环生-综合42-N95口罩呼吸系统电解水补氧系统

N95口罩呼吸系统电解水补氧系统

摘要：本研究通过电解水反应将电能转化为化学能，产生的氧气和氢气为洁净能源，可为N95口罩佩戴者解决长时间佩戴易引起缺氧的问题提供解决思路。该装置的使用可以大幅提高医护等人员佩戴N95口罩的传统工作时间，能够有效减少N95口罩的使用个数，避免因单个N95口罩使用时间过短，需要频繁更换，而对应增加消毒杀菌的操作的资源浪费。

关键词：N95口罩；电解水；补氧

Abstract：This study converts electric energy into chemical energy through electrolysis of water, and the oxygen and hydrogen generated are clean energy. It can provide solutions for N95 mask wearers to solve the problem of hypoxia caused by wearing for a long time.The use of this device can significantly improve the traditional working time of medical and other staff wearing N95 masks, effectively reduce the number of N95 masks, and avoid the waste of resources in the operation of increasing disinfection and sterilization due to the short use time of a single N95 mask and the need for frequent replacement.

Key words: N95 mask;electrolysis of water;oxygenating

1、N95口罩的概述

N95型口罩是NIOSH（美国国家职业安全卫生研究所）认证的9种防颗粒物口罩中的一种。“N”的意思是不适合油性的颗粒（炒菜产生的油烟就是油性颗粒物，而人说话或咳嗽产生的飞沫不是油性的）；“95”是指在NIOSH标准规定的检测条件下，过滤效率达到95%。目前N95口罩广泛应用于呼吸道传播疾病的感染控制，同时在打磨、清扫、处理矿场等会产生大量粉尘的工作中起到呼吸防护的作用。但是它在使用过程中往往会造成佩戴者呼吸不畅，引发胸闷、头晕等问题。相比普通口罩而言，N95口罩的标准呼吸阻力达到 13.8mmH2O(300Pa以上)，半小时佩戴后即感觉呼吸困难，人体血氧浓度降低，大脑出现缺氧，产生胸闷等不适现象。

2、电解水系统

2.1电解水系统工作原理

 电解水设备采用立式隔膜电解槽，包括阳极和阴极。水是一种很弱的电解质，在水中只能微弱电离，形成少量自由移动的氢离子和氢氧根离子。在外界电压的作用下，氢离子和氢氧根离子分别向两极作定向移动，形成电流。但是由于离子浓度太低，导致电流很微弱，因此纯水有着极弱的导电能力。

 在纯水中通直流电，在一般条件下不发生电解作用。若在水中加入少量的电解质（它是溶于水溶液中或在熔融状态下就能够导电的化合物，如强的含氧酸、活泼金属的可溶性含氧酸盐或可溶性强碱等）可增强水的导电性。本次研究选择容易获得的食盐作为电解质，食盐氯化钠是一种强电解质，在水中几乎可以完全电离出可以自由运动的钠离子和氯离子，且氯化钠本身不会在电解水的过程中发生化学变化，氯化钠的质量也不会发生改变。加入氯化钠使离子浓度增大，也就使溶液的导电性增强，电解更容易进行。

此反应阳极的电极反应式为4OH^-

4e^-＝2H₂O＋O₂↑，产物为氧气，是本次项目研究的补氧系统所需氧气的来源。阴极电极反应式为4H⁺＋4e^-＝2H₂↑，产物为氢气，氢气可以经过一定配气后被人体呼吸道直接吸入，作为临床呼吸治疗方案来使用，如图1所示。

2.2电解水系统结构

电解水系统的三位空间立体图和实物照片如图2所示，它主要由可移动电源、亚克力外壳、立式隔膜电解槽、功率控制器、气泵等组成。使用时在电解槽中加入配好的饱和食盐溶液进行电解。

图2 带功率控制器及间歇气体排放气泵的移动电解水系统

3．N95口罩呼吸系统电解水补氧系统

N95口罩电解水补氧装置系统主要由可移动电源、立式隔膜电解槽、气泵等装置组成。本产品通过电解槽内发生的电解水反应产生氢气和氧气，使用医用硅胶管将氧气输送到N95口罩内供佩戴者呼吸使用。该装置采用的可移动电源装置为12V电压的锂电池组构成，动态功率输出状态下可持续提供2~6h左右的供氧量需求，满功率状态下可提供1.5~3h左右的供氧需求。该装置的使用能够提高N95佩戴者的劳动作业时间，减少N95口罩的使用量，从而实现节能减排。针对新冠疫情防控呼吸机缺乏的国家和地区，能够作为临时呼吸机来进行使用，该装置电解产生的氢气即可以间歇式排空来保证装置系统的安全性，也可以通过排水法装置收集后用于呼吸疾病的医学治疗。

3.1工艺流程

如图3所示，使用蒸馏水配置饱和氯化钠溶液后加入到电解槽中，接通电源后打开功率控制器调整输出功率，阳极排出的氧气通入N95口罩内进行补氧，阴极产生的氢气通过气泵稀释后间歇排放或收集用于医用治疗，电解结束后先用蒸馏水冲洗3遍电解槽，再用净水冲洗，最后用蒸馏水冲净放置干燥，以备下次电解使用。

图3 N95口罩呼吸系统电解水补氧系统工艺流程图

3.2效果评价

N95口罩呼吸系统电解水补氧装置通过电解水反应将电能转化为化学能，产生的氧气和氢气为洁净能源，其工艺简单，产品纯度高，氢气、氧气纯度一般可达99.2%，产生的氧气通过医用硅胶管给N95口罩的佩戴者补氧，解决佩戴者吸入氧气的含量逐步降低导致缺氧问题来延长N95口罩佩戴时间。收集制得的氢气可以用于医学治疗，氢气具有选择性抗氧化作用，可以通过注射含氢盐水和饮用含氢水的方式预防和治疗如缺血再灌注损伤、器官移植损伤、神经变性疾病、动脉粥样硬化和代谢综合征等多种疾病。经过理论分析和实验研究，得到以下研究结论：
（1）N95口罩空腔的体积在90ml左右，根据正常人16~20次每分钟的呼吸频率，每分钟呼吸7~8L的空气量每次呼吸耗氧浓度约为5%，则每次呼吸空气量在400ml左右，每次呼吸的耗氧量约为20ml。考虑到N95口罩的口腔体积，则通过呼吸作用强制对流的空气量则310ml，则实际口罩内氧气浓度消耗为6.4%，比正常空气浓度低于1.4%。假定氧气的厚度为0.5mm，通过菲克扩散定律及动态分析计算，每分钟呼吸后口罩空腔的氧气浓度仅维持在18%左右。随着佩戴时间的增加，呼吸阻力增大，空腔氧气浓度会持续降低；

（2）经过上述计算结果的指导佩戴对照实验研究，通过学生及老师共50余次实验，得到数据如下表1。对本装置进行了实际佩戴测试，设计采用10000mAh的串联锂电池进行12V电压输出，电流输出在0.42A，全功率5w输出可保证补氧佩戴在1.5~3h；

表 1 便携式N95口罩电解水补氧装置测试对比

（3）由于氢气具有可压缩特性，间歇式排放气泵设置5分钟一次在开放空间进行敞开排放，保证其安全性，也可通过管道排放进行收集。

（4）本项目系统的造价费用不超过500元，通过后期进一步优化具有较低的生产成本，有利于投放市场进行使用。

表 2 便携式N95口罩电解水补氧装置部件明细

4、创新应用研究

N95口罩对空气动力学直径0.075微米的颗粒的过滤效率达到95%以上防护效果，可以有效防护颗粒物（细菌、病毒、粉尘等），但其呼吸阻力大不能长时间佩戴。水的电解获得氧气和氢气，已在世界各国较普遍地采用。电解水补氧系统可以解决N95口罩佩戴体验感不佳，使用时间短等问题，两者的结合有一定的创新性。同时因本装置向N95口罩内补充氧气，可以在口罩内形成正压，对于防止外界微生物入侵效果更好，进一步提高了口罩的安全系数。

N95口罩呼吸系统电解水补氧系统有以下特点：

电解水补氧系统可以增长口罩佩戴时间，有效提高医护人员及高强度劳动者的工作时间，节约N95口罩使用量，减少医护人员因频繁更换口罩带来的感染风险。特殊状况下可以作为简易氧气呼吸机来使用。

②本装置向N95口罩内补充氧气，可以在口罩内形成正压，对于防止外界微生物入侵效果更好，进一步提高了口罩的安全系数。

③该装置结构简单，方便携带，对颗粒物防护作用极好并且能持续的补氧，运行的成本低，可作为酒店等人员密集场所发生火灾时的急救用品，应用前景十分广泛。

参考文献

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