СОСТАВ ПУСКОВОГО БРИКЕТА ДЛЯ ИЗОЛИРУЮЩЕГО ДЫХАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
TRIGGERING BRIQUETTE COMPOSITION FOR SELF-CONTAINED BREATHING APPARATUS

Изобретение относится к составам химических веществ, используемых в изолирующих дыхательных аппаратах на химически связанном кислороде.
В начальный период работы изолирующего дыхательного аппарата, когда выделение кислорода регенеративным продуктом недостаточно для дыхания пользователя, пусковой брикет, размещенный в патроне дыхательного аппарата, должен быстро заполнить дыхательный мешок изолирующего аппарата кислородом и интенсифицировать разработку регенеративного продукта (обеспечить повышение температуры и влагосодержания в зоне процесса регенерации воздуха). Запуск пускового брикета инициируется с помощью ампулы, содержащей водный раствор кислоты или соли.
Пусковые брикеты для изолирующих дыхательных аппаратов должны удовлетворять следующим основным требованиям:
- высокая стехиометрическая емкость по кислороду;
- генерация в процессе работы пускового брикета водяного пара в количестве, достаточном как для протекания реакций в пусковом брикете, так и для интенсификации работы регенеративного продукта в патроне изолирующего дыхательного аппарата;
- высокая кинетика протекающих процессов;
- разветвленная структура транспортных пор, обеспечивающая высокую скорость диффузии паров воды в объем пускового брикета и далее в регенеративный продукт;
- стабильность пористой структуры в процессе работы;
- неизменность химического состава пускового брикета на протяжении длительного времени хранения;
- минимальные объемные изменения в процессе эксплуатации;
- высокая прочность пускового брикета;
- минимальная токсическая опасность для пользователя.
Традиционно пусковые брикеты для изолирующих дыхательных аппаратов изготавливают путем механического смешения необходимых компонентов и последующего формования полученной шихты в брикеты различной формы, размещенные в патроне дыхательного аппарата, через который циркулирует регенерируемый воздух.
Известен состав пускового брикета [патент РФ №2314128, МПК А62D 9/00, 2008 г.], состоящего из трех частей - пусковой, переходной и основной. Пусковая часть массой около 2 г содержит надпероксид натрия, гидроксид алюминия, алюминиевый порошок, бор и хризотиловый асбест. Переходная часть массой около 1 г состоит из надпероксида натрия, перхлората магния, алюминиевого порошка и хризотилового асбеста. Основная часть массой около 25 г содержит надпероксид натрия и перхлорат магния. Данный состав пускового брикета имеет высокую стехиометрическую емкость по кислороду на единицу массы, тем не менее, ему присущ целый ряд недостатков. Во-первых, при разложении перхлората магния выделяются газообразный хлор и низшие оксиды хлора, представляющие опасность для пользователя изолирующего дыхательного аппарата, снаряженного пусковым брикетом указанного состава. Устранение данного недостатка требует применения эффективных поглотителей, что ведет к увеличению массогабаритных характеристик и стоимости изделия в целом. Во-вторых, пусковой брикет данного состава содержит от суммарной массы только около 1,8% весовых влаговыделяющего компонента (гидроксида алюминия), что явно недостаточно для интенсификации работы регенеративного продукта в патроне изолирующего дыхательного аппарата, особенно при отрицательных температурах. И, в-третьих, изготовление пускового брикета в виде моноблока, состоящего из трех частей, массы которых значительно отличаются друг от друга, сопряжено с технологическими трудностями.
