Gaz respiratoire

L'oxygène (O₂) doit être présent dans chaque gaz respiratoire[1] - [2] - [3]. C'est parce qu'il est essentiel au processus métabolique du corps humain, qui soutient la vie. Le corps humain ne peut stocker l'oxygène pour une utilisation ultérieure comme il le fait avec la nourriture. Si le corps est privé d'oxygène pendant plus de quelques minutes, cela peut provoquer l'inconscience et la mort. Les tissus et organes du corps (notamment le cœur et le cerveau) sont endommagés s'ils sont privés d'oxygène pendant plus de quatre minutes.

Remplir une bouteille de plongée avec de l'oxygène pur coûte environ cinq fois plus que de le remplir d'air comprimé. Comme l'oxygène favorise la combustion et provoque la rouille dans les bouteilles de plongée, il doit être manipulé avec précaution lors du mélange de gaz[4] - [5].

L'oxygène a été historiquement obtenu par distillation fractionnée de l'air liquide, mais il est de plus en plus obtenu par des technologies non cryogéniques telles que l'adsorption par inversion de pression (PSA ou Pressure Swing Adsorption) et l'adsorption par oscillation sous vide (VPSA ou Vacuum Pressure Swing Adsorption)[18].

La fraction de la composante oxygène d'un mélange de gaz respiratoire est parfois utilisée pour nommer le mélange :

• les mélanges hypoxiques contiennent strictement moins de 21 % d'oxygène bien que l'on utilise souvent une limite de 16 % et sont conçus uniquement pour être respirés en profondeur sous la forme d'un «gaz de fond» où la pression plus élevée augmente la pression partielle d'oxygène vers un niveau de sécurité[1] - [2] - [3]. Le Trimix, l'Héliox et l'Héliair sont des mélanges de gaz couramment utilisés pour les mélanges hypoxiques et sont utilisés dans la plongée professionnelle et technique comme les gaz respiratoires profonds[1] - [3] ;
• les mélanges normoxiques ont la même proportion d'oxygène que l'air, 21 %[1] - [3]. La profondeur maximale de fonctionnement d'un mélange normoxique pourrait être aussi profond que 47 mètres. Le Trimix avec entre 17 % et 21 % d'oxygène est souvent décrit comme normoxique parce qu'il contient une proportion suffisante d'oxygène pour être sûr de respirer à la surface ;
• les mélanges hyperoxiques contiennent plus de 21 % d'oxygène. L'air enrichi Nitrox (EANx) est un gaz respiratoire hyperoxique typique[1] - [3] - [11]. Les mélanges d'hyperoxiques, par rapport à l'air, causent la toxicité de l'oxygène à des profondeurs moins profondes mais peuvent être utilisés pour raccourcir des paliers de décompression en dessin des gaz inertes dissous hors du corps plus rapidement[8] - [11].

La fraction de l'oxygène détermine la plus grande profondeur à laquelle le mélange peut être utilisé en toute sécurité pour éviter la toxicité de l'oxygène. Cette profondeur est appelée profondeur maximum d'utilisation[1] - [3] - [8] - [11].

La concentration d'oxygène dans un mélange gazeux dépend de la fraction et de la pression du mélange. Il est exprimé par la pression partielle d'oxygène (ppO₂)[1] - [3] - [8] - [11].

La pression partielle de tout gaz composant dans un mélange est calculée comme suit :

Pression partielle = pression absolue totale × fraction volumique de la composante gazeuse

Pour la composante oxygène,
PpO² = P × FO²
où:
PpO² = pression partielle d'oxygène
P = pression totale
FO² = fraction volumique de la teneur en oxygène

La pression partielle minimale d'oxygène dans un gaz respiratoire est généralement de 16 kPa (0,16 bar). En dessous de cette pression partielle, le plongeur risque de perdre connaissance et de mourir en raison de l'hypoxie, en fonction de facteurs tels que la physiologie individuelle et le niveau d'effort. Lorsqu'un mélange hypoxique est insufflé dans l'eau peu profonde, il peut ne pas avoir une PpO² suffisamment élevée pour garder le plongeur conscient. Pour cette raison, les «gaz de voyage» (travel gaz) normoxiques ou hyperoxiques sont utilisés à une profondeur moyenne entre les phases « de fond » et « de décompression » de la plongée.

