گاز اکسیژن یکی از پرکاربردترین گازهای فشرده در جهان است که در دو دسته‌ی اصلی اکسیژن صنعتی و اکسیژن پزشکی طبقه‌بندی می‌شود. تفاوت اصلی میان این دو نوع در میزان خلوص و کنترل دقیق ناخالصی‌هاست. در حالی که اکسیژن صنعتی برای فرآیندهایی مانند ذوب فلزات، برش با شعله، تولید شیشه یا واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌شود، اکسیژن پزشکی مستقیماً در تماس با بدن انسان بوده و برای تنفس بیماران، بیهوشی و درمان‌های تنفسی کاربرد دارد. از این رو، اندازه‌گیری دقیق خلوص اکسیژن و شناسایی ناخالصی‌ها نه‌تنها برای تضمین کیفیت محصول بلکه برای ایمنی بیماران و صحت فرآیندهای صنعتی حیاتی است.
در استانداردهای جهانی، اکسیژن پزشکی باید حداقل ۹۹٫۵٪ خلوص داشته باشد، در حالی که اکسیژن صنعتی معمولاً بین ۹۹٫۲٪ تا ۹۹٫۹٪ خالص است. تفاوت چند دهم درصدی در این مقادیر می‌تواند منجر به تغییرات عمده‌ای در عملکرد دستگاه‌ها، واکنش‌های شیمیایی یا اثر درمانی گاز شود. بنابراین، آزمایشگاه‌های گاز موظف‌اند با استفاده از روش‌های تحلیلی دقیق مانند کروماتوگرافی گازی (GC)، طیف‌سنجی جرمی (MS)، آنالیز نوری (NDIR) و سنسورهای الکتروشیمیایی میزان خلوص و نوع ناخالصی‌ها را با دقت بالا اندازه‌گیری کنند.
تفاوت ماهوی بین اکسیژن صنعتی و اکسیژن پزشکی از منظر خلوص
در فرآیند تولید اکسیژن، معمولاً از روش تقطیر جزء به جزء هوا در واحدهای تولید گاز مایع (ASU) استفاده می‌شود. این فرآیند، هوای فشرده را تا دمای بسیار پایین خنک کرده و سپس اجزای مختلف آن مانند نیتروژن، آرگون و اکسیژن را بر اساس نقطه جوش جدا می‌کند. محصول نهایی بسته به شرایط پالایش و فیلترها، می‌تواند برای کاربرد صنعتی یا پزشکی آماده شود.
در اکسیژن صنعتی، وجود مقادیر جزئی از نیتروژن یا آرگون قابل‌قبول است، زیرا اثر مستقیمی بر فرآیندهای حرارتی یا واکنش‌های شیمیایی ندارد. اما در اکسیژن پزشکی، حتی ذراتی با غلظت چند پی‌پی‌ام از گازهای سمی مانند CO (منوکسید کربن)، CO₂ (دی‌اکسید کربن) یا بخار روغن، می‌تواند خطرناک باشد. از این‌رو، روش‌های اندازه‌گیری خلوص گاز پزشکی بسیار دقیق‌تر، مستمرتر و تحت نظارت استانداردهای بین‌المللی مانند USP، EP و ISO 2046 انجام می‌شوند.
روش‌های مرسوم برای اندازه‌گیری خلوص گاز اکسیژن
تعیین خلوص اکسیژن با هدف شناسایی و کمّی‌سازی ناخالصی‌ها انجام می‌شود. ناخالصی‌ها معمولاً شامل نیتروژن، آرگون، هیدروکربن‌ها، رطوبت، CO و CO₂ هستند. در ادامه، متداول‌ترین و دقیق‌ترین روش‌های آنالیز معرفی می‌شوند.
۱. کروماتوگرافی گازی (Gas Chromatography – GC)
کروماتوگرافی گازی یکی از دقیق‌ترین و پرکاربردترین روش‌ها برای اندازه‌گیری خلوص گاز اکسیژن است. در این روش، نمونه‌ی گاز از ستون کروماتوگرافی عبور می‌کند که در آن جداسازی اجزای مختلف بر اساس برهم‌کنش فیزیکی و شیمیایی با فاز ساکن انجام می‌شود. هر جزء در زمان متفاوتی از ستون خارج شده و توسط دتکتورهایی مانند TCD (Detector Conductivity Detector) یا FID (Flame Ionization Detector) شناسایی می‌شود.
