Gewoon lucht?

Gewoon lucht

Tijdens introductieduiken vertel ik beginnende duikers bijna altijd hetzelfde: in een duikfles zit geen zuurstof en ook geen bijzonder ademgas. Er zit gewoon lucht in. Dezelfde lucht die we hier aan de oppervlakte inademen en die we al ons hele leven ademen. Niets bijzonders. Het enige bijzondere is dat we er heel veel van in een relatief kleine fles hebben geperst. Dat stelt mensen vaak gerust. En in essentie klopt het ook.

Maar dit doet het werk dat op een vulstation gebeurt tegelijkertijd behoorlijk tekort. Want er komt heel wat meer bij kijken dan alleen lucht in een fles persen. Er is specialistische en behoorlijk kostbare apparatuur voor nodig: niet alleen een compressor, maar ook allerlei randapparatuur om ervoor te zorgen dat de lucht uiteindelijk geschikt is om onder water in te ademen.

Tussen de buitenlucht die een compressor aanzuigt en de ademlucht die uiteindelijk onder hoge druk in je duikfles terechtkomt, gebeurt namelijk nogal wat. Die lucht moet in verschillende stappen worden samengeperst, tussendoor worden gekoeld, van water en olie worden ontdaan en uiteindelijk door een filtersysteem worden geleid. Daarbij moeten we voorkomen dat verontreinigingen uit de omgeving of uit het compressieproces zelf in de ademlucht terechtkomen. En vervolgens moeten we ook nog kunnen controleren of het eindproduct daadwerkelijk schoon genoeg is om onder water in te ademen. Een duikfles vullen is dus inderdaad vooral heel veel gewone lucht in een fles persen.

Wat is lucht eigenlijk?

Ons hele leven speelt zich af in lucht. Vanaf onze eerste ademhaling kort na de geboorte tot onze laatste ademteug zijn we er voortdurend door omringd. We bewegen erin, werken erin, slapen erin en ademen haar iedere paar seconden in en uit. Juist omdat lucht altijd en overal aanwezig is, staan we er eigenlijk zelden bij stil.

Duiken is een van de uitzonderingen. Zodra we onder water verdwijnen, verlaten we de omgeving waarin ons lichaam normaal gesproken functioneert. Ineens moeten we de lucht die we nodig hebben zelf meenemen. Hetzelfde geldt, nog veel extremer, voor de ruimtevaart. Onder water en in de ruimte wordt iets wat aan de oppervlakte volkomen vanzelfsprekend is ineens een eerste levensbehoefte die we technisch moeten organiseren. Maar wat is lucht eigenlijk?

Lucht is geen enkele stof, maar een mengsel van verschillende gassen. Als we waterdamp buiten beschouwing laten, bestaat gewone droge lucht voor ongeveer 78% uit stikstof en 21% uit zuurstof. Het kleine beetje dat overblijft bestaat voornamelijk uit argon, met daarnaast ongeveer 0,04% koolstofdioxide (CO₂) en sporen van andere gassen. Dat klinkt alsof lucht overal hetzelfde is. En voor de belangrijkste bestanddelen is dat verrassend genoeg ook ongeveer zo. De verhouding tussen stikstof en zuurstof verandert niet ineens omdat je op Curaçao, in Nederland of hoog in de bergen staat.

Maar lucht is nooit alleen dat keurige rijtje gassen uit het scheikundeboek. Buitenlucht bevat ook waterdamp, en de hoeveelheid daarvan kan enorm verschillen. Hoe warmer de lucht, hoe meer waterdamp deze kan bevatten. In warme, vochtige tropische gebieden, zoals het Caribisch gebied, de Amazone en Zuidoost-Azië, kan waterdamp daarom enkele procenten van de lucht uitmaken. In woestijngebieden, zoals rond de Rode Zee in Egypte en Saudi-Arabië, is de relatieve luchtvochtigheid meestal veel lager. Toch kan warme woestijnlucht in absolute zin nog behoorlijk wat waterdamp bevatten. Omgekeerd kan ijskoude poollucht een relatieve luchtvochtigheid van 100% hebben en toch veel minder water bevatten dan warme woestijnlucht. Hoe kouder de lucht, hoe minder waterdamp er nodig is om verzadigd te raken.

Daarnaast bevat buitenlucht allerlei kleine deeltjes en stoffen die sterk afhangen van de omgeving. Dat merken we vaak zonder erbij na te denken. De lucht aan zee ruikt anders dan de lucht in een bos, en de lucht midden in een drukke stad ruikt weer anders. Zeelucht bevat bijvoorbeeld microscopisch kleine druppeltjes en zoutdeeltjes die door golven en opspattend zeewater in de lucht terechtkomen. De typische geur van de zee komt overigens niet van het zout zelf, maar vooral van vluchtige stoffen die in en rond de zee worden geproduceerd. In een bos vinden we weer pollen, stof en allerlei organische stoffen afkomstig van planten en bomen. In stedelijke en industriële gebieden kunnen daar heel andere stoffen bijkomen. Uitlaatgassen, rook en verbrandingsprocessen brengen onder andere fijnstof, stikstofoxiden en koolmonoxide in de lucht. Onder bepaalde omstandigheden kan zo een mengsel van luchtverontreiniging ontstaan dat we smog noemen. Ook oplosmiddelen, verf, brandstoffen en andere chemicaliën kunnen vluchtige stoffen aan de omgevingslucht afgeven.

Lucht is dus overal grotendeels hetzelfde mengsel van stikstof en zuurstof, maar dat betekent niet dat alle buitenlucht even schoon is. En voor een compressor maakt dat nogal wat uit. Een compressor maakt namelijk geen lucht. Hij gebruikt de lucht die er al is. En dus begint goede ademlucht niet bij de compressor, maar bij de lucht die de compressor aanzuigt.

Wat is een duikcompressor?

Om lucht samen te persen heb je een compressor nodig. Dat is, eenvoudig gezegd, een machine die lucht aanzuigt en die lucht vervolgens in een steeds kleiner volume samenperst, waardoor de druk stijgt. De luchtdeeltjes of gasmoleculen worden dus steeds dichter bij elkaar gebracht.

Compressoren komen we overal tegen. In een garage wordt perslucht gebruikt voor gereedschap en voor het oppompen van banden. Koelkasten en airconditioners hebben compressoren en ook in allerlei industriële processen spelen ze een belangrijke rol. Het basisprincipe is steeds hetzelfde: een gas wordt samengeperst zodat de druk ervan stijgt. Een duikcompressor doet in wezen hetzelfde, maar gaat daarbij behoorlijk ver. Een gewone compressor die je bij je lokale bouwmarkt tegenkomt levert meestal een druk van ongeveer 8 tot 10 bar. Zwaardere werkplaatscompressoren kunnen bijvoorbeeld 10 tot 15 bar leveren. Dat is ruim voldoende voor een autoband of persluchtgereedschap, maar voor duikers komen we daar niet ver mee. Wij hebben een veel hogere druk nodig.

De lucht om ons heen staat op zeeniveau onder een druk van ongeveer 1 bar. Een duikfles wordt meestal gevuld tot 200 bar en sommige flessen en opslagsystemen werken met 300 bar of nog iets meer. Om een idee te krijgen van wat dat betekent: bij 200 bar hebben we, heel eenvoudig voorgesteld, ongeveer 200 liter buitenlucht samengeperst tot een volume van één liter. In een duikfles van 11 liter op 200 bar zit zo ruwweg 2.200 liter lucht, gemeten bij normale atmosferische druk.

Dat betekent niet dat een compressor simpelweg lucht met een druk van 200 of 300 bar uitblaast. De lucht wordt stap voor stap samengeperst. In een typische hogedrukcompressor voor duikflessen gebeurt dat in drie, vier of soms meer compressietrappen. Iedere trap bestaat in essentie uit hetzelfde proces. Een hoeveelheid lucht wordt een cilinder in gezogen, een zuiger verkleint vervolgens de beschikbare ruimte en de samengeperste lucht wordt doorgestuurd naar de volgende trap. Daar wordt diezelfde lucht opnieuw in een kleiner volume samengeperst, waardoor de druk verder stijgt.

