جهاز تركيز الأكسجين

تستخدم هذه المُركِّزات الأكسجينية منخلًا جزيئيًا لامتصاص الغازات، وتعمل وفق مبدأ الامتزاز السريع لغاز النيتروجين الجوي على معادن الزيوليت تحت ضغط عالٍ. ولذلك، يُعد هذا النوع من أنظمة الامتزاز بمثابة مُنقِّي للنيتروجين، مما يسمح بمرور الغازات الجوية الأخرى، تاركًا الأكسجين الغاز الأساسي. تُعد تقنية الامتزاز المتأرجح بالضغط (PSA) تقنية موثوقة واقتصادية لتوليد الأكسجين على نطاق صغير إلى متوسط. يُعد الفصل بالتبريد أكثر ملاءمة للأحجام الكبيرة، بينما يُعد التوصيل الخارجي أكثر ملاءمة للأحجام الصغيرة. ^{[ 5 ]}

تحت ضغط عالٍ، يمتص الزيوليت المسامي كميات كبيرة من النيتروجين نظرًا لمساحة سطحه الكبيرة وخصائصه الكيميائية. يقوم مُركِّز الأكسجين بضغط الهواء وتمريره فوق الزيوليت، مما يؤدي إلى امتصاص الزيوليت للنيتروجين من الهواء. ثم يجمع الغاز المتبقي، والذي يتكون معظمه من الأكسجين، بينما ينفصل النيتروجين عن الزيوليت تحت الضغط المنخفض ليتم تصريفه.

يحتوي جهاز تركيز الأكسجين على ضاغط هواء ، وأسطوانتين مملوءتين بحبيبات الزيوليت، وخزان لمعادلة الضغط، بالإضافة إلى بعض الصمامات والأنابيب. في النصف الأول من الدورة، تستقبل الأسطوانة الأولى الهواء من الضاغط لمدة ثلاث ثوانٍ تقريبًا. خلال هذه المدة، يرتفع الضغط في الأسطوانة الأولى من الضغط الجوي إلى حوالي 2.5 ضعف الضغط الجوي الطبيعي (عادةً 20 رطل لكل بوصة مربعة/138 كيلو باسكال، أو 2.36 ضغط جوي مطلق)، ويتشبع الزيوليت بالنيتروجين. عندما تصل الأسطوانة الأولى إلى نسبة أكسجين شبه نقي (مع وجود كميات ضئيلة من الأرجون، وثاني أكسيد الكربون _، وبخار الماء، والرادون ، ومكونات جوية أخرى ثانوية) في النصف الأول من الدورة، يُفتح صمام ويتدفق الغاز المُخصب بالأكسجين إلى خزان معادلة الضغط، الذي يتصل بأنبوب الأكسجين الخاص بالمريض. في نهاية النصف الأول من الدورة، يتغير وضع الصمام مرة أخرى لتوجيه الهواء من الضاغط إلى الأسطوانة الثانية. ينخفض ​​الضغط في الأسطوانة الأولى مع انتقال الأكسجين المُخصب إلى الخزان، مما يسمح بتحرر النيتروجين وعودته إلى الحالة الغازية. في منتصف النصف الثاني من الدورة، يتغير وضع الصمام مرة أخرى لتصريف الغاز من الأسطوانة الأولى إلى الغلاف الجوي المحيط، مما يحافظ على تركيز الأكسجين في خزان معادلة الضغط عند مستوى لا يقل عن 90%. ويُحافظ صمام تخفيض الضغط على ثبات الضغط في الخرطوم الذي ينقل الأكسجين من خزان معادلة الضغط.

كانت الوحدات القديمة تعمل لمدة 20 ثانية تقريبًا، وتوفر ما يصل إلى 5 لترات في الدقيقة من الأكسجين بنسبة تزيد عن 90%. ومنذ عام 1999 تقريبًا، أصبحت الوحدات القادرة على توفير ما يصل إلى 10 لترات في الدقيقة متاحة.

