РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПРОДУКТ ДЛЯ ИЗОЛИРУЮЩИХ ДЫХАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
REGENERATIVE PRODUCT FOR SELF-CONTAINED BREATHING APPARATUS

Изобретение относится к составам химических веществ, используемых в системах регенерации воздуха и в изолирующих дыхательных аппаратах на химически связанном кислороде, и может быть использовано в производстве продуктов для регенерации воздуха на основе надпероксида калия.
Использование продуктов для регенерации воздуха в патронах изолирующих дыхательных аппаратов (ИДА) основано на выделении ими кислорода при взаимодействии с водой и диоксидом углерода выдыхаемого человеком воздуха. Данный процесс можно схематически описать уравнениями следующих реакций:
2
2
2
2MeO+HO→2MeOH+1,5O+Q
2
2
3
2
2MeOH+CO→MeCO+HO+Q
При этом возникающие в процессе реакций условия (образование новых химических соединений, частичное плавление исходных компонентов и продуктов реакции вследствие экзотермического характера протекающих процессов и др.) часто приводят к изменению структуры транспортных пор продукта для регенерации воздуха, что в дальнейшем затрудняет диффузию паров воды и диоксида углерода в объем гранул продукта для регенерации воздуха. Это снижает степень отработки продукта для регенерации воздуха в патроне индивидуального дыхательного аппарата до 50-70% и приводит к увеличению аэродинамического сопротивления дыханию человека.
Перечисленные выше недостатки приводят к неоправданному росту массогабаритных характеристик изделий и ограничивают круг потенциальных пользователей (индивидуальными дыхательными аппаратами, работающими на таких регенеративных продуктах, могут ограниченно пользоваться дети, люди, страдающие заболеваниями дыхательных путей, и др.).
Повышение эффективности работы продукта для регенерации воздуха и улучшение его эксплуатационных характеристик осуществляется как изменением конструкции регенеративного патрона, так и изменением химического состава продукта для регенерации воздуха и формы его насадки. Часто это выполняют параллельно.
Традиционно продукт для изолирующих дыхательных аппаратов изготавливают путем механического смешения необходимых компонентов и последующего формования полученной шихты в насадки различной формы (гранулы, таблетки, блоки и др.). Такие насадки размещают в патроне дыхательного аппарата, через который циркулирует регенерируемый воздух.
Для улучшения условий диффузии паров воды и диоксида углерода к центру гранул продукта для регенерации воздуха в процессе его работы (что приводит к повышению степени отработки продукта для изолирующих дыхательных аппаратов) в состав продукта вводят различные структурообразующие добавки и катализаторы.
2
2
Известен регенеративный продукт на основе надпероксида калия [патент ФРГ №1546512, кл. 61В, 1/02, 1966 г.], в состав которого для увеличения выделения регенеративным продуктом кислорода введена каталитическая добавка в виде оксидов тяжелых металлов или соединений тяжелых металлов (например, Cu(OH)·3CuCl). Данное решение позволяет повысить работоспособность регенеративного продукта при низких температурах и стабильность при нормальных температурах.
Однако каталитическое разложение надпероксида калия, приводящее к увеличению скорости выделения кислорода, необходимо лишь в начальный период работы регенеративного продукта, а в дальнейшем это приводит к избыточному (по сравнению с необходимым для дыхания пользователя) выделению кислорода. Все это не позволяет максимально рационально использовать ресурс регенеративного продукта.
Известен метод получения молекулярного кислорода из феррат (VI) содержащих соединений [заявка WO 2009/142823 A1, МПК А61М 16/10, С01В 13/02, 2009 г.], отличающийся смешиванием феррата (VI) с водой в присутствии кислоты. Данный метод позволяет получать кислород для дыхания человека или животного в количестве 0,2…0,75 моль кислорода на каждый моль феррата (VI), что составляет примерно 22,64…84,85 л кислорода на 1 кг феррата (VI).
Однако для достижения величины 84,85 л кислорода на 1 кг феррата (VI) необходимо использовать продукт со стопроцентным содержанием основного вещества. На настоящий момент такие продукты не получены [патент US №4405573, НКИ 423/150.1, 1981 г., патент РФ №2356842, МПК C01G 49/00, C01D 13/00, 2009 г., патент РФ №2371392, МПК C01G 49/00, 2009 г.], поэтому в реальных условиях объем выделившегося кислорода на 1 кг феррата (VI) будет значительно ниже.
2
2
При сравнении количества выделяющегося кислорода на 1 кг продукта феррат (VI) содержащие продукты проигрывают регенеративным (на основе KO, NaO), стехиометрическое содержание активного кислорода в которых превышает величину 236 л/кг.
