Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khí oxy ($O_2$) chiếm khoảng 21% thể tích khí quyển và giữ vai trò thiết yếu đối với chức năng hô hấp của cơ thể sống. Trong y học, oxy nồng độ cao là chế phẩm điều trị bắt buộc đối với các hội chứng suy hô hấp cấp tính, bệnh phổi tắc nghẽn mãn tính (COPD), hen phế quản nặng hoặc hỗ trợ bệnh nhân can thiệp oxy hóa qua màng ngoài cơ thể (ECMO). Sự bùng phát của đại dịch COVID-19 đã làm bộc lộ rõ rệt sự thiếu hụt cục bộ nguồn cung oxy y tế tại nhiều cơ sở điều trị, đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc tự chủ trang thiết bị tạo oxy tại chỗ nhằm giảm áp lực cho các hệ thống khí trung tâm.

Tại Việt Nam, các cơ sở khám chữa bệnh tuyến tỉnh và trung ương chủ yếu sử dụng bồn oxy lỏng hoặc trạm nén oxy công nghiệp công suất lớn, trong khi các đề tài nghiên cứu chế tạo máy làm giàu khí oxy di động quy mô nhỏ còn tương đối hạn chế. Một số công trình tiêu biểu trong nước có thể kể đến nghiên cứu của nhóm tác giả Vũ Đình Tiến, Lê Văn Dương, Mai Đức Minh, Vũ Duy Hưng (Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2023) hay đề tài hoàn thiện công nghệ sản xuất máy làm giàu oxy di động của kỹ sư Cao Thị Vân Điểm. Xuất phát từ thực tiễn trên, khóa luận tốt nghiệp ngành Kỹ thuật Y sinh tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã thực hiện đề tài "Thiết kế hệ thống làm giàu khí Oxy trong y tế" nhằm xây dựng một thiết bị nhỏ gọn, có tính cơ động, phục vụ cho các cơ sở y tế ban đầu, xe cứu thương hoặc sử dụng tại hộ gia đình.

Mục tiêu kỹ thuật cụ thể của hệ thống bao gồm:

  1. Cung cấp dòng khí oxy đầu ra có lưu lượng điều chỉnh liên tục từ 3 đến 5 lít/phút.
  2. Đảm bảo độ tinh khiết của khí oxy thành phẩm đạt từ 90% đến 99%.
  3. Áp suất vận hành trong hai cột lọc hấp phụ duy trì ổn định trong dải từ 2 bar đến 3 bar.
  4. Tự động hóa toàn bộ chu trình điều khiển nén - xả van, hiển thị các thông số áp suất, nồng độ và lưu lượng lên màn hình LCD.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành 6 nội dung:

  • Nội dung 1: Khảo sát các công nghệ làm giàu oxy hiện đại và lựa chọn phương án tối ưu.
  • Nội dung 2: Thiết kế cấu trúc các bộ phận cơ học và khí động lực học: bộ lọc khí, máy nén khí, bình lọc Zeolite, bình tích khí oxy và hệ thống đường ống.
  • Nội dung 3: Lựa chọn vật liệu hấp phụ, cảm biến đo kiểm và linh kiện điện tử phù hợp.
  • Nội dung 4: Chế tạo, gia công cơ khí và lắp ráp mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh.
  • Nội dung 5: Đo đạc, thực nghiệm đánh giá các thông số vận hành: nồng độ $O_2$, áp suất, lưu lượng khí và độ tin cậy của hệ thống.
  • Nội dung 6: Hoàn thiện hồ sơ kỹ thuật và biên soạn tài liệu hướng dẫn vận hành thiết bị.

Đối tượng nghiên cứu là mô hình hệ thống làm giàu oxy di động ứng dụng công nghệ hấp phụ áp suất chuyển đổi (PSA). Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở quy mô phòng thí nghiệm, khai thác các nguồn vật tư và linh kiện sẵn có trên thị trường nội địa Việt Nam, được thực hiện từ ngày 19/02/2024 đến ngày 17/06/2024 tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng hệ thống dựa trên nguyên lý hấp phụ áp suất đổi động (Pressure Swing Adsorption - PSA). Đây là phương pháp phân tách các cấu tử khí trong hỗn hợp không khí ở nhiệt độ môi trường dựa vào sự khác biệt về kích thước phân tử và ái lực hấp phụ của vật liệu rây phân tử (Zeolite). Ở điều kiện áp suất cao, các hạt Zeolite ưu tiên giữ lại các phân tử nitơ ($N_2$) có mômen tứ cực lớn hơn vào cấu trúc mao quản, cho phép phân tử oxy ($O_2$) đi qua và đi vào bình tích áp. Khi áp suất được xả giảm về mức khí quyển, vật liệu sẽ giải hấp, giải phóng lượng nitơ đã giữ ra ngoài môi trường để tái sinh khả năng hấp phụ.

