراق هیدروکربن با هوا
با این روش تولید نیتروؤن در محدوده ۳۰۰-۳۰ مترمکعب در ساعت امکان پذیر است. گاز طبیعی با پروپان با هوا سوزانده می شود. بعد از جداسازی محصولات حاصل از احتراق، نیتروژن خالص باقی می ماند.
قبل از ورود به مشعل، نسبت هوا و گاز طبیعی مورد نیاز تنظیم می شود.در محفظه احتراق، گاز طی یک فرآیند گرمازا و به طور کامل سوزانده می شود. گازهای حاصل از احتراق حاوی N2 ، Co2، H2O و مقادیر کمی Co، H2 می باشد.گازها در یک کندانسور صفحه ای خنک می شوند و از یک جداکننده بخار، آب کندانس شده، جدا می شود. پس ازآن گازهای حاصل از یک خشک کن تبریدی که طی آن نقطه شبنم تا حدود ۴ درجه سانتی گراد تقلیل می یابد، عبور داده می شود. دی اکسید کربن و بخار آب مازاد در بستر غربال مولکولی ( که به طور متناوب از دو بستر استفاده می شود) جذب وحذف می شوند. در یک بستر گازها تخلیص و در بستر دیگر عمل فعال سازی صورت می گیرد ( توسط پمپ خلاء)، محصول نیتروژن حاوی ppm 500 دی اکسید کربن و ppm 1000 مونواکسیدکربن هیدروژن با نقطه شبنم ۶۰ درجه سانتیگراد، با فشار اندکی بالاتر از فشار اتمسفر یک می باشد.
یک ژنراتور تولید نیتروژن به ظرفیت ۱۱۵ مترمکعب در ساعت، حدود ۰.۱۵ مترمکعب گاز طبیعی، ۰.۱۴ کیلووات ساعت برق و ۰.۰۵ مترمکعب آب به ازای هر مترمکعب نیتروژن مصرف می نمایند.
رعایت ایمنی در استفاده از اکسیژن ساز
در هر دو شرایط بالینی و مراقبت های اضطراری، دستگاه های اکسیژن ساز از این مزیت برخوردار هستند که به اندازه سیلندر های اکسیژن خطرناک نباشند، اما تحت شرایط خاص اکسیژن ساز نیز خطرناک می شود. بدین صورت که می تواند در صورت پارگی یا نشت، میزان احتراق آتش را به شدت افزایش دهد. به این ترتیب، دستگاه های اکسیژن ساز به صورت ویژه در موقعیت های نظامی یا رخداد ها و بلایای طبیعی، جایی که مخازن اکسیژن ممکن است خطرناک باشد، از مزیت بالایی برخوردار هستند.
دستگاه های اکسیژن ساز به اندازه کافی ضد آب ساخته شده اند که به عنوان یک دستگاه تجویز شده برای استفاده در خانه های بیماران تهیه می شوند. به طور معمول از دستگاه های اکسیژن ساز به عنوان نیروی کمکی برای درمان CPAP آپنه خواب شدید استفاده می شود. همچنین استفاده های پزشکی دیگری برای دستگاه های اکسیژن ساز از جمله COPD و سایر بیماری های تنفسی وجود دارد.
دستگاه های اکسیژن ساز مورد استفاده و بازسازی شده باید از طریق یک فروشنده معتبر خریداری شود.
قیمت اکسیژن ساز
قیمت دستگاه اکسیژن ساز به عوامل مختلفی از جمله غلظت اکسیژن تولید شده، حجم آن و سرعت تولید اکسیژن بستگی دارد. برای اطمینان از خرید یک دستگاه اکسیژن ساز کاملا مطمئن و با کیفت می توانید از طریق شرکت تصفیه فاضلاب اوژن اقدام فرمایید.