كانت أجهزة تركيز الأكسجين القديمة تستخدم مناخل جزيئية ثنائية الطبقات؛ أما التصاميم الأحدث فتتضمن مناخل جزيئية متعددة الطبقات لضمان استمرار إنتاج الأكسجين أثناء تجديد الطبقة. ويتم توفير التكرار من خلال توزيع مناخل جزيئية بمعدل 10 لتر/دقيقة. وبذلك، يمكن إنتاج أكثر من 960 لتر/دقيقة. غالبًا ما يكون زمن بدء التشغيل - أي الوقت اللازم حتى يبدأ جهاز التركيز متعدد الطبقات بإنتاج الأكسجين بتركيز يزيد عن 90% - أقل من دقيقتين، وهو أسرع بكثير من أجهزة التركيز ثنائية الطبقات البسيطة. يُحسّن بدء التشغيل الأسرع من استدامة الاستخدام في البيئات الحديثة أو حالات الطوارئ. كما يُتيح هذا النظام خيار ملء أسطوانات الأكسجين القياسية (مثل 50 لترًا عند 200 بار = 10000 لتر لكل أسطوانة) باستخدام معززات الضغط العالي، لضمان التحويل التلقائي إلى أسطوانات احتياطية مملوءة مسبقًا، ولضمان استمرارية سلسلة إمداد الأكسجين، على سبيل المثال، في حالة انقطاع التيار الكهربائي.

في فصل الغازات بالأغشية، تعمل الأغشية كحاجز نفاذ، تتحرك المركبات المختلفة عبره بمعدلات مختلفة أو لا تعبره على الإطلاق.

يمكن فصل مخاليط الغازات بشكل فعال بواسطة أغشية اصطناعية مصنوعة من بوليمرات مثل البولي أميد أو أسيتات السليلوز ، أو من مواد خزفية. ^{[ 6 ]}

على الرغم من أن الأغشية البوليمرية اقتصادية ومفيدة تقنيًا، إلا أن أداءها محدود بما يُعرف بحد روبسون (حيث يجب التضحية بالنفاذية لصالح الانتقائية والعكس صحيح). ^{[ 7 ]} يؤثر هذا الحد على استخدام الأغشية البوليمرية لفصل _ثاني أكسيد الكربون من غازات المداخن، إذ يصبح نقل الكتلة عاملًا محددًا، وتصبح عملية فصل ثاني أكسيد الكربون _مكلفة للغاية بسبب انخفاض النفاذية. وقد توسعت استخدامات مواد الأغشية لتشمل السيليكا ، والزيوليت، والأطر المعدنية العضوية ، والبيروفسكايت ، نظرًا لمقاومتها الحرارية والكيميائية العالية، فضلًا عن قابليتها العالية للتعديل (إمكانية تغيير خصائصها وتوظيفها)، مما يؤدي إلى زيادة النفاذية والانتقائية. يمكن استخدام الأغشية لفصل مخاليط الغازات، حيث تعمل كحاجز نفاذ تسمح بمرور المركبات المختلفة بسرعات متفاوتة أو عدم مرورها على الإطلاق. قد تكون الأغشية نانوية المسام، أو بوليمرية، أو غيرها، وتخترق جزيئات الغاز وفقًا لحجمها، أو معامل انتشارها ، أو ذوبانها.

يُعد فصل الغازات عبر الغشاء عمليةً تعتمد على الضغط، حيث يُمثل فرق الضغط بين مدخل المادة الخام ومخرج المنتج القوة الدافعة. عادةً ما يكون الغشاء المستخدم في هذه العملية طبقةً غير مسامية، مما يمنع تسرب الغاز بشكل كبير. يعتمد أداء الغشاء على نفاذيته وانتقائيته. تتأثر النفاذية بحجم المادة النافذة، حيث تتميز جزيئات الغاز الأكبر حجمًا بمعامل انتشار أقل. كما تؤثر مرونة سلسلة البوليمر والحجم الحر في بوليمر مادة الغشاء على معامل الانتشار، إذ يجب أن تكون المساحة داخل الغشاء النفاذ كبيرةً بما يكفي لانتشار جزيئات الغاز عبره. تُعبر الذوبانية عن نسبة تركيز الغاز في البوليمر إلى ضغط الغاز الملامس له. أما النفاذية، فهي قدرة الغشاء على السماح للغاز النافذ بالانتشار عبر مادته نتيجةً لفرق الضغط عبر الغشاء، ويمكن قياسها من خلال معدل تدفق المادة النافذة، وسُمك الغشاء ومساحته، وفرق الضغط عبره. تُعدّ انتقائية الغشاء مقياساً لنسبة نفاذية الغازات ذات الصلة بالغشاء. ويمكن حسابها كنسبة نفاذية غازين في عملية فصل ثنائي. ^{[ 4 ]}

تقوم معدات فصل الغازات الغشائية عادةً بضخ الغاز إلى وحدة الغشاء، ويتم فصل الغازات المستهدفة بناءً على اختلاف معامل الانتشار والذوبان. على سبيل المثال، يُفصل الأكسجين من الهواء المحيط ويُجمع من جهة المنبع، بينما يُجمع النيتروجين من جهة المصب. وبحلول عام 2016، أفادت التقارير أن تقنية الأغشية قادرة على إنتاج ما بين 10 إلى 25 طنًا من الأكسجين بنسبة تتراوح بين 25 و40% يوميًا. ^{[ 4 ]}

منذ أوائل العقد الأول من الألفية الثانية، أنتجت العديد من الشركات أجهزة تركيز الأكسجين المحمولة. ^{[ 11 ]} عادةً، تُنتج هذه الأجهزة ما يعادل لترًا واحدًا إلى خمسة لترات من الأكسجين في الدقيقة من التدفق المستمر، وتستخدم نوعًا من التدفق النبضي أو "التدفق حسب الطلب" لتوصيل الأكسجين فقط عندما يستنشق المريض. ^{[ 12 ]} كما يمكنها أيضًا توفير نبضات من الأكسجين إما لتوفير تدفقات متقطعة أعلى أو لتقليل استهلاك الطاقة.

لا تزال الأبحاث جارية حول تركيز الأكسجين، وتشير التقنيات الحديثة إلى أنه يمكن تقليل كمية المادة الماصة المطلوبة بواسطة أجهزة تركيز الأكسجين الطبية بمقدار ثلاثة أضعاف مع توفير استعادة أكسجين أعلى بنسبة 10-20% مقارنة بوحدة تجارية نموذجية. ^{[ 13 ]}

وافقت إدارة الطيران الفيدرالية على استخدام أجهزة تركيز الأكسجين المحمولة على متن الطائرات التجارية. ^{[ 14 ]} ومع ذلك، ينبغي على مستخدمي هذه الأجهزة التحقق مسبقًا مما إذا كانت علامة تجارية أو طراز معين مسموح به على متن شركة طيران معينة. ^{[ 15 ]} على عكس الطائرات التجارية، يحتاج مستخدمو الطائرات التي لا تحتوي على نظام ضغط المقصورة إلى أجهزة تركيز أكسجين قادرة على توفير معدل تدفق كافٍ حتى على ارتفاعات عالية.

عادةً، لا يستخدم المرضى أجهزة تركيز الأكسجين "حسب الطلب" أو "التدفق النبضي" أثناء نومهم. وقد ظهرت مشاكل تتعلق بعدم قدرة هذه الأجهزة على رصد استنشاق المريض أثناء نومه. بعض أجهزة تركيز الأكسجين المحمولة الأكبر حجمًا مصممة للعمل بنظام التدفق المستمر بالإضافة إلى نظام التدفق النبضي. يُعتبر نظام التدفق المستمر آمنًا للاستخدام الليلي عند استخدامه مع جهاز ضغط مجرى الهواء الإيجابي المستمر (CPAP) .

يمكن تعديل أجهزة تركيز الأكسجين الطبية المعاد استخدامها أو أجهزة تركيز الأكسجين الصناعية المتخصصة لتشغيل مشاعل القطع واللحام وتشكيل اللهب الصغيرة التي تعمل بالأوكسي أسيتيلين أو غازات الوقود الأخرى . ^{[ 16 ]}

يُعدّ الأكسجين ضروريًا على نطاق واسع لأكسدة مختلف المواد الكيميائية في الصناعات. في السابق، كانت هذه الصناعات تشتري أسطوانات الأكسجين بكميات كبيرة لتلبية احتياجاتها، إلا أن ذلك كان مكلفًا للغاية، ولم تكن أسطوانات الأكسجين متوفرة دائمًا في السوق.

يُعدّ الأكسجين ضروريًا هنا لتبييض لب الورق بمساعدة عملية الأكسدة لجعل الورق أبيض اللون. علاوة على ذلك، تتم إزالة اللجنين الموجود في الخشب من خلال عملية إزالة اللجنين، والتي تتطلب أيضًا الأكسجين.

تُستخدم أفران ضخمة لصهر المواد الخام التي تتحد لتكوين الزجاج. ويعمل الأكسجين على زيادة اشتعال النار في الفرن لرفع درجة الحرارة اللازمة لإنتاج الزجاج.

Oxygen is needed for the oxidation of different chemicals to form the desired chemical substances. Waste chemical products are burnt down and destroyed in the incinerator with the help of oxygen; thus, the continuous supply of a bulk amount of oxygen is essential, which is possible only by a PSA oxygen generator.