Dat gebeurt niet in één keer, en daar zijn goede redenen voor. Lucht wordt namelijk heet wanneer je haar samenperst. Tegelijkertijd bevat de aangezogen buitenlucht waterdamp, waarvan tijdens het compressie- en koelproces een deel condenseert. Daarom wordt de lucht tussen de verschillende compressietrappen gekoeld en wordt condenswater afgescheiden.

Een duikcompressor is dus niet één pomp die lucht rechtstreeks van 1 naar 200 of 300 bar brengt. Het is eerder een keten van opeenvolgende compressiestappen waarin de druk steeds verder wordt opgevoerd en de lucht tussendoor wordt gekoeld en behandeld. Een compressor bestaat dus uit verschillende ‘trappen’, met cilinders en zuigers die steeds kleiner worden. Na iedere trap neemt dezelfde hoeveelheid lucht steeds minder volume in. Er is daarom ook steeds minder ruimte nodig om die lucht verder samen te persen.

Bij een typische viertraps-hogedrukcompressor kan de cilinder van de eerste trap bijvoorbeeld een diameter van ongeveer 110 mm hebben. Deze eerste trap brengt de aangezogen buitenlucht van ongeveer 1 bar naar ongeveer 3 bar. Daarna stroomt de lucht door koelbuizen, waar een deel van de warmte die tijdens het samenpersen is ontstaan weer wordt afgevoerd. De tweede cilinder is al een stuk kleiner, bijvoorbeeld 60 mm in diameter, en perst de lucht verder samen tot ongeveer 15 bar. Daarna wordt de lucht opnieuw gekoeld en wordt condensaat afgescheiden. De derde trap is nog kleiner — bijvoorbeeld 32 mm — en brengt de druk verder omhoog tot ongeveer 50 à 70 bar. Opnieuw wordt de lucht gekoeld en wordt condensaat afgescheiden voordat de lucht naar de laatste trap gaat.

Pas in de vierde trap, waarvan de cilinder in dit voorbeeld nog maar ongeveer 12 mm in diameter is, wordt de lucht naar de uiteindelijke druk van 200, 300 bar of nog iets hoger gebracht. Daarna volgt een laatste koeling en wordt opnieuw condensaat afgescheiden. Zo wordt dezelfde hoeveelheid lucht in vier stappen steeds verder samengeperst in steeds kleinere cilinders. Dat is geen toeval. Naarmate de druk stijgt, neemt het volume van dezelfde hoeveelheid lucht steeds verder af. Iedere volgende trap hoeft daarom een veel kleiner volume lucht te verwerken dan de vorige.

Het condensaat dat door de afscheiders wordt afgevoerd, bestaat overigens niet uit schoon water. Bij een oliegesmeerde compressor bevat het naast het water dat oorspronkelijk als waterdamp in de buitenlucht zat ook kleine hoeveelheden compressorolie. Het resultaat is een oliehoudend condensaat dat apart wordt opgevangen en moet worden afgevoerd.

Het woord ‘trappen’ ken je trouwens ook van je ademautomaat, die een eerste en een tweede trap heeft. Alleen gebeurt daar precies het omgekeerde. Waar de verschillende trappen van een compressor de druk steeds verder opbouwen, brengen de twee trappen van je ademautomaat die hoge druk weer terug naar de omgevingsdruk. De eerste trap is het gedeelte dat op de kraan van je duikfles wordt aangesloten. Deze brengt de flesdruk van bijvoorbeeld 200 bar terug naar een middendruk van ongeveer 8 tot 10 bar boven de omgevingsdruk. Vervolgens brengt de tweede trap — het gedeelte met het mondstuk waaruit je ademt — die middendruk verder terug naar de omgevingsdruk. Die omgevingsdruk hangt natuurlijk af van de diepte waarop je duikt. Aan de oppervlakte is dat ongeveer 1 bar, op 10 meter ongeveer 2 bar en op 20 meter ongeveer 3 bar. Je ademautomaat past zich daaraan aan en levert de lucht telkens op ongeveer dezelfde druk als het water dat op dat moment om je heen staat.

Een compressor en een ademautomaat doen dus in zekere zin precies het tegenovergestelde: de compressor brengt lucht in verschillende trappen van de omgevingsdruk van ongeveer 1 bar naar 200–300 bar, terwijl de ademautomaat die druk in twee trappen weer terugbrengt van 200 (of 300) bar naar de omgevingsdruk.

Wat zuigt de compressor aan?

We zagen eerder al dat een compressor geen lucht maakt. Hij zuigt de lucht uit zijn omgeving aan en perst die samen. Dat betekent dat de kwaliteit van ademlucht niet pas bij het filtersysteem begint. Goede ademlucht begint bij goede aanzuiglucht.

Voordat de buitenlucht de compressor binnenkomt, passeert ze eerst een aanzuigfilter. Dat is in de eerste plaats een deeltjesfilter: het houdt stof, zand, pollen en andere kleine vaste deeltjes tegen die we niet in de compressor willen hebben. In een stoffige of zoute omgeving is zo'n filter niet alleen belangrijk voor de kwaliteit van de lucht, maar ook voor de levensduur van de compressor zelf.

Zo'n aanzuigfilter maakt van vervuilde buitenlucht echter nog geen schone lucht. Gasvormige verontreinigingen zoals koolmonoxide (CO), koolstofdioxide (CO₂) en dampen van brandstoffen, verf of oplosmiddelen kunnen er gewoon doorheen. Daarom blijft het belangrijk waar de compressor zijn lucht vandaan haalt. Een luchtinlaat plaats je bijvoorbeeld niet naast de uitlaat van een auto, vrachtwagen of dieselgenerator. Ook rook, verf, oplosmiddelen, brandstoffen, schoonmaakmiddelen en andere vluchtige stoffen wil je zo veel mogelijk bij de aanzuig vandaan houden.

Een bijzonder risico vormen verbrandingsgassen. Daarbij kan koolmonoxide (CO) vrijkomen: een kleurloos en reukloos gas dat al in zeer kleine concentraties gevaarlijk kan zijn. Staat een draaiende generator, automotor of andere verbrandingsmotor in de buurt van de luchtinlaat, dan kan de compressor die uitlaatgassen gewoon mee naar binnen zuigen. Ook de uitlaat van een andere machine of een slecht geventileerde compressorruimte kan de kwaliteit van de aangezogen lucht beïnvloeden. Een compressor verplaatst immers voortdurend grote hoeveelheden lucht. Wat op enige afstand onschuldig lijkt, kan daardoor toch bij de luchtinlaat terechtkomen. Een filter achter de compressor is daarom geen vrijbrief om slechte lucht aan te zuigen. Filters kunnen veel, maar niet alles, en hun capaciteit is beperkt. Hoe schoner de lucht die aan het begin van het proces naar binnen gaat, hoe gemakkelijker het is om aan het einde betrouwbare ademlucht te produceren.

Er bestaan overigens ook systemen die de aangezogen lucht al vóór de compressor verder behandelen. Het gewone aanzuigfilter houdt vooral stof, zand, pollen en andere vaste deeltjes tegen, maar er zijn ook veel specialistischere systemen. Zo bestaan er installaties die het CO₂-gehalte van de aanzuiglucht verlagen voordat deze wordt gecomprimeerd. Andere systemen gebruiken bijvoorbeeld UV-licht om micro-organismen zoals bacteriën, virussen en schimmels in de aangezogen lucht te inactiveren. Zulke systemen kunnen nuttig zijn wanneer de omstandigheden het moeilijk maken om voldoende schone aanzuiglucht te krijgen. Het principe is interessant: in plaats van te proberen een ongewenste stof helemaal aan het einde van het proces uit de perslucht te halen, pak je het probleem al vóór de compressor aan. Maar ook zulke systemen veranderen het basisprincipe niet: hoe schoner de lucht die je aanzuigt, hoe beter.

Niet alleen vervuiling speelt een rol. Ook temperatuur en luchtvochtigheid hebben grote invloed op het werk dat een compressor en zijn filtersysteem moeten verrichten. Dat merken we bijvoorbeeld in een tropisch klimaat als op Curaçao. Warme lucht kan veel waterdamp bevatten en een compressor zuigt daar iedere minuut honderden liters van aan. Al dat water gaat in eerste instantie gewoon mee de compressor in.