Cơ sở toán học áp dụng trong tính toán động học dòng khí gồm phương trình trạng thái khí lý tưởng $P \cdot V = n \cdot R \cdot T$ và phương trình Ergun nhằm xác định độ sụt áp ($\Delta P$) của dòng khí chuyển động qua lớp hạt xốp đồng nhất theo chiều dài cột lọc $L$:

$$\frac{\Delta P}{L} = 150 \frac{(1-\varepsilon)^2}{\varepsilon^3} \frac{\mu u}{d_p^2} + 1.75 \frac{1-\varepsilon}{\varepsilon^3} \frac{\rho u^2}{d_p}$$

Trong đó, $\mu$ là độ nhớt động lực học của không khí ($1.81 \times 10^{-5}\text{ Pa}\cdot\text{s}$), $\rho$ là khối lượng riêng của không khí ($1.204\text{ kg/m}^3$), $u$ là vận tốc dòng khí, $\varepsilon$ là độ rỗng của lớp đệm Zeolite (0.33 đến 0.391) và $d_p$ là đường kính tương đương của hạt sàng phân tử (khoảng 0.8 mm đến 0.07 cm).

Về mặt tiêu chuẩn y tế, thiết bị được đối chiếu với các văn bản quy chuẩn hiện hành:

  • TCVN 8022 (tương đương ISO 7396): Quy định kỹ thuật đối với hệ thống đường ống dẫn khí y tế và độ an toàn dự phòng áp suất.
  • TCVN 7007:2002 (tương đương ISO 8359): Quy chuẩn an toàn và tính năng vận hành đối với máy làm giàu oxy sử dụng trong y tế và gia đình, quy định nồng độ đầu ra phải duy trì trên 90%.
  • TCVN 7303-1:2009 (tương đương IEC 601-1:1988): Tiêu chuẩn chung về an toàn điện và tương thích cơ học cho thiết bị y tế.
  • Khuyến cáo của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO): Nồng độ oxy y tế tiêu chuẩn cung cấp cho người bệnh nằm trong khoảng 90% đến 96%.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được triển khai xuyên suốt: kết hợp mô hình hóa tính toán lý thuyết để định cỡ thể tích hạt đệm, phân tích thông số khí động học, sau đó chế tạo mạch nhúng điều khiển, lắp ráp cụm cơ khí - khí nén và đo kiểm trực tiếp thông qua hệ thống cảm biến chuyên dụng. Dữ liệu thực nghiệm thu thập từ cảm biến áp suất công nghiệp dải đo 0 - 3 bar (ngõ ra 0 - 5 VDC), cảm biến oxy điện hóa AO2 Citizen (dải đo 0 - 100%) và lưu lượng kế tích hợp bình tạo ẩm y tế.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được tổ chức thành 6 khối chức năng đồng bộ:

  1. Khối nguồn: Chuyển đổi điện áp lưới 220VAC thông qua bộ nguồn xung 24VDC - 1A và module hạ áp LM2596HVS để tạo ra các mức điện áp độc lập 24VDC, 9VDC và 5VDC cung cấp cho van điện từ, vi điều khiển và các cảm biến. Tổng công suất tiêu thụ mạch điều khiển là 17.04W (dòng đỉnh 710 mA), máy nén khí tiêu thụ 550W.
  2. Khối xử lý trung tâm: Sử dụng bo mạch Arduino Uno R3 (vi điều khiển ATmega328P) tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến áp suất và nồng độ oxy qua các chân Analog (A0 - A3), xuất tín hiệu điều khiển relay qua các cổng Digital để đóng ngắt chu kỳ van khí nén.
  3. Khối động cơ khí nén: Trang bị đầu nén khí không dầu công suất 3/4 HP (550W), cung cấp lưu lượng nạp thực tế 55 lít/phút và áp lực nén tối đa 8 bar, đảm bảo không lẫn hơi dầu gây nhiễm độc dòng khí y tế.
  4. Khối chấp hành khí nén: Gồm 4 van điện từ hoạt động ở điện áp 24VDC (gồm van phân phối khí 5/2 đơn cuộn coil và van cân bằng áp 2/2) điều khiển đóng/mở qua module 4 relay cách ly quang.
  5. Khối xử lý khí và cột hấp phụ: Không khí nén được làm mát qua cụm ống xoắn nhôm tản nhiệt kết hợp quạt đối lưu cưỡng bức, qua cốc lọc tách nước ngưng tụ Airtac kèm van điều áp, sau đó đưa vào 2 bình lọc Zeolite trụ tròn (đường kính 5 cm, chiều dài 50 cm). Mỗi bình nạp 600g vật liệu Zeolite 5A, hai đầu bình có lớp đệm Activated Alumina hút ẩm và lưới chặn kích thước mắt 100 - 150 $\mu$m.
  6. Khối hiển thị và ngõ ra: Màn hình LCD 20x4 kết nối qua giao thức I2C (chân A4 - SDA, A5 - SCL) hiển thị thông số thời gian thực. Đầu ra khí oxy đi qua van điều áp an toàn, lưu lượng kế có dải điều chỉnh 1 - 5 lít/phút tích hợp bình sục ẩm tạo ẩm trước khi cấp cho bệnh nhân.