Известны составы пусковых брикетов, содержащих надпероксид калия, пероксид натрия, гидроксид алюминия, диоксид марганца и алюминий [Авт.св. СССР №1197679, МПК А62D 9/00, 1985 г.] и надпероксиды натрия и калия, гидроксид алюминия и алюминий [патент РФ №2219982, МПК А62D 9/00, 2003 г.], в которых перекисные соединения щелочных металлов генерируют кислород, гидроксид алюминия служит источником атомов водорода для дальнейшего образования водяного пара, а алюминий при сгорании обеспечивает систему тепловой энергией, необходимой для протекания химических реакций. Пусковые брикеты, изготовленные по перечисленным выше изобретениям, выделяют достаточное количество кислорода и не выделяют токсичных веществ. Однако при эксплуатации пусковых брикетов, содержащих в своем составе в качестве источника атомов водорода для дальнейшего образования воды гидроксид алюминия, возникает ряд проблем. Во-первых, длительность хранения пусковых брикетов, содержащих гидроксид алюминия, за счет протекающих твердофазовых процессов, приводящих к изменению химического состава брикета, не превышает двух лет, что снижает гарантийный срок эксплуатации изолирующих дыхательных аппаратов, оснащенных такими пусковыми брикетами. Во-вторых, при работе данных пусковых брикетов происходит значительное увеличение их объема и изменение агрегатного состояния с твердого на жидкое. Это сопряжено с высокой вероятностью выхода из строя изолирующего дыхательного аппарата за счет того, что остаток горения пускового брикета, подвижный из-за выделяющегося кислорода и имеющий температуру порядка 400-500°С, может попасть на неметаллические узлы дыхательного аппарата и нарушить герметичность изделия. Данный фактор может привести в чрезвычайной ситуации (природная или техногенная катастрофа) к гибели пользователя таким изолирующим дыхательным аппаратом. Кроме того, пусковые брикеты указанного выше состава не обеспечивают надежной разработки регенеративного прподуктом при отрицательной температуре (ниже минус 20°С) из-за невысокой скорости массопереноса водяного пара из пускового брикета в патрон изолирующего дыхательного аппарата.
Также известен состав пускового брикета, полученный на основе смеси надпероксидов калия и натрия, бисульфата калия, алюминия и асбеста [патент РФ №2121858, МПК А62Д 9/00, 1997 г.]. Надпероксиды натрия и калия генерируют кислород, бисульфат калия служит источником атомов водорода для дальнейшего образования водяного пара, а алюминий, так же как и в указанных выше способах, при сгорании обеспечивает систему тепловой энергией, необходимой для протекания химических реакций. Пусковой брикет указанного состава стабилен при хранении на протяжении до 10 лет, надежно инициирует разработку регенеративного продукта в температурном интервале от плюс 50°С до минус 40°С, за счет наличия в рецептуре асбеста практически сохраняет форму на протяжении всего времени работы. Однако данный состав обладает двумя весьма существенными недостатками - недостаточно высоким количеством выделяемого кислорода на единицу массы и низкой кинетикой его выделения. По этой причине при эксплуатации изолирующего дыхательного аппарата, снаряженного пусковым брикетом данного состава, у пользователя (особенно в начальный период работы) могут возникнуть серьезные трудности: дыхательный мешок изолирующего аппарата объемом примерно 6 литров (габариты, соответствующие максимальному вдоху среднестатистического пользователя) не будет полностью заполнен газо-воздушной смесью, что приводит к резкому росту аэродинамического сопротивления дыханию пользователя; низкое содержание кислорода в первые 30 секунд (и, как следствие этого, высокое содержание диоксида углерода) в регенерируемом воздухе может привести к ухудшению физического состояния человека, что недопустимо для ряда пользователей (шахтеры, горноспасатели и др.).
Задачей изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик пускового брикета при его работе в патроне изолирующего дыхательного аппарата.
Технический результат заключается в увеличении количества выделяемого кислорода на единицу массы пускового брикета в процессе его эксплуатации и повышении кинетики данного процесса.
Дополнительным техническим результатом является снижение токсического воздействия на организм пользователя.
Технический результат достигается тем, что пусковой брикет, содержащий надпероксид натрия, надпероксид калия, бисульфат калия, алюминий и асбест в качестве структурообразующей добавки дополнительно содержит силикат кальция в виде волластонита. Волластонит может быть как природного, так и искусственного происхождения. Соотношение компонентов в составе регенеративного продукта следующее, мас.%:
Надпероксид натрия (КаО<sub>2</sub>)
32,0-38,0
Надпероксид калия (КО<sub>2</sub>)
12,0-18,0
Бисульфат калия (KHSO<sub>4</sub>)
37,0-42,0
Алюминий (Аl)
2,5-3,5
Асбест
2,5-3,5
Волластонит (CaSiO<sub>3</sub>)
4,0-5,5
2
2
Волластонит выступает в качестве добавки, выполняющей две основные функции. Во-первых, присутствие волластонита улучшает условия диффузии водяного пара в объем пускового брикета. Это происходит за счет того, что кристаллы как природного, так и синтетического волластонита, относящиеся либо к моноклинной, либо к триклинной сингонии, имеют спутанно-волокнистую игольчатую или удлиненно-таблитчатую (дощатую) форму, вытянутую параллельно оси b. За счет этого кристаллы волластонита обладают высокой газопроницаемостью (В.А.Тюльнин, В.Р.Ткач, В.И.Эйрих, Н.П.Стародубцев. Волластонит. Уникальное минеральное сырье многоцелевого назначения. // - М.: Руда и металлы, - 2003. - с.144). Температура плавления волластонита составляет 1540°С. Перечисленные выше уникальные свойства волластонита приводят к тому, что при работе пускового брикета вдоль волокнистых кристаллов волластонита образующиеся водяные пары могут диффундировать в любую точку объема пускового брикета и далее в патрон изолирующего дыхательного аппарата с регенеративным продуктом с высокой скоростью. При этом возникающие условия (температура, химический состав и др.) не влияют на первоначальную структуру волластонита (в отличие от хризотилового асбеста, который при возникающих в результате работы пускового брикета условиях может менять свою кристаллическую структуру со структуры хризотила на структуру форстерита и энстатита, что может привести к изменению конфигурации транспортных пор пускового брикета). Таким образом, на протяжении всего времени работы пускового брикета сохраняется неизменный газопроницаемый каркас, что существенно облегчает диффузию паров воды в его объем, что, в свою очередь, приводит к увеличению кинетики выделения кислорода и повышению степени отработки компонентов пускового брикета. Во-вторых, наличие в рецептуре пускового брикета в указанном количестве асбеста и волластанита придает системе в целом такие агдезионные свойства, что без существенного ущерба для прочности брикета и суммарного объема транспортных пор в его составе можно увеличить содержание надпероксида натрия до 38 вес.% (увеличение в составе пускового брикета по патенту РФ №2121858 надпероксида натрия выше 17 вес.% приводит к тому, что для получения пускового брикета с требуемой прочностью необходимо значительно увеличить его плотность, что приводит к ухудшению кинетики выделения кислорода за счет уменьшения суммарного объема транспортных пор). Увеличение содержания надпероксида натрия в составе пускового брикета не только увеличивает количество выделяемого кислорода на единицу массы пускового брикета в процессе его эксплуатации (КО содержит в своем составе 33 вес.% активного кислорода, a NaO - 43,6 вес.%), но и повышает температуру в зоне реакции (что согласно правилу Вант-Гоффа увеличивает скорость протекающих процессов). Это происходит за счет того, что надпероксид натрия более реакционноспособен по отношению к водяному пару, нежели надпероксид калия (теплота его реакции с водой составляет примерно 16 ккал/моль, в то время как для надпероксида калия данная величина примерно 12 ккал/моль) [И.И.Вольнов. Перекисные соединения щелочных металлов. // - М.: Наука, - 1980. - с.160]. Кроме того, предложенная рецептура пускового брикета обеспечивает высокую скорость массопереноса образующегося горячего водяного пара в патрон изолирующего дыхательного аппарата с регенеративным продуктом, что гарантирует надежную разработку регенеративного продукта при отрицательной температуре.
+
+
Следует также отметить, что пусковой брикет предложенного состава обладает меньшей токсичностью по сравнению с пусковым брикетом, имеющим состав по патенту РФ №2121858, поскольку ион Na в 10 раз менее токсичен, чем ион К (З.Франке. Химия отравляющих веществ. // - М.: Химия, - 1973, - Т.1, - С.411.), а в составе пускового брикета, полученного по изобретению, надпероксида калия содержится в 2,3 раза меньше, нежели в составе пускового брикета по патенту РФ №2121858.
Пусковой брикет для изолирующего дыхательного аппарата готовят обычным смешиванием в требуемых соотношениях компонентов в любом промышленном смесителе сыпучих материалов и последующим формовании полученной шихты в брикеты различной конфигурации в зависимости от конструкции патрона дыхательного аппарата и условий его эксплуатации.
Примеры составов пусковых брикетов, заявляемых по изобретению, приведены в таблице 1.
Таблица 1
По примеру №
Состав пускового брикета, % весовые
КO<sub>2</sub>
NaO<sub>2</sub>
KHSO<sub>4</sub>
Аl
асбест
волластанит
1
12,0
38,0
38,0
3,5
3,5
5,0
2
15,0
36,0
37,0
3,5
3,0
5,5
3
18,0
32,0
40,0
3,5
2,5
4,0
4
12,0
37,0
42,0
2,5
2,5
4,0
5
14,0
37,0
39,0
3,0
2,5
4,5
6
15,0
35,0
39,0
3,0
3,0
5,0
Испытания пусковых брикетов проводили по стандартной методике, принятой в технике при разработке и изготовлении изолирующих дыхательных аппаратов на химически связанном кислороде, заключающейся в воздействии на пусковой брикет инициирующей жидкости, снятии кинетической кривой выделения кислорода, определении периодов начального и общего разложения. Для сравнения с пусковыми брикетами различного состава по примерам 1-6 из таблицы 1 в тех же условиях испытывался специально изготовленный пусковой брикет - аналог по химическому составу пусковому брикету по патенту РФ №2121858. Все пусковые брикеты имели одинаковую форму и массу (44 г). Результаты испытаний представлены на чертеже и в таблице 2.
Таблица 2
Состав пускового брикета из таблицы 1
Начальный период разработки при различной температуре, с
Время полного разложения пускового брикета при различной температуре, с
Количество выделившегося кислорода, л/кг
минус 20°С
плюс 20°С
минус 20°С
плюс 20°С
1
1,5
1,0
49
25
134,0
2
2,0
1,0
50
26
131,5
3
2,0
1,0
51
26
131,0
4
2,0
1,0
52
27
130,0
5
1,5
1,0
48
24
138,0
6
1,5
1,0
49
24
136,5
По патенту РФ №2121858
10,0
11,0
75
37
125,0
На чертеже представлены кинетические кривые выделения кислорода пусковыми брикетами при температуре минус 20°С (в температурном интервале от минус 40°С до плюс 50°С все кинетические кривые выделения кислорода пусковыми брикетами имеют аналогичный характер и поэтому не приводятся). Кривая 1 на чертеже характеризует кинетику выделения кислорода пусковым брикетом, изготовленным по патенту РФ №2121858. Поскольку для всех пусковых брикетов, имеющих химический состав по примерам 1-6 из таблицы 1, изменение кинетических характеристик в условиях проведенных экспериментов не превышает 4% от среднего значения, на чертеже представлено среднее значение кинетики выделения кислорода (кривая 2).
Количество выделяемого кислорода на единицу массы пускового брикета в процессе его эксплуатации и кинетика данного процесса являются одними из основных эксплуатационных показателей пускового брикета для изолирующих дыхательных аппаратов. Увеличение количества выделяемого кислорода на единицу массы пускового брикета в процессе его эксплуатации и повышении кинетики данного процесса не только создает более безопасные и комфортные условия для пользователя, но и существенно увеличивает круг лиц, могущих пользоваться изолирующими дыхательными аппаратами (дети, люди, страдающие легочными заболеваниями и др.).
Как видно из представленных табличных и графических данных, составы пусковых брикетов, полученных по изобретению, генерируют при работе в патроне изолирующего дыхательного аппарата большее количество кислорода на единицу массы пускового брикета и обладают лучшими кинетическими параметрами данного процесса, чем пусковой брикет, имеющий состав по патенту РФ №2121858.
Улучшение параметров пускового брикета (по сравнению с пусковым брикетом по патенту РФ №2121858.) достигается за счет того, что в состав пускового брикета входят надпероксиды натрия и калия, бисульфат калия, алюминий, асбест и в качестве структурообразующей добавки дополнительно содержится силикат кальция в виде волокнистого материала волластанита.
Присутствие волластанита в качестве структурообразующей добавки, во-первых, позволяет без ухудшения прочностных характеристик пускового брикета увеличить содержание самого кислородоемкого компонента - надпероксида натрия, во - вторых, создает настолько благоприятные условия диффузии паров воды в объем пускового брикета, что процесс выделения кислорода характеризуется высокими кинетическими параметрами.