برای اکسیژن، از دتکتور TCD استفاده می‌شود که قادر به اندازه‌گیری گازهای غیرقابل اشتعال و خنثی است. حساسیت این روش در محدوده ppm تا ppb بوده و می‌تواند ناخالصی‌هایی مانند نیتروژن یا آرگون را با دقت بسیار بالا اندازه‌گیری کند.
در آزمایشگاه‌های معتبر مانند سپهر گاز کاویان، کروماتوگرافی گازی به‌عنوان روش مرجع در تعیین خلوص اکسیژن صنعتی و پزشکی استفاده می‌شود و نتایج آن مبنای صدور گواهی آنالیز (Certificate of Analysis) است.
۲. طیف‌سنجی جرمی (Mass Spectrometry – MS)
روش طیف‌سنجی جرمی یا Mass Spectrometry از پیشرفته‌ترین فناوری‌ها برای تعیین ترکیب شیمیایی گازها محسوب می‌شود. در این تکنیک، مولکول‌های گاز یونیزه شده و بر اساس نسبت جرم به بار (m/z) تفکیک می‌شوند. طیف حاصل، اطلاعات دقیقی از اجزای گاز و غلظت هرکدام ارائه می‌دهد.
در تحلیل اکسیژن، طیف‌سنجی جرمی می‌تواند ناخالصی‌هایی را تا حد ppb (قسمت در میلیارد) شناسایی کند، که این دقت برای گازهای پزشکی بسیار حیاتی است. علاوه بر این، این روش قادر به تشخیص گازهای غیرمعمول یا ترکیبات سمی است که ممکن است در فرآیند تولید یا ذخیره‌سازی ایجاد شوند.
۳. آنالیز با سنسورهای الکتروشیمیایی
در کاربردهای صنعتی و بیمارستانی که نیاز به اندازه‌گیری سریع و میدانی خلوص اکسیژن وجود دارد، از سنسورهای الکتروشیمیایی (Electrochemical Sensors) استفاده می‌شود. این سنسورها با واکنش الکتروشیمیایی بین اکسیژن و الکترودها، ولتاژی متناسب با غلظت اکسیژن تولید می‌کنند.
دقت آن‌ها معمولاً در حد ±۰٫۱٪ است و برای کنترل آنی خلوص در خطوط تولید، کپسول‌های پرشده یا سیستم‌های تنفسی بیمارستانی استفاده می‌شود. با وجود دقت کمتر نسبت به GC، مزیت بزرگ آن‌ها سرعت پاسخ بالا و قابلیت حمل است.
۴. طیف‌سنجی نوری (Optical Spectroscopy)
در روش‌های نوری مانند NDIR (Non-Dispersive Infrared) یا UV Absorption Spectroscopy، میزان جذب نور توسط مولکول‌های گاز در طول‌موج خاص اندازه‌گیری می‌شود. از آن‌جا که هر گاز دارای طیف جذب منحصر به فردی است، می‌توان با تحلیل آن میزان ناخالصی‌هایی مانند CO₂، H₂O یا NO را تعیین کرد.
طیف‌سنجی نوری در کارخانه‌های تولید اکسیژن و سیستم‌های نظارت پیوسته کاربرد دارد، زیرا بدون تماس مستقیم و با دقت بالا قادر به کنترل مداوم کیفیت گاز است.
کالیبراسیون و صحت‌سنجی تجهیزات اندازه‌گیری خلوص
یکی از مهم‌ترین عوامل در صحت نتایج اندازه‌گیری، کالیبراسیون تجهیزات با استفاده از گازهای مرجع استاندارد است. برای مثال، در کروماتوگرافی گازی باید از مخلوط‌های گازی استاندارد کالیبراسیون (Calibration Gas Mixtures) استفاده شود که غلظت دقیق اجزای آن توسط آزمایشگاه‌های دارای گواهی ISO/IEC 17025 تأیید شده است.
