便攜式濃縮器的新設(shè)計可實現(xiàn)可靠的充氧

隨著世界各地的衛(wèi)生工作者為感染了 SARS-CoV-2 及其多種變體的人提供護(hù)理，醫(yī)用氧氣的短缺繼續(xù)對已經(jīng)捉襟見肘的醫(yī)院造成嚴(yán)重影響。雖然便攜式制氧機(jī)為許多呼吸窘迫的人提供了一些緩解，但這些機(jī)器有時無法產(chǎn)生足夠的醫(yī)用氧氣來滿足癥狀惡化患者的波動需求，需要他們重新住院。

德克薩斯 A&M 大學(xué)的研究人員預(yù)計，隨著與 的激烈斗爭，對更好的氧氣濃縮器的需求會增加，他們已經(jīng)建立了一個計算框架，以設(shè)計最優(yōu)化的濃縮器來過濾環(huán)境空氣并生產(chǎn)可以根據(jù)患者需求調(diào)整的氧氣。

“ 大流行給我們的醫(yī)療和急救設(shè)施造成了巨大壓力，需要醫(yī)療護(hù)理的人數(shù)激增，醫(yī)院的通風(fēng)設(shè)備數(shù)量有限，”副教授 Faruque Hasan 博士和 Kim McDivitt 說。 88 和 Phillip McDivitt '87 授予 Artie McFerrin 化學(xué)工程系教員。“但是，如果我們設(shè)計一種更先進(jìn)、更緊湊、更便攜的制氧機(jī)，該制氧機(jī)具有靈活的操作條件，可以根據(jù)患者的需要輸送盡可能多的氧氣，我們就可以避免一些住院病例。”

研究人員指出，基于他們設(shè)計的制氧機(jī)還可以幫助那些患有其他呼吸系統(tǒng)疾病的人，如慢性阻塞性肺病、和哮喘。

這項研究的描述在線發(fā)表在《自然科學(xué)報告》雜志上。

與為患者持續(xù)供應(yīng)純氧的氧氣罐不同，便攜式制氧機(jī)從環(huán)境空氣中去除氮氣。氮氣的剝離是由于一種稱為吸附的過程，其中某些種類的空氣分子被困在固體表面上。在吸附劑的眾多選擇中，稱為沸石的天然或合成材料就像篩子一樣，在保持氮氣的同時允許氧氣通過。

但是，盡管它們具有整體優(yōu)勢，但制氧機(jī)通常設(shè)計為具有固定的規(guī)格，從而限制了它們在滿足患者醫(yī)療狀況或活動變化引起的氧氣需求方面的使用。例如，患者的氧氣需求在流速和純度方面可能會有所不同，并且當(dāng)前的氧氣濃縮器不能用于同一醫(yī)院環(huán)境中需要非常不同的通氣的多個不同患者。

“在理想情況下，我們需要一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在滿足不同產(chǎn)品規(guī)格的同時，在不同的按需制氧操作模式之間快速切換，”該研究的主要作者、Hasan 實驗室的前研究生 Akhil Arora 博士說。

為了改進(jìn)當(dāng)前醫(yī)用氧氣濃縮器的設(shè)計，Arora 首先選擇了三種類型的沸石——LiX、LiLSX 和 5A——進(jìn)行分析。接下來，他進(jìn)行了基于物理的模擬，模擬沸石的不同特性以及氧氣濃縮器的特性，包括吸附室的大小和吸附過程中的不同階段。

然后，使用 Texas A&M 的高性能計算集群，他同時改變了模擬的所有這些輸入，以達(dá)到最佳操作范圍，從而產(chǎn)生緊湊、易于運輸和高性能的醫(yī)用氧氣濃縮器。特別是，他發(fā)現(xiàn) LiLSX 的性能優(yōu)于 LiX 和 5A 沸石，以高速率生產(chǎn) 90% 的純氧。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)基于 LiLSX 的系統(tǒng)可用于產(chǎn)生不同水平的氧氣純度和流速。

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