Hóa học của khí trong bình dưỡng khí lặn

Hầu hết các hoạt động lặn biển đều được thực hiện bằng khí nén. Tuy nhiên, cũng có những hỗn hợp khí khác nhau có thể được sử dụng khi lặn biển. Khi sử dụng các loại khí này, khả năng phân tích chúng rất quan trọng khi lập kế hoạch lặn. Vì vậy, trong bài viết này chúng ta sẽ đề cập đến các loại khí được sử dụng trong bình dưỡng khí lặn. Bạn hãy giành ít thời gian để theo dõi nhé!

Đôi nét

Theo wikipedia thì lặn bằng bình dưỡng khí (scuba diving) là một chế độ lặn dưới nước trong đó người lặn sử dụng một thiết bị hoàn toàn độc lập với nguồn cung cấp bề mặt để thở dưới nước. Tên “scuba”, từ viết tắt của ” Dụng cụ thở dưới nước tự chứa “, được sử dụng lần đầu tiên bởi Christian J. Lambertsen trong một bằng sáng chế được đệ trình vào năm 1952. Những người lặn biển mang theo nguồn khí thở riêng của họ, thường là khí nén, cho phép họ độc lập và tự do di chuyển hơn so với thợ lặn được cung cấp trên bề mặt và sức chịu đựng dưới nước lâu hơn so với thợ lặn nín thở.

Lặn có bình dưỡng khí có thể được thực hiện để giải trí hoặc chuyên nghiệp trong một số ứng dụng, bao gồm các vai trò khoa học, quân sự và an toàn công cộng, nhưng hầu hết các hoạt động lặn thương mại đều sử dụng thiết bị lặn được cung cấp trên bề mặt khi điều này có thể thực hiện được. Những người lặn biển tham gia vào các hoạt động bí mật của lực lượng vũ trang có thể được gọi là người nhái, thợ lặn chiến đấu hoặc người bơi tấn công. 

Áp suất và độ hòa tan

Đối với chất rắn và chất lỏng, được gọi là pha ngưng tụ, sự phụ thuộc áp suất của độ hòa tan thường yếu và thường bị bỏ qua trong thực tế. Tuy nhiên, độ hòa tan của các chất khí cho thấy sự thay đổi đáng kể dựa trên áp suất. Thông thường, một chất khí sẽ tăng độ hòa tan khi áp suất tăng. Hiệu ứng này có thể được mô tả về mặt toán học bằng cách sử dụng một phương trình gọi là định luật Henry.

Định luật Henry cho biết độ hòa tan của một chất khí trong chất lỏng tỷ lệ thuận với áp suất riêng phần của chất khí trên chất lỏng.

Mối quan hệ của độ sâu dưới nước, lượng khí và áp suất khí. Ảnh Jonathan Mallen

Các ứng dụng của tính hòa tan khí

Để những người thợ lặn biển sâu có thể thở dưới nước, họ phải hít không khí có độ nén cao ở vùng nước sâu, dẫn đến lượng nitơ hòa tan trong máu, mô và khớp của họ nhiều hơn. Nếu một thợ lặn quay trở lại bề mặt quá nhanh, khí nitơ sẽ khuếch tán ra khỏi máu quá nhanh, gây đau đớn và có thể tử vong. Điều kiện này được gọi là “khúc cua”.

Để ngăn chặn các khúc cua, một thợ lặn phải quay trở lại bề mặt từ từ, để các khí sẽ điều chỉnh để giảm áp suất một phần và khuếch tán chậm hơn. Một thợ lặn cũng có thể hít thở một hỗn hợp khí nén khí helium và khí oxy, vì helium chỉ hòa tan trong máu bằng 1/5 so với nitơ.

Ở dưới nước, cơ thể chúng ta tương tự như một chai nước ngọt chịu áp lực. Hãy tưởng tượng bạn đánh rơi cái chai và cố gắng mở nó ra. Để soda không bị trào ra ngoài, bạn mở nắp từ từ để áp suất giảm dần. Trên cạn, chúng ta hít thở khoảng 78% nitơ và 21% oxy, nhưng cơ thể chúng ta sử dụng hầu hết là oxy. 

Tuy nhiên, khi chúng ta ở dưới nước, áp suất cao của nước xung quanh cơ thể khiến nitơ tích tụ trong máu và các mô của chúng ta. Giống như trong trường hợp của chai nước ngọt, nếu chúng ta di chuyển xung quanh hoặc lên khỏi mặt nước quá nhanh, nitơ sẽ được giải phóng khỏi cơ thể chúng ta quá nhanh, tạo ra các bong bóng trong máu và gây ra “các khúc quanh”.

Các loại bình dưỡng khí

Air (không khí)

Air chứa 78% nitơ, 21% oxy và 1% khí khác, là khí được lựa chọn cho mọi khu nghỉ dưỡng lặn trên thế giới. Tại sao? Nó chứa đủ oxy để duy trì chúng ta dưới nước, và vì nó ở xung quanh chúng ta, nên nó rất rẻ. Nhược điểm là trong thời gian lặn xuống và dưới đáy, các mô của chúng ta đang hấp thụ nitơ. 

Khi đi lên, các mô giải phóng lượng nitơ bổ sung này trong một quá trình được gọi là thoát khí. Tải lượng nitơ giới hạn thời gian chạm đáy của các thợ lặn giải trí và tốc độ trồi lên của họ. Cũng có những hạn chế về độ sâu, vì nitơ trở nên mê hoặc khi bạn lặn sâu hơn. Điều này ngày càng trở nên suy yếu, vì vậy độ sâu tối đa để lặn giải trí là 40 m. Bản thân không khí trở nên độc hại khi chúng ta đi xa hơn 56 m.