شرکت‌هایی مانند سپهر گاز کاویان به عنوان تولیدکننده گازهای کالیبراسیون با دقت بالا، مخلوط‌های مرجعی متناسب با نیاز دستگاه‌های GC، MS یا سنسورهای الکتروشیمیایی عرضه می‌کنند. کالیبراسیون منظم تضمین می‌کند که اندازه‌گیری‌ها در محدوده‌ی مجاز خطا باقی بمانند و تطابق با استانداردهای بین‌المللی حفظ شود.
شناسایی و کنترل ناخالصی‌های رایج در اکسیژن
ناخالصی‌های موجود در گاز اکسیژن معمولاً از فرآیند تولید، ذخیره‌سازی یا انتقال ناشی می‌شوند. مهم‌ترین ناخالصی‌های قابل اندازه‌گیری عبارتند از:
نیتروژن (N₂): شایع‌ترین ناخالصی، که در اثر جداسازی ناقص در واحد ASU ایجاد می‌شود.
آرگون (Ar): معمولاً در حد چند ده ppm حضور دارد و بی‌اثر است.
رطوبت (H₂O): باعث خوردگی تجهیزات و کاهش عملکرد دستگاه‌های پزشکی می‌شود.
CO و CO₂: وجود آن‌ها حتی در مقادیر کم در اکسیژن پزشکی خطرناک است و باید زیر ۵ ppm باشد.
هیدروکربن‌ها (CH₄ و سایر): ناشی از روغن کمپرسورها یا آلودگی در خطوط انتقال.
برای حذف این ناخالصی‌ها، فیلترهای جذب‌کننده (adsorber) و خشک‌کن‌های مولکولی در خطوط تولید نصب می‌شوند و خروجی آن‌ها به‌طور منظم توسط دستگاه‌های GC و NDIR کنترل می‌گردد.
استانداردهای بین‌المللی و الزامات آزمایشگاهی
استانداردهای بین‌المللی متعددی معیارهای دقیق برای اندازه‌گیری خلوص اکسیژن تعیین کرده‌اند، از جمله:
ISO 2046: استاندارد عمومی برای مشخصات اکسیژن صنعتی
European Pharmacopoeia (EP): مشخصات کیفی اکسیژن پزشکی
United States Pharmacopeia (USP): الزامات ترکیب و آزمون اکسیژن پزشکی
ISO/IEC 17025: الزامات صلاحیت آزمایشگاه‌های آزمون و کالیبراسیون
آزمایشگاه‌هایی که در زمینه‌ی آنالیز گاز فعالیت دارند، باید با رعایت این استانداردها نتایج قابل‌اعتماد، قابل‌ردیابی و دارای اعتبار بین‌المللی ارائه دهند. گواهی‌های صادرشده شامل جزئیات کامل درصد خلوص، نوع ناخالصی‌ها، روش اندازه‌گیری و تاریخ کالیبراسیون تجهیزات است.
نقش آزمایشگاه‌های تخصصی در پایش خلوص گاز اکسیژن
آزمایشگاه‌های تخصصی مانند آزمایشگاه سپهر گاز کاویان با بهره‌گیری از تجهیزات پیشرفته GC، MS و طیف‌سنجی نوری، خدمات جامع آنالیز گاز ارائه می‌دهند. این آزمایشگاه‌ها علاوه بر سنجش خلوص، خدمات نمونه‌برداری از سیلندرها، بررسی فشار، انجام تست نشتی و آزمون هیدرواستاتیک را نیز انجام می‌دهند.
نمونه‌برداری از سیلندر باید با دقت بالا و در شرایط ایمن انجام شود تا هیچگونه آلودگی محیطی در نمونه وارد نشود. سپس نمونه در شرایط استاندارد دما و فشار به آزمایشگاه منتقل و مورد آنالیز کمی قرار می‌گیرد. نتایج در قالب گزارش رسمی با ذکر روش آزمون، شماره سریال سیلندر و مشخصات تولیدکننده ارائه می‌شود.