đặt vấn đề, nêu lên lý do chọn đề tài, những mục tiêu cũng như các nội dung nghiên cứu, bố cục mà bài nghiên cứu triển khai và các giới hạn mà đề tài còn gặp hạn chế. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 2 sẽ bàn luận về những lý thuyết, nguyên lý cơ bản trong quy trình hoạt động của máy làm giàu khí Oxy. Đồng thời chương này cũng đề cập về các loại linh kiển điện tử, module được sử dụng để thực hiện đề tài. Ngoài ra các tiêu chuẩn y tế trong việc chế tạo máy làm giàu khí Oxy cũng sẽ được để cập một phần ở chương này.
Chương 3 Tính toán và thiết kế hệ thống Chương 3 sẽ nêu lên các tiêu chí đặt ra cho hệ thống mà nhóm nghiên cứu hướng đến cũng như đi sâu vào các bước tìm hiểu, tính toán để thiết lập những thông số cần thiết để xây dựng, thi công và vận hành máy tạo khí Oxy. Chương 4 Thi công hệ thống Chương 4 sẽ trình bày những nội dung liên quan tới các công đoạn thi công sản phẩm trong thực tế của đề tài. Các nội dung chính sẽ bao gồm: Thị công hệ thống (gồm thi công các thành phần cơ khí, gia công khung vỏ máy, gia công mạch điện), lắp rắp và kiểm tra và đóng gói hệ thống, lưu đồ thuật toán vận hành hệ thống. Chương 5: Quy trình đánh giá – Kiểm tra hệ thống Nội dung chương 5 nêu ra những nhận xét, đánh giá kết quả vận hành của hệ thống máy tạo khí Oxy.
Các kết quả đánh giá sẽ tập trung chủ yếu dựa vào các thông số như: Độ tinh khiết của khí Oxy máy cung cấp, độ ổn định khi máy vận hành, khả năng vận hành cảu các khối cũng như tài liệu hướng dẫn thao tác với máy và các lưu ý khi sử dụng. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Nội dung chương cuối là tổng hợp các kết quả đạt được sau khi nghiên cứu đề tài, đồng thời nêu lên những nội dung mong muốn sẽ cải thiện hơn cho bản thân hệ thống hiện tại cũng như cho các đề tài nghiên cứu tương tự về sau. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ KHÍ OXY NỒNG ĐỘ CAO TRONG Y TẾ Trong những năm 1960 và 1970, với sự phát triển của máy thở cơ học áp suất dương, khả năng cung cấp Oxy với nồng độ cao đã tăng lên đáng kể.
Máy thở áp lực dương kết hợp khả năng cung cấp thông khí xâm lấn thông qua ống nội khí quản hoặc ống mở khí quản càng giúp việc trao đổi khí Oxy ở bệnh nhân trở nên thuận lợi hơn bao giờ hết. Ban đầu, bệnh nhân thường xuyên nhận được lượng thể tích và nồng độ Oxy ở mức cao khi điều trị các vấn đề về hô hấp và trao đổi khí. Tuy nhiên, trong vài thập kỷ tiếp theo, người ta ngày càng nhận ra rằng dung lượng thể tích khí Oxy lớn, kết hợp với nồng độ cao, có hại nhiều hơn lợi cho bệnh nhân. Trong giai đoạn dịch COVID-19 vừa qua, kỹ thuật sử dụng Oxy kết với kỹ thuật trao đổi Oxy qua màng ngoài cơ thể (ECMO) – một loại hình máy thở xâm lấn, cũng được phát triển mạnh và có vai trò quan trọng trong việc duy trì cường độ trao đổi khí ở những bệnh nhân COVID có triệu chứng nặng, thiếu Oxy cấp tính.