Le maximum de sécurité PpO² dans un gaz respiratoire dépend du temps d'exposition, du niveau d'exercice et de la sécurité de l'équipement respiratoire utilisé. Il est typiquement entre 100 kPa (1 bar) et 160 kPa (1,6 bar). Pour les plongées de moins de trois heures, il est communément considéré comme étant de 140 kPa (1,4 bar), bien que l'US Navy ait été autorisé à plonger avec une PpO² de 180 kPa (1,8 bar)[1] - [2] - [3] - [8] - [11]. Pour des expositions élevées de PpO² ou plus, le plongeur risque de présenter une toxicité à l'oxygène qui peut entraîner une crise[1] - [2]. Chaque gaz respirable a une profondeur de fonctionnement maximale qui est déterminée par sa teneur en oxygène[1] - [2] - [3] - [8] - [11]. Pour la recompression thérapeutique et l'oxygénothérapie hyperbare, des pressions partielles de 2,8 bars sont couramment utilisées dans la chambre, mais il n'y a pas de risque de noyade si l'occupant perd conscience.

Les analyseurs d'oxygène sont utilisés pour mesurer la PpO² dans le mélange de gaz[4].

« Divox » est l'oxygène. Aux Pays-Bas, l'oxygène pur pour la respiration est considéré comme un médicament par opposition à l'oxygène industriel, comme celui utilisé dans la soudure, et est uniquement disponible sur prescription médicale. L'industrie de la plongée a enregistré le Divox comme marque de commerce pour respirer de l'oxygène de qualité pour contourner les règles strictes concernant l'oxygène médicinal, ce qui rend plus facile pour les plongeurs (récréatifs) d'obtenir de l'oxygène pour mélanger leur gaz respiratoire. Dans la plupart des pays, il n'y a aucune différence de pureté dans l'oxygène médical et l'oxygène industriel, car ils sont produits par exactement les mêmes méthodes et fabricants, mais étiquetés et embouteillés différemment. La principale différence entre eux est que la piste de garde papier est beaucoup plus étendue pour l'oxygène médical, afin d'identifier plus facilement la trace de fabrication exacte d'un « lot » ou d'un lot d'oxygène, au cas où des problèmes de pureté seraient découverts. L'oxygène de qualité aviation est semblable à l'oxygène médical, mais peut avoir une teneur en humidité plus faible[4].

L'azote (N₂) est un gaz diatomique et la principale composante de l'air, le gaz respiratoire le moins cher et le plus commun utilisé pour la plongée. Il cause la narcose à l'azote dans le plongeur, ainsi son utilisation est limitée aux plongées moins profondes. L'azote peut causer la maladie de décompression[1] - [2] - [3] - [19].

La profondeur équivalente air est utilisée pour estimer les besoins de décompression d'un mélange nitrox (oxygène/azote).

La profondeur narcotique équivalente est utilisée pour estimer la puissance narcotique du trimix (mélange oxygène/hélium/azote). Beaucoup de plongeurs constatent que le niveau de la narcose causée par une plongée de 30 m, tout en respirant l'air, est un maximum confortable[1] - [2] - [3] - [20] - [21].

L'azote dans un mélange de gaz est presque toujours obtenu en ajoutant de l'air au mélange.

L'hélium (He) est un gaz inerte qui est moins narcotique que l'azote à pression équivalente (en fait il n'y a aucune preuve de narcose de l'hélium du tout), il est donc plus approprié pour les plongées plus profondes que l'azote. L'hélium est également capable de causer la maladie de décompression. À des pressions élevées, l'hélium provoque également le syndrome nerveux des hautes pressions, qui est un syndrome d'irritation du système nerveux central qui est en quelque sorte opposé à la narcose[1] - [2] - [3] - [22].

Les remplissages d'hélium coûtent généralement dix fois plus qu'un remplissage d'air équivalent.

L'hélium n'est pas très approprié pour l'inflation de la combinaison sèche en raison de ses mauvaises propriétés d'isolation thermique — l'hélium est un très bon conducteur de la chaleur (par rapport à l'air). La faible masse molaire de l'hélium (4 g/mol, comparée au diazote (28 g/mol) et au dioxygène (32 g/mol) augmente le timbre de la voix du plongeur, ce qui peut entraver la communication[1] - [3] - [23]. Cela est dû au fait que la vitesse du son est plus rapide dans un gaz de poids moléculaire inférieur, ce qui augmente la fréquence de résonance des cordes vocales[1] - [23]. L'hélium s'échappe plus facilement des vannes endommagées ou défectueuses que les autres gaz, car les atomes d'hélium sont plus petits, ce qui leur permet de traverser de plus petites fentes dans les joints.

L'hélium ne se trouve en quantités significatives que dans le gaz naturel, d'où il est extrait à basse température par distillation fractionnée.