Thuật toán điều khiển hệ thống áp dụng chu trình PSA 6 giai đoạn nhằm hạn chế sự sụt giảm áp suất đột ngột và nâng cao hiệu suất làm giàu oxy so với chu trình 4 bước truyền thống.

Giai đoạn Thời gian Trạng thái bình lọc 1 (T1) Trạng thái bình lọc 2 (T2)
Bước 1 3000 ms Tăng áp (Pressurize - PR) Xả đáy (Blowdown - BD)
Bước 2 500 ms Cân bằng áp (Equalization - EQ) Thanh lọc khí (Purge - PG)
Bước 3 1000 ms Hấp phụ & Cân bằng (AD + EQ) Tái tăng áp (Pressurize - PR)
Bước 4 3000 ms Xả đáy (Blowdown - BD) Tăng áp (Pressurize - PR)
Bước 5 500 ms Thanh lọc khí (Purge - PG) Cân bằng áp (Equalization - EQ)
Bước 6 1000 ms Tái tăng áp (Pressurize - PR) Hấp phụ & Cân bằng (AD + EQ)

Tổng thời gian thực thi một chu kỳ hoàn chỉnh qua cả hai bình lọc là 9000 ms (9 giây).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này phân tích vai trò sinh lý của khí oxy trong điều trị nội khoa và hồi sức cấp cứu, làm rõ tính cấp bách của nguồn oxy nồng độ cao trong các tình huống ứng phó dịch bệnh. Nhóm tác giả tổng quan các công trình nghiên cứu máy làm giàu oxy trong và ngoài nước, xác định mục tiêu thiết kế mô hình máy PSA nhỏ gọn, xác lập 6 nội dung nghiên cứu chi tiết và chỉ rõ phạm vi giới hạn của đề tài trong khuôn khổ nghiên cứu thực nghiệm phòng thí nghiệm.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết bản chất hóa lý của quá trình phân tách khí bằng phương pháp PSA so với các phương pháp công nghệ khác.

Phương pháp Nồng độ $O_2$ (%) Lưu lượng (lít/phút) Độ ồn (dB) Mức độ an toàn Chi phí vận hành
Điện phân $H_2O$ 90 - 99 < 0.5 < 40 Nguy cơ cháy nổ cao Tốn điện năng cao
Thẩm thấu qua màng 40 - 60 > 5 - 10 < 50 An toàn cao Chi phí màng cao
Hấp phụ PSA 90 - 95 3 - 5 50 - 60 An toàn cao Tiết kiệm, bền bỉ

Tác giả so sánh đặc tính kỹ thuật của các dòng máy thương mại (Yuwell 8F-5A, Jumao JM5A, Invacare SOLO2) với công suất 312W - 400W, nồng độ oxy $93 \pm 3%$. Chương này cũng phân tích các tiêu chuẩn TCVN 8022, TCVN 7007:2002 và giới thiệu cấu tạo phần cứng: sàng Zeolite 5A, đầu nén khí 3/4 HP, van 5/2, van 2/2, cảm biến áp suất dải đo 0 - 3 bar và cảm biến nồng độ oxy AO2.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Nội dung chương 3 tập trung vào các bài toán tính toán kỹ thuật:

  • Tính toán thể tích khí nitơ cần hấp phụ trong một giây: với lưu lượng oxy yêu cầu 5 lít/phút ($V_{\text{oxy-produced}} = 83.3\text{ ml/s}$), thể tích nitơ cần loại bỏ là $V_{\text{adsorbed}} = 83.3 \times (0.79 / 0.21) \approx 313.4\text{ ml/s}$.
  • Xác định khối lượng vật liệu Zeolite 5A: dựa trên chỉ số hấp phụ $q = 0.312\text{ mmol/cc}$ ở áp suất 3 bar và nhiệt độ 298.15K, khối lượng Zeolite lý thuyết tính được khoảng 300g. Để bù trừ hao hụt thực tế, nhóm lựa chọn 600g Zeolite 5A (chiếm thể tích khoảng 520 - 530 ml).
  • Tính toán kích thước bình lọc trụ tròn: đường kính 5 cm, chiều cao tối thiểu 30 cm (chọn thiết kế 50 cm).
  • Áp dụng phương trình Ergun xác định độ sụt áp qua cột đệm là 1.78 atm, từ đó xác định áp suất máy nén cung cấp tối thiểu là 2.78 bar (chọn áp suất vận hành thực tế 3 bar).
  • Tính toán thời gian tăng áp lý thuyết $t_{\text{pressurize}} = 13\text{ s}$; do lưu lượng nạp của đầu nén thực tế đạt 55 lít/phút (gấp đôi tính toán), thời gian nén xả thực nghiệm chọn từ 6 đến 7 giây, sau đó phân rã thành chu kỳ 6 bước dài 9 giây.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý phân phối nguồn cho tải: dòng điện toàn mạch tính toán $I_{\text{toàn mạch}} = 710\text{ mA}$, công suất tiêu thụ mạch điện 17.04W, lựa chọn biến áp xung 24VDC - 1A.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả quy trình hiện thực hóa mô hình phần cứng và phần mềm:

  • Thiết kế và gia công mạch in PCB điều khiển trung tâm trên phần mềm chuyên dụng, hàn lắp các linh kiện: Arduino Uno R3, module LM2596HVS, cầu đấu relay bán dẫn/cơ khí và các cổng kết nối cảm biến.
  • Gia công cơ khí đường ống khí nén, lắp đặt bộ tản nhiệt xoắn nhôm, bình lọc ẩm Airtac, van điều áp, 2 bình hấp phụ Zeolite và bình tích áp $O_2$.
  • Lắp ráp vỏ máy hoàn thiện, bố trí mặt trước gồm màn hình LCD, núm xoay van lưu lượng kế, bẫy ẩm sục khí và công tắc nguồn.
  • Xây dựng phần mềm điều khiển trên môi trường Arduino IDE, hiện thực hóa các lưu đồ giải thuật: chương trình chính, chương trình con đọc và lọc nhiễu giá trị cảm biến áp suất, thuật toán đọc cảm biến oxy và lưu đồ kiểm soát chu trình ngắt mở 4 van khí nén qua 6 bước thời gian.

Chương 5: Kết quả – Nhận xét – Đánh giá

Chương này công bố kết quả đo kiểm thực nghiệm trên mô hình hoàn thiện:

  • Đánh giá khối chấp hành: Module relay và hệ thống van điện từ 5/2, 2/2 đóng cắt chính xác theo chu kỳ thời gian cài đặt, không xảy ra hiện tượng kẹt van hay trễ xung điều khiển.
  • Áp suất hệ thống: Áp suất nén tại hai bình lọc đạt mức cực đại từ 2.8 bar đến 3.0 bar trong pha tăng áp và giảm về áp suất khí quyển trong pha xả đáy, sai số áp suất đo kiểm giữa cảm biến và đồng hồ cơ nằm trong giới hạn cho phép.
  • Nồng độ oxy ngõ ra: Khí oxy đạt nồng độ từ 90% đến 94% ở mức lưu lượng 3 lít/phút. Khi điều chỉnh chu kỳ van tăng thêm 2 giây, áp suất duy trì ổn định hơn và nồng độ oxy đạt mức cực đại tiệm cận 95%.
  • Xây dựng bảng dự toán tổng chi phí chế tạo mô hình thử nghiệm và biên soạn quy trình vận hành thiết bị gồm 5 bước tiêu chuẩn đảm bảo an toàn điện và an toàn oxy y tế.