Tijdens het comprimeren wordt de lucht heet en tijdens het koelen condenseert vervolgens een deel van die waterdamp tot vloeibaar water. Hoe warmer en vochtiger de aangezogen lucht, hoe meer water het systeem uiteindelijk moet afscheiden en hoe zwaarder het droogsysteem en de filters worden belast. Daarom maakt het voor een vulstation wel degelijk uit waar de compressor staat en waar zijn luchtinlaat zich bevindt.

Warmte en water

Wie een compressor een tijdje ziet draaien, merkt al snel twee dingen op: hij wordt heet en er komt verrassend veel water uit. Dat lijkt misschien vreemd. We stoppen tenslotte alleen lucht in de machine. Waar komen al die warmte en dat water dan vandaan? En waarom wordt lucht heet als je haar samenperst?

Wanneer we lucht samenpersen, brengen we de gasmoleculen steeds dichter bij elkaar. Daar is arbeid voor nodig. Een deel van die energie komt als warmte in het gas terecht, waardoor de temperatuur van de lucht tijdens de compressie sterk stijgt. Dat principe kun je ook thuis ervaren. Als je met een fietspomp snel een band oppompt, wordt de pomp warm. Een duikcompressor doet in wezen hetzelfde, maar dan continu en bij veel hogere drukken.

Daarom wordt de lucht na iedere compressietrap weer gekoeld. De hete perslucht stroomt door koelbuizen of intercoolers, waar een ventilator buitenlucht langs blaast en een groot deel van de warmte wordt afgevoerd. Na de laatste compressietrap gebeurt hetzelfde in de aftercooler of eindkoeler.

Die koeling is niet alleen belangrijk voor de compressor. Ze heeft ook een tweede effect: condenswater. Het water dat uit een compressor komt, wordt niet door de compressor gemaakt. Het zat al in de aangezogen buitenlucht — alleen niet als vloeibaar water, maar als onzichtbare waterdamp. We zagen eerder dat warme lucht veel meer waterdamp kan bevatten dan koude lucht. Zodra lucht afkoelt, kan er daarom een moment komen waarop ze niet langer alle aanwezige waterdamp in gasvorm kan vasthouden. De lucht raakt verzadigd.

De temperatuur waarbij dat gebeurt noemen we het dauwpunt. Koelt de lucht verder af dan het dauwpunt, dan begint waterdamp te condenseren tot kleine druppeltjes vloeibaar water. Hetzelfde gebeurt wanneer 's ochtends dauw op het gras ligt, wanneer een koud glas aan de buitenkant nat wordt of wanneer een spiegel beslaat tijdens het douchen. Het water verschijnt niet uit het niets: het zat al als waterdamp in de lucht.

In een compressor gebeurt precies hetzelfde, maar op veel grotere schaal. De compressor zuigt voortdurend grote hoeveelheden buitenlucht aan. In een warm en vochtig klimaat bevat iedere kubieke meter daarvan behoorlijk wat water. Tijdens de compressie wordt de lucht heet en vervolgens wordt ze tussen de compressietrappen steeds opnieuw afgekoeld. Daarbij condenseert telkens een deel van de aanwezige waterdamp.

De condensaatafscheiders halen het ontstane vloeibare water uit de luchtstroom. Bij een oliegesmeerde compressor komt daarbij ook een kleine hoeveelheid compressorolie terecht, waardoor het afgevoerde condensaat een olie-watermengsel is. Toch krijgen we met koelen en afscheiden niet al het water uit de lucht. Na de laatste afscheider bevat de perslucht nog steeds waterdamp. En juist dat resterende vocht wordt belangrijk bij de volgende stap: het drogen en filteren van onze ademlucht.

Wat mag er niet in je fles zitten?

We hebben inmiddels gezien dat de buitenlucht die een compressor aanzuigt behoorlijk wat water kan bevatten en dat we dat vocht tijdens en na de compressie zoveel mogelijk uit de lucht moeten verwijderen. Maar water is niet het enige wat we liever niet in onze uiteindelijke ademlucht aantreffen. Ook andere stoffen kunnen via de aangezogen buitenlucht of tijdens het compressieproces in de perslucht terechtkomen. Denk bijvoorbeeld aan koolmonoxide, een verhoogde concentratie koolstofdioxide, olie of vluchtige organische stoffen. Sommige daarvan zijn al in zeer kleine hoeveelheden ongewenst, zeker wanneer we ze onder druk en op diepte inademen.

Dat betekent overigens niet dat ademlucht chemisch volkomen zuiver moet zijn. Dat zou ook onmogelijk zijn. Zoals we aan het begin zagen, is lucht zelf al een mengsel van verschillende gassen en bevat buitenlucht altijd kleine hoeveelheden andere stoffen. Waar het om gaat, is welke stoffen aanwezig zijn en in welke concentratie. Laten we daarom eerst eens kijken naar de belangrijkste stoffen die we niet — of slechts in zeer kleine hoeveelheden — in onze duikfles willen hebben.

Koolmonoxide (CO)

Koolmonoxide is een van de gevaarlijkste verontreinigingen die in ademlucht terecht kunnen komen. Het gas is kleurloos en reukloos en ontstaat bij onvolledige verbranding. Uitlaatgassen van auto's, generatoren en andere verbrandingsmotoren zijn daarom belangrijke mogelijke bronnen. CO is gevaarlijk omdat het zich veel sterker aan hemoglobine in het bloed bindt dan zuurstof. Daardoor vermindert het vermogen van het bloed om zuurstof te vervoeren.

Voor een duiker is dat bijzonder gevaarlijk. Onder water neemt de partiële druk van een gas toe met de omgevingsdruk. Een verontreiniging die aan de oppervlakte maar in een zeer kleine concentratie aanwezig is, wordt op diepte dus onder een hogere partiële druk ingeademd. De beste verdediging tegen CO is daarom in de eerste plaats voorkomen dat het wordt aangezogen. Een goede locatie van de luchtinlaat is essentieel. Sommige filtersystemen bevatten daarnaast een katalysator, zoals hopcalite, waarmee CO kan worden omgezet in CO₂.

Koolstofdioxide (CO₂)

Koolstofdioxide zit van nature in de buitenlucht en ontstaat onder andere bij ademhaling en verbranding. In de open buitenlucht ligt de concentratie normaal gesproken op enkele honderden parts per million (ppm), maar in slecht geventileerde ruimtes kan die concentratie behoorlijk oplopen. CO₂ is een normaal onderdeel van onze ademhaling: ons lichaam produceert het voortdurend en we ademen het weer uit. Een te hoge concentratie in de ingeademde lucht maakt het echter moeilijker om CO₂ uit het lichaam af te voeren. Dat kan onder andere leiden tot hoofdpijn, benauwdheid, versnelde ademhaling en uiteindelijk ernstiger verschijnselen.

Voor duikers is CO₂ bovendien een belangrijk gas omdat inspanning, een hoge ademweerstand en onvoldoende ventilatie van de longen al kunnen bijdragen aan CO₂-opbouw in het lichaam. We willen daarom niet óók nog met een verhoogde concentratie in onze ademlucht beginnen. Een standaard ademluchtfilter verwijdert CO₂ niet noodzakelijk effectief. Als een compressor lucht met een verhoogd CO₂-gehalte aanzuigt, kan dat dus uiteindelijk ook in de geproduceerde ademlucht terugkomen. Daarom zijn goede ventilatie en de plaats van de luchtinlaat opnieuw belangrijk. Voor situaties waarin de aangezogen lucht structureel te veel CO₂ bevat, bestaan speciale systemen die CO₂ vóór of na de compressie uit de lucht verwijderen.

Water (vocht)

Ook water hoort maar in zeer beperkte hoeveelheden in ademlucht thuis. Vocht in een duikfles kan op den duur corrosie veroorzaken, vooral bij stalen flessen. Bovendien kan water andere verontreinigingen oplossen of meenemen en chemische reacties bevorderen. Water is daarmee niet alleen zelf ongewenst, maar kan ook andere vormen van verontreiniging en aantasting in de hand werken. Bij zeer lage temperaturen kan water bovendien bevriezen en problemen veroorzaken in ventielen en ademautomaten. Dat is vooral relevant wanneer perslucht sterk afkoelt tijdens het expanderen. Daarom wordt tijdens het hele compressieproces zoveel aandacht besteed aan koeling, condensaatscheiding en droging. De moleculaire zeef in het uiteindelijke filter verwijdert een groot deel van de resterende waterdamp.