Bình air, và bình nitrox (EAN32 và EAN36). Ảnh: Island Divers Hawaii

Nitrox

Nitrox chứa từ 22 đến 40 phần trăm oxy. Hỗn hợp phổ biến nhất là 32% và 36% oxy, còn được gọi là EAN32 và EAN36. Nhiều người nghĩ rằng nitrox cho phép bạn lặn sâu hơn và ở dưới lâu hơn, nhưng điều này đơn giản là không đúng. Nitrox là một loại khí lặn ở nông. Mặc dù nó có thể mở rộng giới hạn không giải nén (gọi tắt là NDL) so với không khí, bạn vẫn hít thở với tốc độ tương tự, vì vậy bạn sẽ vẫn hít thở bình chứa với tốc độ tương tự.

Bởi vì nitrox chứa nhiều oxy hơn, nó chứa ít nitơ hơn. Điều này có nghĩa là cơ thể bạn hấp thụ ít nitơ hơn ở độ sâu nhất định so với khi lặn trên không, điều này giải thích tại sao bạn có thể kéo dài NDL của mình. Nhưng ở lâu hơn với lượng nitơ ít hơn trong bể sẽ vẫn tạo ra nguy cơ nén tương tự như sử dụng không khí trong một khoảng thời gian ngắn hơn ở độ sâu nhất định. Bởi vì oxy trở nên độc hại khi độ sâu tăng dần, mỗi hỗn hợp nitrox có độ sâu tối đa cho một lần lặn cụ thể, với độ sâu tối đa nông hơn không khí.

Trimix

Bây giờ chúng ta đã đi vào lãnh thổ kỹ thuật lặn. Trimix là hỗn hợp của oxy, nitơ và heli. Tại sao lại thêm heli? Chà, chúng ta biết rằng nitơ sẽ trở nên mê man khi chúng ta lặn sâu hơn. Helium là một loại khí trơ, có nghĩa là nó không phản ứng với cơ thể chúng ta ở độ sâu lặn thông thường. Vì vậy, nếu chúng ta thay thế một số nitơ bằng heli, chúng ta có thể lặn sâu hơn và vẫn có một cái nhìn rõ ràng.

Cái gọi là trimix normoxic cho phép thợ lặn làm được điều đó. Một hỗn hợp phổ biến là 21/35, có 21% oxy, 35% heli và 44% nitơ. Một hỗn hợp phổ biến khác là 18/45, với 18% oxy và 45% heli. Những hỗn hợp này cho phép các thợ lặn kỹ thuật lượn lờ ở độ sâu lên tới 60 m – và thực sự ghi nhớ lần lặn của họ.

Năm 2001, John Bennett trở thành thợ lặn đầu tiên lặn xuống độ sâu 305 mét bằng cách sử dụng trimix.

Lặn sâu hơn 60 m yêu cầu trimix giảm oxy. Trong hỗn hợp này, heli thay thế một số hàm lượng nitơ và oxy. Làm như vậy sẽ giảm nguy cơ nhiễm độc oxy ở độ sâu khoảng 100m. Hỗn hợp thiếu oxy điển hình ở độ sâu này sẽ là 10/70 (10% oxy và 70% heli).

Heliox

Heliox là một hỗn hợp của 80% heli và 20% oxy và thường được sử dụng trong lặn bão hòa và lặn sâu. Trong lặn bão hòa, các heli có thể làm cho thợ lặn tạo ra âm thanh rất cao the thé và họ có thể cần phải có tiếng nói của họ ‘ phá rối’ trên bề mặt để mọi người có thể hiểu được họ.

Argox (argon và oxy) và hydrox (hydro và oxy) cũng có thể về mặt lý thuyết được sử dụng, nhưng heliox thường xuyên nhất được sử dụng khi lặn vì nó là ít nguy hiểm.

Bạn có biết rằng heliox cũng được sử dụng trong y tế? Hỗn hợp heli và oxy làm giảm sức cản của luồng không khí và có thể được sử dụng để giúp những người bị bệnh phổi thở dễ dàng hơn.

Các loại bình khác…

Ngành công nghiệp lặn thương mại thường sử dụng heliox thay cho trimix. Hỗn hợp heli và oxy này có thể được sử dụng ở độ sâu lên đến 300 m. Bất kỳ độ sâu nào hơn thế nữa đòi hỏi các thợ lặn phải thay thế heli bằng hydro. Helium trở nên gây mê ở những độ sâu này, và cơ thể dễ mắc Hội chứng thần kinh áp suất cao (HPNS). 

Hydrox là hỗn hợp của hydro và oxy. Các thợ lặn thương mại thử nghiệm, đặt đường ống dẫn dầu và khí đốt ở độ sâu 534 m, đã sử dụng khí này. Nhưng điều đó chẳng là gì nếu tên bạn là Theo Mavrostomos. Anh đã đạt được kỷ lục lặn mô phỏng ở độ cao 701 m trong một khoang siêu âm trên bờ.

Bài viết đến đây là hết rồi. Hi vọng sẽ giúp ích cho các bạn phần nào trong tương lai. Lần sau nếu có ai hỏi về chủ đề này thì hãy nhớ về hóa học đằng sau chúng nhé!

Tham khảo Wikipedia, Scubadiverlife, Lumen, ScubadoctorC&EN.

Đăng ký Bản tin
BÀI ĐĂNG MỚI

Đăng ký danh sách gửi thư của chúng tôi và nhận những nội dung thú vị và cập nhật vào hộp thư đến email của bạn.

Cảm ơn bạn đã đăng ký.

Đã xảy ra lỗi.

Share: