疫情等突發情況下的應急供氧方法探討

張 毅 王星魁 崔兵彥 牛同鋒

（1.湖北航天化學技術研究所；2.應急救生與安全防護湖北省重點實驗室；3.航天化學動力技術重點實驗室）

一 新冠肺炎與氧療

新型冠狀病毒肺炎的診療方案指出，要及時給予病患有效氧療措施，包括鼻導管或面罩給氧等。重癥病人需要不間斷吸氧，危重病人需要用到呼吸機，均對氧氣有較大的需求量。在治療過程中，氧氣的短缺可能會導致患者無法得到有效救治，從而延誤病情，甚至付出生命的代價。隨著新冠肺炎疫情的發展蔓延，各定點醫院普遍出現供氧不足的情況。

大型醫院一般建有中心供氧站，氣源為液氧罐或利用分子篩變壓吸附法（PSA）制氧。液體氧和PSA制氧均需要耗費大量電力，若出現電力短缺的情況，氧氣制備也會受到影響。與此同時，液體氧對氧氣的制備、運輸、使用均有較高的要求，例如，一組大型液氧儲氣罐需要經過長達9天的時間才能在緊急情況下完成安裝；PSA制氧面臨著不同情況下安裝空間不同、用電負荷高、噪聲大、原料氣污染、產氧量和氧氣質量不一定能夠滿足需求等一系列問題。圖1為在此次新冠肺炎疫情中武漢市紅十字會醫院緊急安裝的液氧設備。

圖1 武漢市紅十字會醫院緊急安裝液氧設備

二 高壓氣瓶氧源

《醫用氣體工程技術規范》（GB 50751—2012）中對醫用氧氣提出了明確的要求：醫用氧氣氣源應由主氣源、備用氣源和應急備用氣源組成，應急備用氧氣源不能由已作為主氣源的分子篩制氧系統或液態氧供應。目前，我國國內的醫院基本上都配備了高壓氧氣瓶或由高壓氧氣瓶組成的氣體匯流排作為應急備用氧氣源。現階段，沒有建設中心供氧站的醫院也僅能依靠調配氧氣鋼瓶作為應急備用氧氣源來保證患者對氧氣的需求。

高壓氧氣瓶的安裝、使用及維護均需要進行嚴格的管理。常用的40L氧氣瓶空瓶的質量約為46kg，充滿15MPa氧氣后的總質量約為55kg。由于高壓氧氣瓶存在壓力高、質量大、需求數量多等情況，對后續的供貨、運輸、存儲、轉運都造成了較大的麻煩。圖2為醫護人員在搬運氧氣鋼瓶。

圖2 醫護人員在搬運氧氣鋼瓶

根據《醫用及航空呼吸用氧》（GB8982—2009）規定，醫用氧的有效期為1年，高壓氧氣瓶不能長時間儲存氧氣。根據相關氣瓶檢定標準，盛裝氧氣的氣瓶需要3年檢定1次，減壓器需要半年進行1次強制檢驗。

三 固體化學氧源

醫用氧氣氣源應配有可靠且可以快速投入緊急情況中使用的備用氧源，固態氧可以在短時間內快速發生化學反應產生氧氣，并不易受外界因素的影響，十分適合用做應急供氧裝置。

固體化學氧氣發生器經機械拉發啟動或電流啟動后，通過富含氧的化學物質發生化學反應產生氧氣。與高壓氣瓶中的氧氣呈氣態，液氧罐中的氧氣呈液態不同，固體化學氧氣發生器中的所有物質均為固態。

固體化學氧氣發生器產氧技術較為成熟，在20世紀20年代，德國首先將固體氧氣發生器產品投入應急救援工作中使用。第二次世界大戰期間，德國和日本開始著手研制飛機上使用的固體氧氣發生器，以為戰斗機駕駛員在高空飛行中提供充足的氧氣。第二次世界大戰結束后，英國、美國先后成功研制了在潛艇上使用的固體氧氣發生器，許多歐美國家將該技術在核潛艇上沿用至今。20世紀60年代，固體氧氣發生器在化學反應過程中存在的問題被解決后，迅速取代了傳統的氣體供氧系統，成功且廣泛地應用于民航飛機領域。在礦用應急救援領域，包括移動式救生艙和避難硐室中，南非選用固體化學氧氣發生器作為系統主要供氧源，澳大利亞、美國等國家選用固體化學氧氣發生器作為備份氧源。

相比于其他產/儲氧方法，固體化學氧氣發生器可確保其作為應急供氧裝置更具有經濟性，這也是其得到廣泛應用的主要原因之一。固體化學氧氣發生器及其相關制氧技術具有如下特點：

（1）利用自身化學物質分解產氧，只需機械拉發啟動或 電流啟動，產氧過程無需消耗動力，應用范圍廣泛。

（2）固體氧氣發生器儲存的是處于常壓狀態下的固體物質，使用時才產生氧氣，不需要用高壓容器儲藏，對環境溫度的要求低。發生器殼體上設置有安全泄壓閥，可確保儲存、運輸和使用過程中的安全。

（3）固體化學氧氣發生器加上內在的固態物質總重為12kg，可產氧2200L，平均儲氧密度為183L/kg，固體氧氣發生器具有較為輕便的優點。

（4）只需啟動固體氧氣發生器，就可按設計指標進行產氧，無須其他調節操作，使用簡單。

（5）固體化學氧氣發生器安裝簡便快捷，輸出氧氣壓力即為標準大氣壓，無需復雜的減壓閥門和管路連接。

（6）固體化學氧氣發生器中固體物質由無機物組成，不含有機物組分，性能穩定且耐儲存性好，最大的優勢是儲存期間不需要維護。

（7）用過的固體氧氣發生器不存在危害物質泄漏風險，可以當作普通垃圾處理，無需特殊操作。

固體氧氣發生器具有常壓安全可靠、不受環境限制、免維修保養、壽命長、體積小、質量輕、操作簡單、便于運輸等特點，與高壓氣瓶氧和液氧相比，其在密度、儲存、穩定性、保質期等方面具有較大的優勢，十分適用于各種情況下的應急供氧。

隨著時代的發展，在應急和日常用氧領域，固體化學氧氣發生器逐漸由軍用轉變為軍民兩用。現階段，固體化學氧氣發生器將朝著小型便攜式個體供氧防護和密閉空間大型智能供氧系統兩個方向發展。

小型便攜式固體化學氧氣發生器主要用于緊急情況需要少量用氧和日常醫療供氧方面，具體已拓展至以下領域：民航飛機旅客應急救援，高空跳傘，家庭應急供氧，農村衛生院、小型醫療所、軍隊等基層醫療衛生機構，醫生外出搶救，救災搶險，高原地區旅游、運輸和作業等。小型便攜式固體化學氧氣發生器正朝著輕量化、系列化、低成本等技術方向發展。國內外最新研制出來的便攜式小型固體化學氧氣發生器，如圖3所示。

圖3 國內外最新便攜式小型固體化學氧氣發生器

密閉空間大型智能供氧系統主要由固氧發生器、氧氣濃度傳感器、可編程邏輯控制器（PLC）、箱體等組成，如圖4和圖5所示。氧氣濃度傳感器實時監控環境中的氧氣濃度，可根據實際需要設定氧氣濃度值。當氧氣濃度低于設定的氧氣下限值時，控制器會啟動固氧發生器以產生氧氣，并將氧氣釋放至環境中，從而提高環境中的氧氣濃度。控制模塊會根據環境中氧氣濃度來控制固體氧氣發生器的自動啟動，從而使環境中的氧氣濃度維持在19.5%～23%范圍值內，避免出現缺氧或氧氣濃度過高的現象。智能供氧系統可調整能力強，可根據密閉空間人員情況及需氧量調整固氧發生器數量，以滿足各種工況需求。

圖4 密閉空間大型智能供氧系統

圖5 大型智能供氧系統中固氧發生器的結構示意圖

密閉空間大型智能供氧系統主要應用于空間站、水下艦艇艙室、軍民地下工事、礦用移動式救生艙和避難硐室、高原室內等相對密閉缺氧的空間，其最大的特點是智能可控性。系統在常規供氧的基礎上集成了自動檢測和自動控制模塊，可精確感知環境中氧氣的濃度，自動調整氧氣釋放速率，使相對空間內的空氣含氧量保持在正常范圍內。

大型智能供氧系統與醫院現有中心供氧系統進行接口匹配、供氧速度匹配改造后，即可作為醫院中心供氧系統的應急備用氧氣源，用于特殊情況下（如疫情時期）醫療用氧供應緊缺的快速應急補充。

四 結束語

固體氧氣發生器非常適合作為應急供氧裝置使用，可作為疫情時期醫療用氧供應緊缺情況下的快速應急補充。平時儲備一定數量的固體化學供氧裝置，可在緊急情況下迅速投入醫用供氧，以及各種密閉缺氧空間的應急供氧。