Olie en koolwaterstoffen

Veel hogedrukcompressoren worden met olie gesmeerd. Die olie hoort uiteraard niet in noemenswaardige hoeveelheden in de ademlucht terecht te komen. Tijdens het compressieproces kunnen zeer kleine hoeveelheden olie als druppeltjes, aerosol of damp met de luchtstroom worden meegevoerd. Daarnaast kunnen koolwaterstoffen al in de aangezogen buitenlucht aanwezig zijn, bijvoorbeeld door brandstoffen, oplosmiddelen of uitlaatgassen. Afscheiders verwijderen vloeibare olie en aerosolen, terwijl actieve kool vooral een belangrijke rol speelt bij het verwijderen van oliedampen en andere organische verbindingen. Goede ademlucht hoort uiteindelijk vrijwel geur- en smaakloos te zijn. Een duidelijke olie- of chemische geur of smaak is daarom altijd reden om de luchtkwaliteit te wantrouwen.

Zuurstof

Ook het zuurstofgehalte zelf is een belangrijke parameter. Gewone buitenlucht bevat ongeveer 21% zuurstof. Bij gewone perslucht verwachten we daarom ongeveer dezelfde verhouding terug. Een duidelijk afwijkend zuurstofpercentage kan erop wijzen dat de lucht met een ander gas is vermengd of dat er ergens in het productie- of vulproces iets anders is gebeurd dan bedoeld. Bij Nitrox verhogen we het zuurstofpercentage juist bewust. Maar dat is een ander verhaal, waarop we in een apart hoofdstuk terugkomen.

VOC's

Ten slotte kunnen in lucht allerlei vluchtige organische stoffen voorkomen, vaak aangeduid met de Engelse afkorting VOC's: Volatile Organic Compounds. Dat is niet één bepaalde stof, maar een grote groep verbindingen die gemakkelijk verdampen. Ze kunnen bijvoorbeeld afkomstig zijn van benzine en diesel, verf, lijm, schoonmaakmiddelen en oplosmiddelen. Welke VOC's aanwezig kunnen zijn en hoe schadelijk ze zijn, verschilt sterk. Daarom is opnieuw de eerste verdedigingslinie eenvoudig: zorg dat de compressor zo schoon mogelijke buitenlucht aanzuigt. Actieve kool kan veel organische dampen adsorberen, maar ook hier geldt dat een filter geen vrijbrief is om vervuilde lucht aan te zuigen. Uiteindelijk komt het steeds op hetzelfde principe neer: wat niet in de aangezogen lucht terechtkomt, hoef je er later ook niet uit te halen.

Van perslucht naar ademlucht

We weten nu welke stoffen we liever niet in onze duikfles aantreffen. Een deel daarvan kunnen we buiten de compressor houden door te zorgen voor schone aanzuiglucht. Een ander deel wordt tijdens het compressieproces al verwijderd wanneer de lucht wordt gekoeld en condensaat wordt afgescheiden. Maar daarmee zijn we er nog niet. Na de laatste compressietrap bevat de perslucht nog steeds waterdamp en kunnen er kleine hoeveelheden oliedamp en andere verontreinigingen aanwezig zijn. Voordat we deze lucht als ademlucht in onze flessen kunnen opslaan, moet ze daarom verder worden behandeld. Daarvoor gebruiken we een speciaal filtersysteem.

Moleculaire zeef

Een van de belangrijkste materialen in een ademluchtfilter is een moleculaire zeef. Die bestaat meestal uit zeoliet: een hard, kristallijn materiaal dat voornamelijk is opgebouwd uit silicium, aluminium en zuurstof. In een filterpatroon ziet het er meestal uit als kleine korrels of bolletjes. Het bijzondere zit vanbinnen. Zeoliet heeft een kristalstructuur met een enorm netwerk van microscopisch kleine poriën en kanaaltjes. Daardoor heeft een handvol van deze korrels in werkelijkheid een verrassend groot inwendig oppervlak waaraan watermoleculen zich kunnen hechten.

Dit proces noemen we adsorptie. Dat lijkt op absorptie, maar er is een belangrijk verschil. Bij absorptie wordt een stof opgenomen in een ander materiaal, zoals water in een spons. Bij adsorptie hechten moleculen zich juist aan het oppervlak van een materiaal. Een moleculaire zeef haalt zo de resterende waterdamp uit de perslucht en brengt het vochtgehalte veel verder omlaag dan alleen koelen en mechanisch afscheiden mogelijk zou zijn.

Actieve kool

Een tweede veelgebruikt filtermateriaal is actieve kool. Ook dit materiaal heeft door zijn microscopische structuur een enorm inwendig oppervlak. Actieve kool adsorbeert onder andere oliedampen en allerlei organische verbindingen. Daarmee helpt het niet alleen schadelijke stoffen te verwijderen, maar ook ongewenste geur en smaak uit de ademlucht.

Dat laatste is voor een duiker heel herkenbaar. Goede ademlucht hoort eigenlijk nergens naar te ruiken of te smaken. Proef of ruik je tijdens een duik duidelijk olie, uitlaatgassen of een chemische geur, dan is dat een signaal dat er iets niet in orde kan zijn.

Katalysator

Sommige filtersystemen bevatten daarnaast een katalysator, bijvoorbeeld hopcalite. Dat materiaal, een bruinzwart mengsel van mangaan- en koperoxiden dat eruitziet als grof gemalen koffie, wordt gebruikt om koolmonoxide (CO) om te zetten in koolstofdioxide (CO₂). Een katalysator versnelt een chemische reactie zonder daarbij zelf te worden verbruikt. In dit geval reageert koolmonoxide met zuurstof, waarbij koolstofdioxide ontstaat:

2 CO + O₂ → 2 CO₂

Dat klinkt misschien vreemd — CO₂ willen we immers ook niet in te hoge concentraties in onze ademlucht hebben — maar koolmonoxide is al bij zeer lage concentraties bijzonder gevaarlijk. De omzetting naar CO₂ maakt het mogelijk het CO-gehalte sterk te verlagen. Zo'n katalysator werkt bovendien alleen goed onder de juiste omstandigheden. Vooral vocht is daarbij belangrijk: te veel waterdamp kan de werking sterk verminderen. Ook daarom moet de lucht eerst goed worden gedroogd.

Geen van deze materialen blijft onbeperkt werken. Een moleculaire zeef raakt uiteindelijk verzadigd met water. Actieve kool raakt beladen met de stoffen die eraan worden gebonden. Ook de werking van een katalysator is afhankelijk van de omstandigheden waarin deze wordt gebruikt. Daarom hebben filterpatronen een beperkte levensduur. Hoe lang ze meegaan hangt onder andere af van de hoeveelheid lucht die erdoorheen stroomt, de temperatuur van de perslucht en vooral van de hoeveelheid vocht die het filter moet verwerken. Dat verklaart ook waarom goede koeling en waterafscheiding vóór het filter zo belangrijk zijn. Iedere druppel water die je eerder uit het systeem kunt halen, hoeft niet meer door het filtermateriaal te worden opgevangen.

Het is verleidelijk om het filtersysteem te zien als het onderdeel dat van iedere soort perslucht automatisch schone ademlucht maakt. Zo werkt het niet. Een filter is geen toverdoos. Een filter kan alleen verwijderen waarvoor het is ontworpen, en alleen zolang het filtermateriaal nog voldoende capaciteit heeft. Sommige verontreinigingen worden nauwelijks of helemaal niet door een standaard filterpatroon verwijderd. Daarom begint goede ademlucht veel eerder in het proces: bij schone aanzuiglucht, een goed onderhouden compressor, effectieve koeling en condensaatscheiding en tijdig vervangen filtermateriaal.