Do đó việc cung cấp, sử dụng và lưu trữ khí Oxy, cũng như các hệ thống khí khác, đã trở thành một phần không thể thiếu trong các hệ thống khí ở các cơ sở y tế trên toàn cầu [3].2 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP LÀM GIÀU KHÍ OXY 2.1 Phương pháp PSA (Pressure Swing Adsorption) Hấp phụ áp suất đổi động Pressure swing adsorption (PSA) là phương pháp kỹ thuật dùng để tách các loại khí khỏi hỗn hợp khí, thường là không khí, dựa trên đặc tính phân tử và khả năng hấp phụ của chất liệu [4]. PSA hoạt động ở nhiệt độ gần với nhiệt độ môi trường xung quanh và khác biệt đáng kể so với phương pháp chưng cất đông lạnh thường được sử dụng để tách các khí. Trong quá trình này, các vật liệu hấp phụ chọn lọc như Zeolite hay còn gọi là sàng phân tử, than hoạt tính và các vật liệu khác được sử dụng để hấp phụ các loại khí mục tiêu ở áp suất cao. Sau đó, quá trình chuyển sang áp suất thấp để giải phóng khí đã bị hấp phụ [5].
Nguyên lý hoạt động PSA Nguyên lý hoạt động cốt lõi của hệ thống PSA dựa trên việc tăng và xả áp suất luân phiên ở cả hai cột (hay bình lọc). Về bản chất, hoạt động ở cả hai bình sẽ diễn ra song song BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT và đối lập nhau. Khi một bình tăng áp suất, giúp tách Nitơ và đưa Oxy ra ngoài thì bình còn lại phải xả áp suất.
Tổng quan xem xét cốt lõi trên, các hệ thống PSA có thể được chia nhỏ thành nhiều giai đoạn (chu trình) nạp / xả để có thể kiểm soát và quản lý. Ví dụ dưới đây là một hệ thống PSA với 4 chu trình nạp / xả [6]: Hình 2.1: Sơ đồ hoạt động của phương pháp hấp phụ PSA Chu trình 1 (giai đoạn tăng áp – Pressurize): Khí nén được làm mát đi vào van điện từ 4 chiều (khi đó van V11 và V14 mở, tất cả các van còn lại đóng) đi qua bình lọc A để tăng áp cho bình A. Chu trình 2 (giai đoạn hấp phụ - Adsorption): Khi áp suất tại bình A đạt được một ngưỡng yêu cầu nhất định, lúc đó Van V15, V16 lúc này sẽ mở, khí O2 sẽ được cung cấp ra ngoài và một phần đi qua Van V15 để đẩy khí N2 từ bình B ra ngoài Van V14. Chu trình 3 (giai đoạn xả đáy bình – Blowdown): Khi mà cột A đầy khí N2 và không còn khả năng lọc khí O2 , khi đó van V12 và V13 mở, tất cả các van còn lại đóng để tiến hành xả áp suất cho bình A đồng thời nạp áp suất cho bình B hoạt động.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chu trình 4 (giai đoạn thanh lọc – Purge): Khi áp suất tại bình B đạt được một ngưỡng yêu cầu nhất định, lúc đó Van V17, V16 và V15 lúc này sẽ mở, khí O2 sẽ được cung cấp ra ngoài và một phần đi qua Van V15 để đẩy khí N2 từ bình A ra ngoài Van V13. Có thể nhận thấy, nếu xét riêng về quá trình xảy ra ở từng bình, ta sẽ nhận thấy những điểm tương đồng giữa chu trình 1 và 3, giữa chu trình 2 và 4. Do đó, thông thường thời gian cũng sẽ có sự đối xứng giống nhau tương tự.
Bảng 1: Mô tả trạng thái đóng ngắt luân phiên trong bình lọc trong 4 chu trình Chu trình V11/V14 V12/V15 V17 V18 V16 Tăng áp Mở Đóng Đóng Đóng Đóng Hấp thụ Mở Đóng Mở Đóng Mở Xả đáy Đóng Mở Đóng Đóng Đóng Thanh lọc Đóng Mở Mở Mở Mở Các giai đoạn của khí Oxy trong toàn bộ hệ thống PSA làm giàu khí Oxy: Giai đoạn 1: Không khí nén (78% nitơ, 21% Oxy, <1% khí trơ, khí hiếm) lọc thô. Giai đoạn 2: Không khí đi qua các rây phân tử nơi Nitơ được hấp phụ bởi các hạt Zeolite, làm tăng nồng độ Oxy lên đến 95%. Giai đoạn 3: Ra khỏi sàng phân tử, Oxy tạo ra được đưa qua bể chứa. Nitơ sau đó được giải phóng thông qua một lối thoát kín và bị đưa ra bên ngoài.