Le néon (Ne) est un gaz inerte parfois utilisé dans la plongée commerciale profonde mais qui est très coûteux[1] - [3] - [12] - [17]. Comme l'hélium, il est moins narcotique que l'azote, mais contrairement à l'hélium, il ne déforme pas la voix du plongeur.

L'hydrogène (H₂) a été utilisé dans les mélanges de gaz de plongée profonde, mais il est très explosif lorsqu'il est mélangé avec plus de 4 à 5 % d'oxygène (tel que l'oxygène dans le gaz respiratoire)[1] - [3] - [12] - [14]. Cela limite l'utilisation de l'hydrogène dans les plongées profondes et impose des protocoles compliqués pour s'assurer que l'excès d'oxygène est éliminé de l'équipement respiratoire avant que l'hydrogène ne commence à être respirer. Comme l'hélium, il élève le timbre de la voix du plongeur. Le mélange d'hydrogène et d'oxygène lorsqu'il est utilisé comme gaz de plongée est parfois appelé Hydrox. Des mélanges contenant à la fois l'hydrogène et l'hélium comme diluants sont appelés Hydreliox.

L'argon (Ar) est un gaz inerte qui est plus narcotique que l'azote, ce qui n'est généralement pas approprié comme un gaz respiratoire de plongée[25]. L'Argox est utilisé pour la recherche de décompression[1] - [3] - [26] - [27]. Il est parfois utilisé pour le gonflage des vêtements secs par des plongeurs dont le gaz respiratoire primaire est à base d'hélium, en raison des bonnes propriétés d'isolation thermique de l'argon. L'argon est plus cher que l'air ou l'oxygène, mais beaucoup moins cher que l'hélium.

Le dioxyde de carbone (CO₂) est produit par le métabolisme dans le corps humain et peut causer l'empoisonnement de dioxyde de carbone[24] - [28] - [29]. Lorsque le gaz respiratoire est recyclé dans un système de recycleur, le dioxyde de carbone est éliminé par des épurateurs avant que le gaz ne soit réutilisé.

Le monoxyde de carbone (CO) est produit par combustion incomplète[1] - [2] - [5] - [24]. Voir l'intoxication au monoxyde de carbone.

Quatre sources communes sont :

• gaz d'échappement du moteur à combustion interne contenant du CO dans l'air aspiré dans un compresseur d'air de plongée. Le CO dans l'air d'admission ne peut être arrêté par aucun filtre. Les échappements de tous les moteurs à combustion interne fonctionnant avec des carburants pétroliers contiennent du CO, ce qui constitue un problème particulier pour les bateaux, où l'admission du compresseur ne peut pas être déplacée arbitrairement au niveau souhaité par les échappements du moteur et du compresseur ;
• le chauffage des lubrifiants à l'intérieur du compresseur peut les vaporiser suffisamment pour être disponibles à une prise d'air du système d'admission ou d'admission du compresseur ;
• dans certains cas, l'huile lubrifiante d'hydrocarbures peut être aspirée dans le cylindre du compresseur directement par les joints endommagés ou usés, et l'huile peut (et habituellement) subira alors la combustion, en étant allumée par le taux de compression immense et la montée subséquente de température. Étant donné que les huiles lourdes ne brûlent pas bien — surtout lorsqu'elles ne sont pas atomisées correctement — la combustion incomplète se traduira par la production de monoxyde de carbone ;
• on pense qu'un processus similaire peut se produire à n'importe quel matériau particulaire, qui contient de la matière « organique » (contenant du carbone), en particulier dans des cylindres qui sont utilisés pour des mélanges de gaz hyperoxique. Si le(s) filtre(s) d'air du compresseur échouent, de la poussière ordinaire sera introduite dans le cylindre, qui contient de la matière organique (car elle contient habituellement de l'humus). Un danger plus grave est que les particules d'air dans les bateaux et les zones industrielles, où les bouteilles sont remplies, contiennent souvent des produits de combustion de particules de carbone (ce qui rend un chiffon noir de saleté) et qui représentent un danger de CO plus grave lorsqu'ils sont introduits dans un cylindre.

Les hydrocarbures (C_xH_y) sont présents dans les lubrifiants et les carburants des compresseurs. Ils peuvent pénétrer dans les bouteilles de plongée à la suite d'une contamination, de fuites ou d'une combustion incomplète près de la prise d'air[2] - [4] - [5] - [24] - [30].

• Ils peuvent agir comme un combustible dans la combustion augmentant le risque d'explosion, en particulier dans les mélanges de gaz oxygène élevé.
• L'inhalation de brouillard d'huile peut endommager les poumons et, en fin de compte, provoquer une dégénérescence des poumons avec une grave pneumonie lipidique ou un emphysème.

• Plongée sous-marine