Chương 6: Kết luận – Hướng phát triển

Tác giả tổng kết các kết quả đạt được đối chiếu với các mục tiêu ban đầu, chỉ ra những ưu điểm về tính cơ động, độ ổn định của nồng độ oxy và đưa ra các đề xuất cải tiến về thuật toán, kết cấu cách âm và nâng cấp vật liệu sàng phân tử cho các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã chế tạo thành công mô hình máy làm giàu oxy di động vận hành tự động theo nguyên lý PSA với các thông số kỹ thuật thực nghiệm:

  • Nồng độ oxy thành phẩm đạt ngưỡng từ 90% đến 94% (ở chế độ chu kỳ chuẩn) và đạt xấp xỉ 95% khi tinh chỉnh thời gian chu kỳ thêm 2 giây, đáp ứng tiêu chuẩn của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7007:2002 đối với thiết bị oxy y tế tại nhà.
  • Lưu lượng dòng khí cung cấp điều chỉnh ổn định trong dải từ 3 đến 5 lít/phút qua lưu lượng kế tích hợp bình sục ẩm.
  • Áp suất làm việc tại các bình lọc Zeolite dao động ổn định trong khoảng 2.0 đến 3.0 bar, kiểm soát an toàn qua hệ thống van điều áp 1 MPa.
  • Hệ thống điều khiển nhúng hoạt động tin cậy, tự động hóa toàn bộ quá trình phân phối khí qua 6 bước, thông số áp suất và nồng độ oxy được hiển thị liên tục lên màn hình LCD 20x4.

Về mặt đóng góp khoa học và kỹ thuật, đề tài đã cụ thể hóa phương pháp tính toán động học dòng khí cho hệ thống PSA cỡ nhỏ tại Việt Nam: kết hợp định cỡ khối lượng hấp phụ của Zeolite 5A, xác lập độ sụt áp cột đệm bằng phương trình Ergun và kiểm chứng bằng thực nghiệm. Đồng thời, việc ứng dụng quy trình đóng ngắt van 6 bước có giai đoạn cân bằng áp (Equalization) đã giải quyết được nhược điểm sụt áp nhanh và cải thiện đáng kể lưu lượng khí so với quy trình 4 bước truyền thống. Nhóm nghiên cứu cũng đã xây dựng quy trình hướng dẫn vận hành chi tiết, cung cấp giải pháp dự phòng thiết thực cho công tác điều trị hô hấp tại các cơ sở y tế địa phương.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Bên cạnh những kết quả đạt được, công trình vẫn tồn tại một số hạn chế được tác giả chỉ rõ:

  • Thiết bị mới dừng lại ở mức độ mô hình thử nghiệm phục vụ nghiên cứu và đào tạo, chưa đạt tiêu chuẩn đóng gói của sản phẩm thương mại hoàn chỉnh.
  • Quá trình lựa chọn vật liệu sàng phân tử còn phụ thuộc vào nguồn Zeolite 5A thương mại phổ thông trong nước; chưa thể tiếp cận các dòng vật liệu rây phân tử chuyên dụng cao cấp hơn như Zeolite 13X HP hay LiX để nâng cao hiệu suất hấp phụ.
  • Cụm máy nén khí 3/4 HP tạo ra độ rung và độ ồn nhất định khi hoạt động do chưa được tích hợp buồng cách âm và giảm chấn công nghiệp chuyên dụng.

Các hướng phát triển tiếp theo được đề xuất bao gồm:

  • Nghiên cứu tích hợp các loại vật liệu rây phân tử thế hệ mới (Lithium Zeolite, 13X HP) nhằm nâng cao lưu lượng khí oxy lên mức 5 - 10 lít/phút mà không cần tăng kích thước bình lọc.
  • Phát triển thuật toán điều khiển thích nghi trên vi điều khiển, tự động điều chỉnh thời gian chu kỳ van dựa trên phản hồi áp suất và nồng độ oxy thực tế từ cảm biến.
  • Cải tiến thiết kế cơ khí: thiết kế vỏ máy chuyên nghiệp bằng vật liệu giảm âm, bổ sung các mạch cảnh báo lỗi bằng âm thanh/ánh sáng khi phát hiện quá nhiệt, tụt áp hoặc nồng độ oxy giảm xuống dưới 90%.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật cao đối với sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh, Điện tử Y sinh, Tự động hóa và Công nghệ Kỹ thuật Hóa học.

Những nội dung có giá trị ứng dụng nổi bật bao gồm:

  • Toàn bộ phương pháp tính toán định cỡ cơ học chất khí: cách thức xác định khối lượng Zeolite dựa trên dung lượng hấp phụ phân tử, tính toán thể tích bình lọc và bài toán sụt áp theo phương trình Ergun.
  • Bản vẽ thiết kế nguyên lý hệ thống khí nén PSA hoàn chỉnh kết hợp sơ đồ mạch điện điều khiển giao tiếp vi điều khiển Arduino với các module công suất đóng cắt van điện từ.
  • Thuật toán phân chia thời gian chu kỳ 6 giai đoạn và phương pháp kết nối, hiệu chuẩn các cảm biến y tế (cảm biến nồng độ oxy AO2, cảm biến áp suất công nghiệp).

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng nguyên lý nào để tách khí nitơ và nâng nồng độ oxy lên trên 90%?
Hệ thống sử dụng công nghệ hấp phụ áp suất chuyển đổi (PSA) với chất hấp phụ rây phân tử Zeolite 5A. Dưới áp suất làm việc từ 2 đến 3 bar, Zeolite 5A giữ lại các phân tử nitơ trong cấu trúc mao quản tinh thể do mômen tứ cực của nitơ tương tác mạnh với các cation kim loại trong khung Zeolite, cho phép các phân tử oxy ít bị hấp phụ đi qua vào bình chứa. Sau đó, áp suất được xả về mức khí quyển để giải phóng lượng nitơ bị giữ và tái sinh chất hấp phụ.

2. Tại sao nhóm nghiên cứu chọn Zeolite 5A thay vì loại Zeolite 13X cho mô hình thực nghiệm?
Mặc dù Zeolite 13X có khả năng hấp phụ nitơ cao hơn và giúp giảm nhẹ áp suất làm việc của hệ thống, nhưng nhóm tác giả lựa chọn Zeolite 5A do yếu tố chi phí và tính sẵn có trên thị trường Việt Nam. Zeolite 5A có giá thành hợp lý hơn, cấu trúc mao quản đồng nhất và vẫn đảm bảo khả năng làm giàu oxy lên trên 90% khi được nạp với khối lượng 600g ở điều kiện áp suất 3 bar.

3. Chu kỳ điều khiển hệ thống gồm bao nhiêu bước và tổng thời gian là bao nhiêu?
Hệ thống vận hành theo chu kỳ 6 bước: Tăng áp (PR, 3000 ms), Cân bằng (EQ, 500 ms), Hấp phụ và cân bằng (AD+EQ, 1000 ms), Xả đáy (BD, 3000 ms), Thanh lọc (PG, 500 ms) và Tái tăng áp (PR, 1000 ms). Tổng thời gian hoàn thành một chu trình hoạt động luân phiên trên cả hai bình lọc là 9000 ms (9 giây).

4. Khối nguồn của hệ thống được tính toán và thiết kế như thế nào?
Khối nguồn tiếp nhận điện áp lưới 220VAC, sử dụng nguồn xung chuyển đổi sang 24VDC (1A) để cấp nguồn cho hệ thống 4 van điện từ khí nén, quạt tản nhiệt và cảm biến áp suất. Từ mức 24VDC, mạch sử dụng module chỉnh áp LM2596HVS hạ áp xuống 9VDC cấp cho bo mạch Arduino Uno R3 và 5VDC cấp cho các relay, màn hình LCD 20x4 và các cảm biến. Tổng dòng điện tiêu thụ tính toán của mạch điều khiển là 710 mA.

5. Các thông số vận hành thực tế đạt được của hệ thống là bao nhiêu?
Mô hình thực nghiệm đạt lưu lượng khí ngõ ra từ 3 đến 5 lít/phút, áp suất bình lọc đạt cực đại từ 2.8 đến 3.0 bar. Nồng độ oxy thành phẩm đạt từ 90% đến 94% ở chu kỳ chuẩn và tiệm cận 95% khi kéo dài chu kỳ van thêm 2 giây, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật của TCVN 7007:2002 và hướng dẫn của WHO.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Phan Anh Hiếu và Lại Minh Lý đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình hệ thống làm giàu khí oxy trong y tế ứng dụng công nghệ PSA điều khiển bằng Arduino Uno R3. Thiết bị vận hành ổn định ở áp suất 2 - 3 bar, cung cấp lưu lượng oxy từ 3 đến 5 lít/phút với nồng độ tinh khiết đạt từ 90% đến xấp xỉ 95%, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn y tế hiện hành. Toàn bộ quy trình tính toán khí động lực học, sơ đồ mạch điều khiển và thuật toán phân chia chu kỳ 6 giai đoạn tạo nên cơ sở khoa học và thực tiễn vững chắc cho việc phát triển các thiết bị tạo oxy di động trong nước.