De filterstraat is dus een cruciale laatste stap in de luchtbehandeling. Maar ze kan niet herstellen wat eerder in het proces fundamenteel verkeerd is gegaan. Een serieus vulstation vertrouwt daarom niet op één enkel filter. De lucht wordt in verschillende stappen behandeld, waarbij iedere stap een ander probleem aanpakt. Eerst worden stof en andere vaste deeltjes uit de aangezogen lucht gehouden. Tijdens en na de compressie worden vloeibaar water en olie afgescheiden. In uitgebreidere installaties kan de perslucht vervolgens verder worden gekoeld en gedroogd (door middel van koeldrogers), zodat nog meer water condenseert en kan worden afgevoerd. Daarna verwijderen filtermaterialen zoals moleculaire zeef en actieve kool de resterende waterdamp, oliedampen en andere verontreinigingen. Eventueel kunnen aanvullende filters of katalysatoren worden gebruikt voor specifieke stoffen. Het principe is steeds hetzelfde: haal iedere verontreiniging zo vroeg en zo efficiënt mogelijk uit de lucht, zodat de volgende stap zo weinig mogelijk hoeft te doen.

Taalkundig is het interessant dat we al die verschillende processen gemakshalve filteren noemen. Technisch gebeurt er namelijk van alles. Stof en andere vaste deeltjes worden tegengehouden. Druppeltjes water en olie worden afgescheiden. Waterdamp en organische verbindingen worden aan materialen zoals moleculaire zeef en actieve kool geadsorbeerd. En sommige stoffen kunnen met behulp van een katalysator zelfs chemisch worden omgezet. ‘Filteren’ is dus eigenlijk een verrassend eenvoudig woord voor een hele reeks verschillende natuurkundige en chemische processen. Iedere techniek pakt een ander probleem aan. Een waterdruppel vraagt om een andere aanpak dan waterdamp, en een stofdeeltje gedraagt zich weer heel anders dan een molecuul koolmonoxide. Juist daarom bestaat een goed systeem voor ademlucht meestal uit verschillende stappen.

Wanneer is lucht eigenlijk ‘ademlucht’?

In de vorige twee paragrafen hebben we gezien welke stoffen we liever niet in onze ademlucht aantreffen en hoe we die eruit filteren. Dat betekent niet dat ademlucht chemisch volkomen zuiver moet zijn. Dat zou ook onmogelijk zijn. Zelfs schone buitenlucht bevat bijvoorbeeld koolstofdioxide en waterdamp, en ook na compressie en filtering kunnen nog zeer kleine hoeveelheden olie, koolwaterstoffen of andere verontreinigingen achterblijven. De vraag is daarom niet alleen wat er in de lucht zit, maar vooral hoeveel. Of eenvoudiger gezegd: hoe schoon is schoon genoeg?

Daarvoor bestaan normen. Zij leggen vast aan welke eisen perslucht moet voldoen voordat we haar als ademlucht kunnen gebruiken. Daarbij wordt onder andere gekeken naar het zuurstofgehalte en naar de maximaal toegestane hoeveelheden koolmonoxide, koolstofdioxide, water en olie.

Opvallend genoeg bestaat daarvoor geen universele wereldwijde norm. In Europa wordt vooral EN 12021 gebruikt, terwijl in de Verenigde Staten CGA Grade E een belangrijke referentie voor duikademlucht is. Canada gebruikt CSA Z180.1 en Australië en Nieuw-Zeeland AS/NZS 2299.1. China heeft met GB 18435-2007 een eigen nationale norm die specifiek betrekking heeft op ademgassen voor duikers. Veel kleinere landen hebben geen eigen afzonderlijke norm voor duikademlucht en sluiten in de praktijk aan bij een van deze grotere normstelsels of nemen vergelijkbare eisen over.

De waardes worden uitgedrukt in percentages, ppm en mg/m3. De eenheid ppm staat voor parts per million: het aantal delen van een bepaalde stof per miljoen delen lucht. Een concentratie van 5 ppm CO betekent dus dat er op iedere miljoen gasmoleculen ongeveer vijf moleculen koolmonoxide aanwezig zijn. mg/m³ geeft daarentegen aan hoeveel milligram van een stof aanwezig is in één kubieke meter lucht.

Het eerste wat aan de tabel opvalt, is misschien wel hoeveel overeenkomsten er zijn. Voor het zuurstofgehalte komen de vijf normen praktisch op hetzelfde neer: gewone ademlucht moet ongeveer 21% zuurstof bevatten. Ook zijn ze het er allemaal over eens dat koolmonoxide en koolstofdioxide slechts in zeer kleine concentraties aanwezig mogen zijn.

Toch worden de grenzen niet overal op precies dezelfde plaats getrokken. Voor koolmonoxide staat EN 12021 bijvoorbeeld maximaal 5 ppm toe, terwijl CGA Grade E en de Chinese norm 10 ppm toestaan. Voor koolstofdioxide loopt de grens uiteen van 500 ppm in Europa en China tot 1.000 ppm bij CGA Grade E. Ook voor olie zijn de verschillen aanzienlijk: van 0,5 mg/m³ in Europa en Australië/Nieuw-Zeeland tot 5 mg/m³ in de Amerikaanse norm. De Chinese grens van 5 mg/m³ is niet helemaal rechtstreeks vergelijkbaar, omdat daar oliemist en deeltjes samen onder vallen.

Ook de manier waarop normen naar verontreinigingen kijken verschilt. De Amerikaanse en Canadese normen stellen bijvoorbeeld een afzonderlijke grens aan THC, Total Hydrocarbons of totale koolwaterstoffen. Zulke stoffen kunnen onder andere afkomstig zijn van olie- en brandstofdampen. Benzeen, dat onder andere in benzinedamp voorkomt, is een voorbeeld van een koolwaterstof die we uiteraard niet in onze ademlucht willen hebben. De Europese, Chinese en Australisch/Nieuw-Zeelandse waarden in deze vergelijking bevatten voor gewone ademlucht geen afzonderlijke THC-grens. Dat betekent niet dat koolwaterstoffen daar geen rol spelen, maar wel dat de normen verschillende manieren gebruiken om luchtkwaliteit te specificeren.

Bij water wordt vergelijken nog lastiger. Vocht kan worden uitgedrukt als een concentratie in ppm of mg/m³, maar ook als dauwpunt. De Chinese norm doet bijvoorbeeld dat laatste en eist een dauwpunt van maximaal −21 °C.

Er bestaat kortom geen magisch getal waaronder perslucht ineens ‘ademlucht’ wordt. De precieze grenswaarden verschillen per norm en soms ook de manier waarop verontreinigingen worden gemeten. Maar het uitgangspunt is overal hetzelfde: de lucht moet voldoende zuurstof bevatten en tegelijkertijd schoon en droog genoeg zijn om veilig te kunnen worden ingeademd. Een norm vertelt ons daarmee hoe schoon onze ademlucht moet zijn. Maar daarmee weten we nog niet hoe schoon de lucht uit onze eigen compressor daadwerkelijk is. Daarvoor moeten we meten.

Vertrouwen is goed, meten is beter

Als duiker ben je waarschijnlijk al bekend met een zuurstofanalyzer. Wie wel eens met Nitrox duikt, heeft zo'n apparaat waarschijnlijk wel eens gebruikt om vóór de duik het zuurstofpercentage in een fles te controleren. Voor de andere stoffen die we in ademlucht willen bewaken, bestaat eveneens meetapparatuur. Dat kan op verschillende manieren.

De meest uitgebreide controle is een laboratoriumanalyse. Daarbij wordt een monster van de geproduceerde ademlucht genomen en door een gespecialiseerd laboratorium onderzocht. Zo kan zeer nauwkeurig worden vastgesteld hoeveel CO, CO₂, water, olie en andere verontreinigingen de lucht bevat. Zo'n analyse geeft een betrouwbaar beeld van de luchtkwaliteit op het moment waarop het monster is genomen.

Maar daarin zit meteen ook een beperking. Een laboratoriumanalyse is een momentopname. Als de lucht vandaag uitstekend is, betekent dat niet automatisch dat dit volgende week nog steeds zo is, of vorige week ook zo was. Een filter raakt langzaam verzadigd, een compressor kan slijten en ook de kwaliteit van de aangezogen buitenlucht kan veranderen. Een generator die gisteren niet naast de luchtinlaat stond, kan daar morgen ineens wel staan.

Daarom controleren vulstations de luchtkwaliteit ook zelf regelmatig of zelfs continu. Daarvoor bestaan sensoren en analysers voor onder andere zuurstof (O₂), koolmonoxide (CO), koolstofdioxide (CO₂) en vocht. Uitgebreidere systemen kunnen daarnaast bijvoorbeeld VOC's meten. Luchtkwaliteitsmeettoestellen zijn vaak erg duur, van enkele honderden euro's of dollars voor een apparaat dat alleen zuurstof meet, tot enkele duizenden euro's of dollars voor een professioneel gecombineerd apparaat dat meerdere van deze parameters tegelijk meet en meer dan tienduizend euro of dollar voor een continu ademluchtkwaliteitsmonitor.

Zo'n meetsysteem kan veranderingen veel sneller zichtbaar maken dan een periodieke laboratoriumanalyse. Als het CO-gehalte plotseling begint op te lopen of de lucht steeds vochtiger uit het filtersysteem komt, is dat een aanwijzing dat er ergens iets verandert. Misschien wordt vervuilde buitenlucht aangezogen, werkt een afscheider niet goed meer of begint een filtercartridge verzadigd te raken.

De twee methoden vullen elkaar daarom goed aan. Een laboratoriumanalyse kan periodiek (bijvoorbeeld per kwartaal) uitgebreid controleren of de geproduceerde ademlucht aan de norm voldoet. Regelmatige of continue metingen kunnen ondertussen bewaken of belangrijke waarden tussen die analyses door veranderen. Bovendien vormen beide meetmethoden een nuttige controle op elkaar. Een laboratoriumanalyse kan bevestigen dat de eigen meetapparatuur betrouwbare waarden geeft, terwijl regelmatige of continue metingen laten zien of de luchtkwaliteit tussen twee laboratoriumanalyses door stabiel blijft.

Die meetapparatuur bevat meestal meerdere sensoren, die elk op hun eigen manier een bepaalde stof meten. Voor zuurstof (O₂) en koolmonoxide (CO) worden bijvoorbeeld vaak elektrochemische sensoren gebruikt, terwijl koolstofdioxide (CO₂) meestal met infrarood licht wordt gemeten. Vocht kan worden bepaald met een sensor die reageert op watermoleculen, en voor VOC's kan bijvoorbeeld een Photoionization Detector (PID) worden gebruikt. Een professionele ademluchtanalyzer is daarmee eigenlijk een verzameling kleine gespecialiseerde meetinstrumenten in één apparaat. Iedere sensor heeft daarbij zijn eigen nauwkeurigheid en levensduur en kan na verloop van tijd gaan afwijken of uitgeput raken. Daarom moeten sensoren regelmatig worden gecontroleerd en waar nodig worden gekalibreerd of vervangen.

Dat leidt tot een belangrijk principe voor ieder vulstation: Je moet niet alleen vertrouwen op je compressor en je filters. Je moet ook controleren of ze daadwerkelijk doen wat je denkt dat ze doen. En uiteindelijk geldt hetzelfde voor de meetapparatuur zelf. Vertrouwen is goed. Meten is beter. Maar dan moet je wel kunnen vertrouwen op je meting.

Buffertanks en cascade

Een duikfles bevat verrassend veel lucht. Een gewone 11-literfles die tot 200 bar wordt gevuld, bevat omgerekend ongeveer 2.200 liter lucht. En bij een druk duikcentrum moeten soms tientallen van zulke flessen achter elkaar worden gevuld. Daarom vullen we duikflessen meestal niet rechtstreeks vanuit de compressor, maar vanuit een bufferbank.

Een compressor kan die hoeveelheid lucht niet op hetzelfde tempo produceren als waarop we haar tijdens het vullen nodig hebben. Een compressor van 300 liter per minuut produceert bijvoorbeeld ongeveer 18.000 liter vrije lucht per uur; een machine van 450 liter per minuut ongeveer 27.000 liter. Toch kan een vulstation in korte tijd veel meer lucht aan een hele rij duikflessen leveren. Dat kan doordat de compressor en het vulpaneel meestal niet rechtstreeks met elkaar werken. De geproduceerde ademlucht wordt eerst onder hoge druk opgeslagen in buffertanks: grote hogedrukcilinders die samen een voorraad ademlucht vormen. Daarmee lossen buffertanks een belangrijk praktisch probleem op. Een compressor produceert lucht langzaam maar gestaag, terwijl een duikcentrum die lucht juist met pieken verbruikt. Soms wordt er een uur lang nauwelijks iets gevuld en staan er even later ineens twintig of dertig lege flessen klaar. Terwijl het rustig is, kan de compressor de buffertanks vullen. Wanneer de flessen binnenkomen, kan die opgeslagen lucht vervolgens veel sneller worden afgegeven.

Buffertanks koppelen daarmee productie en verbruik van elkaar los. De compressor hoeft niet iedere keer te starten zodra iemand één fles wil vullen, en de snelheid waarmee flessen kunnen worden gevuld is niet meer uitsluitend afhankelijk van de hoeveelheid lucht die de compressor op datzelfde moment produceert. Dat verschil kan behoorlijk groot zijn. Een compressor van 450 liter per minuut produceert in een uur ongeveer 27.000 liter vrije lucht. In een buffersysteem kan die lucht gedurende langere tijd worden verzameld en vervolgens in veel kortere tijd beschikbaar komen aan het vulpaneel. De compressor heeft er misschien uren over gedaan om een grote voorraad op te bouwen; de duikers die 's middags hun flessen komen vullen merken daar weinig van.

Buffertanks hebben bovendien nog een belangrijk voordeel: ze maken het mogelijk om met een cascade te werken. Daarbij worden de buffertanks niet als één grote voorraad gebruikt, maar verdeeld over verschillende banken. En daarmee komen we bij een principe dat iedere divemaster die regelmatig flessen vult eigenlijk zou moeten begrijpen: een buffervoorraad hebben is één ding; die voorraad efficiënt gebruiken is iets anders. Daarvoor gebruiken we een cascadesysteem.

Stel dat we een 11-liter duikfles hebben waarin na de duik nog 50 bar zit. We willen deze weer vullen tot 200 bar. Achter ons vulpaneel staan drie bufferbanken. Dit kunnen drie aparte buffertanks zijn, maar bij grotere vulstations kunnen het ook groepen van meerdere aan elkaar gekoppelde buffertanks zijn:

LOW → MID → HIGH

De namen zeggen niets over een vaste druk. LOW gebruiken we voor het eerste gedeelte van de vulling, MID voor het volgende gedeelte en HIGH bewaren we voor het laatste stuk. Naarmate er lucht wordt gebruikt en de buffers opnieuw worden gevuld, kunnen de drukken veranderen en kunnen in een handmatig cascadesysteem ook de rollen van de verschillende banken wisselen.

Zodra we een bufferbank met een duikfles verbinden, stroomt lucht vanzelf van de plaats met de hoogste druk naar de plaats met de laagste druk. Dat gaat door totdat beide drukken gelijk zijn — of totdat wij de kraan sluiten en overschakelen naar een volgende bank. Een bufferbank kan een duikfles zonder hulp nooit vullen tot een hogere druk dan de druk die uiteindelijk in die bank zelf overblijft.

Daarom beginnen we met LOW. Zolang de druk in LOW hoger is dan de druk in de duikfles, kunnen we die lucht nog gebruiken. Een bufferbank op bijvoorbeeld 120 bar kan dus nog uitstekend worden gebruikt om lucht naar een duikfles op 50 bar over te brengen. Het zou zonde zijn om daarvoor meteen onze kostbare hogedrukvoorraad aan te spreken. Dat is de essentie van een cascade: gebruik lage druk zolang lage druk voldoende is, en bewaar hoge druk voor het laatste deel van de vulling. Maar hoeveel verschil maakt dat eigenlijk? Wat levert een cascade nu eigenlijk op?

Laten we een wat groter vulstation als voorbeeld nemen. We hebben in totaal twintig buffertanks van 50 liter, allemaal gevuld tot 280 bar. Tegelijkertijd komen er zestig duikflessen binnen. Het zijn 11-literflessen die na de duik gemiddeld nog 50 bar bevatten en weer tot 200 bar moeten worden gevuld. Iedere duikfles heeft dan 11 × (200 − 50) = 1.650 liter lucht nodig. Voor zestig flessen hebben we dus in totaal 60 × 1.650 = 99.000 liter lucht nodig. Op het eerste gezicht lijkt dat geen enkel probleem. Onze twintig buffertanks hebben samen een inhoud van 1.000 liter en staan op 280 bar. Daar zit dus grofweg 280.000 liter vrije lucht in. Ruim voldoende, zou je denken.