Giai đoạn 4: Một phần Oxy được tạo ra được sử dụng để giúp khử nitơ của một bình trong khi bình kia đảm bảo sản xuất Oxy (và ngược lại). Giai đoạn 5: Hệ thống cân bằng bình tự động và khí nén đảm bảo dòng Oxy liên tục. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 6 CHƯƠNG 2.2 So sánh các phương pháp tạo khí Oxy Khí Oxy (Oxygen) là một trong những loại khí có vai trò quan trọng trong y tế, công nghiệp và khoa học. Việc sản xuất khí Oxy với độ tinh khiết cao cung cấp lâu dài cho mọi nhu cầu hoạt động cần đòi hỏi lựa chọn phương pháp phù hợp để đảm bảo an toàn, hiệu suất và tính cơ động.
Có nhiều phương pháp khác nhau để tạo khí Oxy, bao gồm điện phân nước, PSA hấp thụ, lọc màng. Mỗi phương pháp này có những ưu điểm và hạn chế riêng. Dưới đây là bảng so sánh đánh giá các tiêu chí lựa chọn phương pháp phù hợp. Bảng 2: So sánh các phương pháp điều chế khí Oxy Đặc tính Điện phân H2O Màng PSA Nồng độ % Oxy 90-99% 40-60% 90-95% Nguyên lý làm việc Điện phân H2O Dùng màng thẩm Sử dụng chất hấp phụ thành O2 và H2 thấu để phân tách Zeolite để hấp phụ N2 các thành phần khí và tách O2 Lưu lượng khí < 0.
>5-10 L/phút Di chuyển Khó di chuyển do Cơ động Cơ động sử dụng bể hóa chất. Chi phí Chi phí đầu tư thấp Chi phí đầu tư vận Giá thành để đầu tư nhưng tốn điện hành thấp cao nhưng về lâu dài, năng cao. chi phí bảo trì sẽ thấp hơn Bảo dưỡng Thường xuyên Đơn giản Đơn giản Độ ồn < 40dB < 50dB Từ 50 đến 60 dB An toàn Nguy cháy nổ An toàn cao An toàn cao BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 7 CHƯƠNG 2.3 So sánh kỹ thuật các máy làm giàu khí Oxy trên thị trường. Hiện nay, công nghệ sàng phân tử Zeolite được ứng dụng rộng rãi trong các máy làm giàu khí Oxy phục vụ mục đích y tế và công nghiệp.
Một số nhà sản xuất máy tạo Oxy lớn hiện đang cung cấp dòng sản phẩm dựa trên nguyên lý này như: Invacare, Philips Respironics, Hakawa, Imedicare, Yuwell [7]. Bảng 3: Các mẫu máy làm giàu khí Oxy có trên thị trường STT Tên máy Kiểu máy Giá bán 1 DeVilbiss Invacare 13.600 VND 2 SOLO2 Invacare 8.5915 VND 3 Philips EverFlo 22.000 VND 4 Jumao JM5A 12.000 VND BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 8 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bảng 4: So sánh đặc tính kỹ thuật của từng loại máy Tên máy Oxy Lưu lượng Độ ồn Công suất Trọng lượng % Phút < dB W Kg Yuwell 8F-5A 93±3 3 45 400 11 Jumo JM5A 93 ±3 5 48 312 20 SOLO2 95.6±5 5 50 390 23 Theo dự báo, giá trị thị trường của hệ thống máy tạo oxy sẽ đạt khoảng 5,27 tỷ USD vào năm 2027, tăng từ mức 3,54 tỷ USD năm 2022, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) ước tính đạt 8,3% trong giai đoạn dự báo [8].