对抗新冠病毒 从空气中制取氧气的廉价技术

向医院供应的液态氧气需要经过一系列制备过程,这需要耗费大量能源(盖蒂图像)
向医院供应的液态氧气需要经过一系列制备过程,这需要耗费大量能源(盖蒂图像)

长期以来,世界一直认为获得氧气是一项人权;但新冠大流行表明,在大多数低收入和中等收入国家中,获得氧气——以其纯粹的医疗用途形式——已成为一种奢侈。

剑桥大学分子工程与先进材料实验室学术研究员大卫·费林·吉米尼兹在澳大利亚网站“对话”上发表的报告中表示,获得用于医疗的氧气是一个复杂、昂贵且有时是有风险的过程,印度正在发生的事情就是最好的证明,该国遭遇第二波疫情重创,死亡人数超过 20 万人,并出现了氧气供应危机。

由于当前的危机,印度人转向黑市以高价购买氧气。这场危机的部分原因是在世界范围内制造、储存和运输医用氧气方法问题,该局势促使科学家们努力寻找更便宜的替代品。

障碍

氧气通常是从液化空气中获取,工程师利用一系列过程将我们呼吸的空气转化为液体,然后蒸馏以分离空气中的元素,其中包括氧气。

但这个过程需要大量的能源和庞大的工业设施,因此,工厂分布在世界上少数几个国家,大部分在北半球,与此同时,液氧也必须在高压下储存和运输;这会造成严重的后勤问题和安全问题,因为氧气是一种潜在的爆炸性物质。

这意味着氧气生产过程中的主要障碍在于储存氧气的容器,美国依靠高压管运输加压氧气,而欧洲则使用巨大储存罐来运输液氧。

在低收入国家中,氧气被分配到仅由少数化学公司制造的气瓶中,安全处理液氧需要许多预防措施和适当的培训。

事实上,发展中国家缺乏生产液氧的基础设施,并缺乏将液氧轻松且低廉运送至各地医院的方法。

选择

作者指出,另一种医用氧气的制造方法是使用制氧机器,即通过使用一系列膜、多孔材料和过滤器去除氮气——占空气78% 的一种气体,这是一项经过充分研究的技术,始于 70 年代中期。

这些设备将空气中的氧气浓度提高了 95% 以上,而该设备的优点是可以小规模生产,方便在医院或疗养院中使用,现在已经可以商业化购买;但这些设备价格昂贵,而且难以在发展中国家制造。

作者表示,他的团队正在研究新型材料,无需过高成本即可储存气体,并能分离空气中各种成分,他们的研究包括开发两种主要类型的多孔材料,即沸石(硅、铝和氧的晶体)和金属有机框架材料(MOFs)。

这些多孔材料就像海绵一样储存大量液体,虽然沸石和金属有机框架材料孔隙可能看起来很小;然而,这些材料的总表面积是巨大的,一克MOFs的标准面积为7000多平方米,这两种材料此前已被开发用于储气、净化、碳捕集和集水。

与剑桥精密工程(Cambridge Precision)公司和全球平等中心公司(Centre for Global Equality)合作,吉米尼兹团队部分成员着手研究这两种材料在储存氧气方面的可用性,并成功开发出最初模型,他们希望在两个月内开发出最终形式,并开始寻求批准将其用于医疗目的。

作用机制

作者解释说,他的团队项目依赖于空气流通过一个充满多孔材料的铝制圆柱体,从而可以净化高达 95% 的氧气,其余部分由氩气组成。

由于电荷在原子中的分布方式,氮被困在沸石中;也就是说,与氧气和氩气相比,氮气与沸石的电场相互作用更强。因此,氮气仍被困在数百万个小孔中,然后在氧气储存后被排空。

研发团队通常通过剑桥大学非物质公司(immaterial)推销多孔材料。尽管如此,在全球大流行期间通过销售氧气赚取巨额利润被认为是不道德行为。

例如,在非洲,氧气的价格是欧洲和美国氧气价格的 5 倍;因此,吉米尼兹团队与非物质公司(immaterial)以及剑桥大学的其他科学家合作,发起了一项制造和开发制氧设备和“呼吸机”(OVSI)的计划,旨在以合理价格开发和制造医用氧气。

作者表示,他预计制氧设备在新冠大流行结束后将变得低廉,因为氧气供应对于治疗儿童肺炎和慢性肺病至关重要,这两种疾病都会导致大量患者死亡,因这两种疾病死亡的人数超过艾滋病或疟疾等疾病的死亡人数。

来源 : 澳大利亚媒体

相关文章

更多科技内容
点击最多