Maar stel nu dat we alle twintig buffertanks met elkaar verbinden tot één grote bank. Om een duikfles tot 200 bar te kunnen vullen, moet de druk in die bank boven de 200 bar blijven. Van de 280 bar die we hebben, kunnen we dus maar ongeveer 80 bar werkelijk gebruiken: 1.000 × (280 − 200) = 80.000 liter. Daarmee kunnen we onze zestig duikflessen niet allemaal vullen. We hebben 99.000 liter nodig, maar kunnen slechts ongeveer 80.000 liter uit de bank halen voordat de druk tot ongeveer 200 bar is gedaald. Het merkwaardige is dat er op dat moment helemaal geen tekort aan lucht is. In de buffertanks zit nog ongeveer 200.000 liter lucht. Alleen staat die lucht inmiddels op ongeveer 200 bar. We hebben dus nog ontzettend veel lucht, maar niet meer voldoende druk om onze duikflessen tot 200 bar af te vullen. Precies daarom verdelen we dezelfde twintig buffertanks over verschillende banken. Bijvoorbeeld:

LOW: 10 × 50 L = 500 liter
MID: 5 × 50 L = 250 liter
HIGH: 5 × 50 L = 250 liter

Alle drie beginnen in ons voorbeeld op 280 bar. Nu gebruiken we LOW voor het eerste gedeelte van iedere vulling. Die bank mag daarbij uiteindelijk ver onder de 200 bar zakken. Dat is geen probleem: zolang de druk in de duikfles nog lager is, kunnen we de lucht uit LOW blijven gebruiken.

Wanneer LOW niet meer voldoende drukverschil heeft, schakelen we over naar MID. En pas voor het laatste gedeelte van de vulling gebruiken we HIGH. Die bank proberen we zo lang mogelijk op een hoge druk te houden, omdat juist die hoge druk nodig is om de duikflessen uiteindelijk tot 200 bar af te vullen. Met deze cascadeopstelling kunnen we dezelfde luchtvoorraad veel verder benutten. In ons vereenvoudigde rekenvoorbeeld kunnen we alle zestig duikflessen van 50 naar 200 bar vullen.

We zijn dus met precies dezelfde twintig buffertanks en precies dezelfde hoeveelheid lucht begonnen. Het enige wat we hebben veranderd, is de manier waarop we die luchtvoorraad gebruiken. En dat laat iets belangrijks zien: een cascadesysteem zorgt er niet voor dat je méér lucht hebt. Het zorgt ervoor dat je veel meer van de lucht die je hebt daadwerkelijk kunt gebruiken. Bij een vulstation is namelijk niet alleen de hoeveelheid lucht waardevol, maar ook de druk waaronder die lucht beschikbaar is. Honderdduizend liter lucht op 100 bar kan bijzonder nuttig zijn voor het eerste gedeelte van een vulling, maar je kunt er geen fles mee tot 200 bar afvullen. Daarvoor moet je een deel van je voorraad op een hogere druk bewaren. 

Hoe snel vul je een duikfles?

Een groot drukverschil heeft nog een ander gevolg. Als we een bijna lege duikfles verbinden met een bufferbank op hoge druk en de kraan in één keer helemaal opendraaien, stroomt er in zeer korte tijd een enorme hoeveelheid lucht naar de fles. Dat lijkt misschien efficiënt, maar is niet verstandig.

Zoals we eerder bij de compressor zagen, wordt lucht warm wanneer we haar samenpersen. Hetzelfde gebeurt tijdens het vullen van een duikfles. Hoe sneller we vullen, hoe minder tijd die warmte heeft om via de wand van de fles aan de omgeving te worden afgegeven. De lucht in de fles kan daardoor behoorlijk warm worden. Dat heeft ook gevolgen voor de uiteindelijke vuldruk. De druk van een gas hangt namelijk samen met zijn temperatuur. Een warme fles die direct na het vullen 200 bar aangeeft, kan na afkoeling bijvoorbeeld nog maar 190 bar bevatten. Je hebt dan niet ineens lucht verloren; dezelfde hoeveelheid lucht neemt bij een lagere temperatuur simpelweg een lagere druk aan.

Daarom moeten de kranen van een buffersysteem rustig en geleidelijk worden geopend. Dat geldt zeker wanneer het drukverschil groot is. Je probeert niet de fles zo snel mogelijk op druk te krijgen, maar haar gecontroleerd te vullen en de warmteontwikkeling binnen redelijke grenzen te houden. Fabrikanten kunnen daarvoor maximale of aanbevolen vulsnelheden voorschrijven; die moeten altijd worden gevolgd.

Vroeger zag je bij vulstations daarom vaak grote bakken met water waarin de duikflessen tijdens het vullen werden gezet. Het water kon een deel van de warmte uit de fles opnemen en hielp zo de temperatuur tijdens het vullen lager te houden. Zulke waterbaden worden tegenwoordig veel minder gebruikt. Een gecontroleerde vulsnelheid maakt ze meestal niet nodig, terwijl een waterbak zelf ook nadelen heeft: de fles en kraan blijven voortdurend nat en er kan gemakkelijker water bij de vulaansluiting terechtkomen.

Het belangrijkste principe blijft daarom eenvoudig: vul niet sneller dan nodig is. Geef de fles en de lucht de tijd om warmte aan de omgeving af te staan en houd er rekening mee dat een warme fles na het vullen nog in druk zal zakken wanneer ze afkoelt. Als richtlijn wordt voor duikflessen vaak een vulsnelheid van ongeveer 20–40 bar per minuut genoemd. Een fles die van 50 naar 200 bar moet worden gebracht, zou er bij die snelheid dus ongeveer 4 tot 8 minuten over doen. Technisch is het vaak mogelijk om dezelfde fles in twee of drie minuten te vullen, maar daarmee ontstaat meer warmte en dus ook een grotere drukdaling wanneer de fles daarna weer afkoelt.

Langzamer vullen hoeft overigens niet te betekenen dat een vulstation minder flessen per uur kan verwerken. Wie efficiënt wil vullen, kan beter investeren in meer vulpunten dan in een hogere vulsnelheid. Een vulstation waar bijvoorbeeld 16 of 20 flessen tegelijkertijd kunnen worden aangesloten, kan de lucht rustig over al die flessen verdelen en toch een groot aantal flessen per uur verwerken. Een station met slechts vier of zes vulpunten staat veel sneller onder druk om iedere afzonderlijke fles zo snel mogelijk weer van het paneel te krijgen.

Wanneer de omgevingstemperatuur erg warm is, zoals op veel typische duikbestemmingen het geval is, zeker in de middag, dan kan het ook handig zijn om de tanks niet in een keer naar 200 bar te brengen, maar eerst naar bijvoorbeeld 180 bar, ze dan de tijd te geven om af te koelen en daarna nog een keer op te toppen. Efficiënt vullen betekent dus niet noodzakelijk snel vullen. Het betekent vooral veel flessen tegelijk, gecontroleerd en met een verstandige vulsnelheid vullen.

Uiteindelijk de fles in

Na alle compressietrappen, koeling, afscheiding, filtering, controles en buffertanks zijn we uiteindelijk aangekomen bij het laatste stukje van de installatie: de vulslang. Voor degene die de fles vult, lijkt dit misschien het eenvoudigste gedeelte van het hele proces. Je sluit een fles aan, opent een paar kranen en wacht tot de manometer 200 bar aangeeft. Maar juist omdat hier met hoge druk wordt gewerkt, is het belangrijk om steeds dezelfde vaste werkwijze te volgen. Voordat je een fles aansluit, controleer je eerst of deze daadwerkelijk gevuld mag worden. Kijk naar de fles, de kraan en de vulaansluiting en controleer of er geen zichtbare beschadigingen of andere redenen zijn om de fles niet te vullen. Afhankelijk van het vulstation hoort daar ook een controle van de keuringsdatum en de toegestane werkdruk bij. Een fles die voor 200 bar bedoeld is, mag uiteraard niet zomaar tot 300 bar worden gevuld.

