疫情等突发情况下的应急供氧方法探讨

2020-07-17王星魁崔兵彦牛同锋

军民两用技术与产品 2020年5期

张毅王星魁崔兵彦牛同锋

（1.湖北航天化学技术研究所；2.应急救生与安全防护湖北省重点实验室；3.航天化学动力技术重点实验室）

一新冠肺炎与氧疗

新型冠状病毒肺炎的诊疗方案指出，要及时给予病患有效氧疗措施，包括鼻导管或面罩给氧等。重症病人需要不间断吸氧，危重病人需要用到呼吸机，均对氧气有较大的需求量。在治疗过程中，氧气的短缺可能会导致患者无法得到有效救治，从而延误病情，甚至付出生命的代价。随着新冠肺炎疫情的发展蔓延，各定点医院普遍出现供氧不足的情况。

大型医院一般建有中心供氧站，气源为液氧罐或利用分子筛变压吸附法（PSA）制氧。液体氧和PSA制氧均需要耗费大量电力，若出现电力短缺的情况，氧气制备也会受到影响。与此同时，液体氧对氧气的制备、运输、使用均有较高的要求，例如，一组大型液氧储气罐需要经过长达9天的时间才能在紧急情况下完成安装；PSA制氧面临着不同情况下安装空间不同、用电负荷高、噪声大、原料气污染、产氧量和氧气质量不一定能够满足需求等一系列问题。图1为在此次新冠肺炎疫情中武汉市红十字会医院紧急安装的液氧设备。

图1 武汉市红十字会医院紧急安装液氧设备

二高压气瓶氧源

《医用气体工程技术规范》（GB 50751—2012）中对医用氧气提出了明确的要求：医用氧气气源应由主气源、备用气源和应急备用气源组成，应急备用氧气源不能由已作为主气源的分子筛制氧系统或液态氧供应。目前，我国国内的医院基本上都配备了高压氧气瓶或由高压氧气瓶组成的气体汇流排作为应急备用氧气源。现阶段，没有建设中心供氧站的医院也仅能依靠调配氧气钢瓶作为应急备用氧气源来保证患者对氧气的需求。

高压氧气瓶的安装、使用及维护均需要进行严格的管理。常用的40L氧气瓶空瓶的质量约为46kg，充满15MPa氧气后的总质量约为55kg。由于高压氧气瓶存在压力高、质量大、需求数量多等情况，对后续的供货、运输、存储、转运都造成了较大的麻烦。图2为医护人员在搬运氧气钢瓶。

图2 医护人员在搬运氧气钢瓶

根据《医用及航空呼吸用氧》（GB8982—2009）规定，医用氧的有效期为1年，高压氧气瓶不能长时间储存氧气。根据相关气瓶检定标准，盛装氧气的气瓶需要3年检定1次，减压器需要半年进行1次强制检验。

三固体化学氧源

医用氧气气源应配有可靠且可以快速投入紧急情况中使用的备用氧源，固态氧可以在短时间内快速发生化学反应产生氧气，并不易受外界因素的影响，十分适合用做应急供氧装置。

固体化学氧气发生器经机械拉发启动或电流启动后，通过富含氧的化学物质发生化学反应产生氧气。与高压气瓶中的氧气呈气态，液氧罐中的氧气呈液态不同，固体化学氧气发生器中的所有物质均为固态。

固体化学氧气发生器产氧技术较为成熟，在20世纪20年代，德国首先将固体氧气发生器产品投入应急救援工作中使用。第二次世界大战期间，德国和日本开始着手研制飞机上使用的固体氧气发生器，以为战斗机驾驶员在高空飞行中提供充足的氧气。第二次世界大战结束后，英国、美国先后成功研制了在潜艇上使用的固体氧气发生器，许多欧美国家将该技术在核潜艇上沿用至今。20世纪60年代，固体氧气发生器在化学反应过程中存在的问题被解决后，迅速取代了传统的气体供氧系统，成功且广泛地应用于民航飞机领域。在矿用应急救援领域，包括移动式救生舱和避难硐室中，南非选用固体化学氧气发生器作为系统主要供氧源，澳大利亚、美国等国家选用固体化学氧气发生器作为备份氧源。

相比于其他产/储氧方法，固体化学氧气发生器可确保其作为应急供氧装置更具有经济性，这也是其得到广泛应用的主要原因之一。固体化学氧气发生器及其相关制氧技术具有如下特点：

（1）利用自身化学物质分解产氧，只需机械拉发启动或电流启动，产氧过程无需消耗动力，应用范围广泛。

（2）固体氧气发生器储存的是处于常压状态下的固体物质，使用时才产生氧气，不需要用高压容器储藏，对环境温度的要求低。发生器壳体上设置有安全泄压阀，可确保储存、运输和使用过程中的安全。

（3）固体化学氧气发生器加上内在的固态物质总重为12kg，可产氧2200L，平均储氧密度为183L/kg，固体氧气发生器具有较为轻便的优点。

（4）只需启动固体氧气发生器，就可按设计指标进行产氧，无须其他调节操作，使用简单。

（5）固体化学氧气发生器安装简便快捷，输出氧气压力即为标准大气压，无需复杂的减压阀门和管路连接。

（6）固体化学氧气发生器中固体物质由无机物组成，不含有机物组分，性能稳定且耐储存性好，最大的优势是储存期间不需要维护。

（7）用过的固体氧气发生器不存在危害物质泄漏风险，可以当作普通垃圾处理，无需特殊操作。

固体氧气发生器具有常压安全可靠、不受环境限制、免维修保养、寿命长、体积小、质量轻、操作简单、便于运输等特点，与高压气瓶氧和液氧相比，其在密度、储存、稳定性、保质期等方面具有较大的优势，十分适用于各种情况下的应急供氧。

随着时代的发展，在应急和日常用氧领域，固体化学氧气发生器逐渐由军用转变为军民两用。现阶段，固体化学氧气发生器将朝着小型便携式个体供氧防护和密闭空间大型智能供氧系统两个方向发展。

小型便携式固体化学氧气发生器主要用于紧急情况需要少量用氧和日常医疗供氧方面，具体已拓展至以下领域：民航飞机旅客应急救援，高空跳伞，家庭应急供氧，农村卫生院、小型医疗所、军队等基层医疗卫生机构，医生外出抢救，救灾抢险，高原地区旅游、运输和作业等。小型便携式固体化学氧气发生器正朝着轻量化、系列化、低成本等技术方向发展。国内外最新研制出来的便携式小型固体化学氧气发生器，如图3所示。

图3 国内外最新便携式小型固体化学氧气发生器

密闭空间大型智能供氧系统主要由固氧发生器、氧气浓度传感器、可编程逻辑控制器（PLC）、箱体等组成，如图4和图5所示。氧气浓度传感器实时监控环境中的氧气浓度，可根据实际需要设定氧气浓度值。当氧气浓度低于设定的氧气下限值时，控制器会启动固氧发生器以产生氧气，并将氧气释放至环境中，从而提高环境中的氧气浓度。控制模块会根据环境中氧气浓度来控制固体氧气发生器的自动启动，从而使环境中的氧气浓度维持在19.5%～23%范围值内，避免出现缺氧或氧气浓度过高的现象。智能供氧系统可调整能力强，可根据密闭空间人员情况及需氧量调整固氧发生器数量，以满足各种工况需求。