Daarna verwijder je het stofkapje en sluit je de vulslang correct aan. De aansluiting op de fleskraan gebruikt dezelfde twee systemen die je van ademautomaten kent: DIN en INT (yoke). Voor beide bestaan traditionele schroef- of beugelaansluitingen, maar ook snelkoppelingen die het aansluiten van grote aantallen flessen gemakkelijker maken. Pas wanneer alles correct is aangesloten, breng je de luchtstroom rustig op gang. Vooral bij een groot drukverschil moet dat geleidelijk gebeuren. Open de luchttoevoer eerst een klein stukje en laat de druk gecontroleerd oplopen. Wanneer meerdere flessen tegelijk worden gevuld, kan de lucht over meerdere vulpunten worden verdeeld. Open de kranen vervolgens alleen verder voor zover de gewenste vulsnelheid dat toelaat.

Tijdens het vullen houd je niet alleen de druk, maar ook de temperatuur van de fles in de gaten. Een fles mag tijdens het vullen warm worden, maar wanneer een fles snel erg warm wordt, is dat een goede reden om de vulsnelheid terug te nemen. Houd er bovendien rekening mee dat de druk na het vullen weer iets zal dalen wanneer de fles afkoelt. Bij grote aantallen flessen kan het daarom praktisch zijn om eerst tot bijvoorbeeld 180 bar te vullen, de flessen te laten afkoelen en ze daarna rustig tot 200 bar op te toppen.

Wanneer de gewenste einddruk is bereikt, sluit je de luchttoevoer en/of de fleskraan. Daarna ontlucht je de vulslang via de daarvoor bestemde ontluchting. Pas wanneer de slang volledig drukloos is, maak je de vulaansluiting los. Controleer eventueel nog een laatste keer de einddruk en plaats daarna het stofkapje terug op de kraan. Bij veel vulstations heeft zo'n stofkapje daarmee ook een praktische tweede functie: kapje eraf betekent dat de fles nog gevuld moet worden; kapje erop betekent dat de fles gevuld en klaar voor gebruik is. Zo is in één oogopslag duidelijk welke flessen nog op het vulpaneel moeten en welke weer mee kunnen naar de duikstek.

Veilig werken aan het vulpaneel

Een vulinstallatie werkt met drukken van 200 tot 300 bar of meer. Dat betekent dat ook een relatief kleine fout grote gevolgen kan hebben. Een vulslang die onder druk losschiet kan bijvoorbeeld met grote kracht rondzwiepen, en hogedruklucht die door een kleine opening ontsnapt kan met zeer hoge snelheid naar buiten komen.

Controleer daarom vóór het vullen altijd of de vulaansluiting goed vastzit en of slangen, koppelingen en kranen er normaal uitzien. Gebruik een vulslang met zichtbare beschadigingen, lekkage of een verdachte koppeling niet totdat deze is gecontroleerd. Ga tijdens het vullen ook niet met je gezicht boven een kraan, vulaansluiting of slang hangen. Blijf zoveel mogelijk buiten de directe lijn van koppelingen en aansluitingen. Mocht er iets losschieten of bezwijken, dan wil je daar niet recht voor staan. Een aansluiting mag bovendien nooit worden losgemaakt terwijl er nog druk op de vulslang staat. Sluit eerst de fleskraan en de luchttoevoer af, ontlucht vervolgens de vulslang via de daarvoor bestemde ontluchting en controleer pas daarna of de aansluiting drukloos is voordat je haar losmaakt.

Hoor je tijdens het vullen plotseling een harde lekkage, zie je een slang bewegen of gebeurt er iets anders wat niet normaal is, probeer het probleem dan niet met je handen op te lossen terwijl het systeem nog onder druk staat. Stop eerst de luchttoevoer en maak het betreffende gedeelte van de installatie drukloos.

Wie flessen vult, doet er goed aan ook zichzelf te beschermen. Een veiligheidsbril beschermt de ogen wanneer er onverwacht iets misgaat met een aansluiting, O-ring of koppeling. In een compressorruimte of vulstation kan bovendien behoorlijk veel lawaai worden geproduceerd. Ook het ontluchten van vulslangen kan een kort maar scherp geluid veroorzaken. Gehoorbescherming is daarom verstandig, zeker wanneer je langere tijd bij het vulstation werkt.

Ook werkhandschoenen kunnen praktisch zijn. Niet zozeer vanwege de hoge druk zelf, maar omdat je tijdens een drukke vuldag voortdurend zware flessen, kranen, slangen en koppelingen vastpakt. Daar kunnen je handen behoorlijk ruw van worden. Zorg er wel voor dat de handschoenen voldoende grip en gevoel geven om kranen en koppelingen goed te kunnen bedienen.

Ten slotte zijn stevige, gesloten schoenen, bij voorkeur veiligheidsschoenen, geen overbodige luxe. Een gevulde duikfles is zwaar en een fles die omvalt of tijdens het verplaatsen uit je handen glijdt, kan behoorlijk wat schade aan je voeten veroorzaken. Slippers en andere open schoenen horen daarom eigenlijk niet thuis bij een vulstation.

Persoonlijke beschermingsmiddelen maken het vullen natuurlijk niet vanzelf veilig. De belangrijkste bescherming blijft een goed onderhouden installatie, een vaste vulprocedure en een operator die weet wat hij doet.

Gewoon lucht?

We begonnen dit hoofdstuk met een geruststellende boodschap aan beginnende duikers: in een duikfles zit eigenlijk niets bijzonders. Geen zuurstof en geen geheimzinnig ademgas, maar gewoon dezelfde lucht die we iedere dag inademen. Na alles wat we inmiddels hebben besproken, klinkt ‘gewoon lucht’ misschien toch iets anders.

We weten nu dat die lucht eerst op een geschikte plaats moet worden aangezogen en dat zelfs gewone buitenlucht waterdamp, stof, uitlaatgassen en andere verontreinigingen kan bevatten. We hebben gezien hoe een compressor die lucht in verschillende trappen van ongeveer 1 bar naar 200 of 300 bar brengt, waarom daarbij zoveel warmte ontstaat en waarom onderweg verrassend veel water uit de lucht moet worden verwijderd.

We weten inmiddels ook dat een compressor alleen nog geen ademlucht maakt. Daarvoor moet de lucht worden gekoeld, condensaat worden afgescheiden en moeten de resterende waterdamp, olie en andere verontreinigingen tot veilige niveaus worden teruggebracht. We hebben kennisgemaakt met moleculaire zeef, actieve kool en katalysatoren en gezien dat achter het eenvoudige woord filteren verschillende natuurkundige en chemische processen schuilgaan. En we weten dat ‘schoon’ niet zomaar een gevoel is. Voor ademlucht bestaan normen met grenswaarden voor onder andere zuurstof, koolmonoxide, koolstofdioxide, vocht en olie. Om te weten of onze eigen lucht daaraan voldoet, moeten we meten — en zelfs onze meetapparatuur moeten we regelmatig controleren.

Daarbij moet die schone ademlucht nog worden opgeslagen en verdeeld. Buffertanks geven ons niet alleen een grote voorraad lucht, maar een cascadesysteem zorgt ervoor dat we ook de beschikbare druk efficiënt gebruiken. Uiteindelijk komt die lucht via het vulpaneel en de vulslang in de fles terecht, waarbij vulsnelheid, temperatuur, einddruk en veiligheid opnieuw een rol spelen.

Wie dit allemaal heeft gelezen, is dus eigenlijk geen leek meer. Je hoeft daarmee nog geen compressormonteur te zijn en je hoeft ook niet ieder onderdeel van een vulstation zelf te kunnen repareren. Maar je begrijpt inmiddels wel wat er gebeurt, waarom het gebeurt en waar het mis kan gaan. Dat is voor een divemaster of instructeur misschien wel het belangrijkste. Want iedere keer dat je een kraan opendraait en uit je ademautomaat ademt, vertrouw je erop dat iemand vóór jou al die stappen goed heeft uitgevoerd. En uiteindelijk zit er dan inderdaad gewoon lucht in je fles. Maar daar is behoorlijk wat voor nodig.

Meer artikelen