Наиболее близким из разработанных в настоящее время к заявляемому продукту является продукт для регенерации воздуха, содержащий в качестве основного вещества надпероксид калия, в качестве структурообразующей добавки - оксиды кальция или магния, в качестве катализатора - оксохлорид меди [патент ЕПВ №0086138, МПК С01В 15/02, 1983 г.]. Введение в состав продукта для регенерации воздуха такой структурообразующей добавки позволяет повысить температуру плавления смеси продуктов реакций надпероксида калия с влагой и диоксидом углерода выдыхаемого человеком воздуха, что уменьшает возможность спекания и плавления продукта в патроне дыхательного аппарата. Соответственно, улучшатся условия диффузии паров воды и диоксида углерода внутрь гранул продукта. Катализаторы используют для интенсификации выделения кислорода (особенно в начальный период работы дыхательного аппарата).
Однако данный состав продукта для регенерации воздуха характеризуется неравномерным выделением кислорода и поглощением диоксида углерода, а также недостаточно высокой динамической емкостью по диоксиду углерода и кислороду, что обусловлено осложненной диффузией газов в объем гранул продукта для регенерации воздуха. Каталитическое разложение надпероксида калия, приводящее к увеличению скорости выделения кислорода, необходимо лишь в начальный период работы продукта для регенерации воздуха, а в дальнейшем это приводит к избыточному выделению кислорода. Все это не позволяет максимально рационально использовать ресурс продукта для регенерации воздуха.
Кроме того, при работе в реальном патроне изолирующего дыхательного аппарата продукта для регенерации воздуха этого состава за счет интенсивного каталитического разложения надпероксида калия сильно увеличивается температура регенерированного воздуха, циркулирующего в системе. Это приводит к оплыванию поверхности гранул продукта для регенерации воздуха и их спеканию, и, как следствие этого, возрастает аэродинамическое сопротивление дыханию пользователя, что создает определенные трудности для пользователя.
Задачей изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик продукта для регенерации воздуха при его работе в патроне изолирующего дыхательного аппарата.
2
Технический результат заключается в разработке состава продукта для регенерации воздуха, имеющего высокую емкость по кислороду и диоксиду углерода, обеспечивающего равномерное поглощение CO и выделение кислорода при работе продукта в патроне дыхательного аппарата.
Технический результат достигается тем, что продукт для регенерации воздуха на основе надпероксида калия дополнительно содержит феррат (VI) калия. Соотношение компонентов в составе продукта для регенерации воздуха следующее, мас.%:
надпероксид калия (KO<sub>2</sub>)
90-98
феррат (VI) калия (K<sub>2</sub>FeO<sub>4</sub>)
2-10.
3
Феррат (VI) калия в составе продукта для регенерации воздуха на основе надпероксида калия выступает в качестве источника кислорода и структурообразующей добавки, препятствующей оплыванию гранул продукта для регенерации воздуха и плавлению смеси веществ, образующихся при работе продукта для регенерации воздуха в патроне дыхательного аппарата. Также при осуществлении процесса регенерации воздуха протекает реакция автокаталитического типа, в результате которой в процессе реакции взаимодействия феррата (VI) калия с влагой образуется гидроксид железа (III) (Fе(ОН)), являющийся катализатором разложения надпероксида калия.
Способность феррата (VI) калия выступать в качестве источника кислорода и структурообразующей добавки, а также участвовать в реакции автокаталитического типа обусловлены его взаимодействием с водой с образованием гидроксида калия, активного гидроксида железа (III) и кислорода:
2
4
2
3
2
4KFeO+10HO=8KOH+4Fe(OH)+3O.
Кислород, образующийся в результате реакции, является дополнительным источником газа для дыхания человека, увеличивая время защитного действия изолирующего дыхательного аппарата. Ввиду того, что кислород уходит из зоны реакции, образуя открытые диффузионные каналы, вода и диоксид углерода свободно проникают во внутренние слои продукта, приводя к более полной его отработке. При этом поверхность «свежеобразованного» в процессе реакции соединения железа (III) обладает большой каталитической активностью, чем в случае введения этого вещества в виде механической смеси.
2
2
4
Смесь не до конца прореагировавших исходных компонентов, продуктов взаимодействия KO, KFeO с водой и диоксидом углерода образует ряд твердых растворов с эвтектическими точками, лежащими выше температуры, достигаемой в зоне реакции, т.е. на протяжении всего времени работы продукта для регенерации воздуха в патроне существуют пористые твердые фазы переменного состава. Это улучшает условия диффузии паров воды и диоксида углерода в объем гранул продукта для регенерации воздуха.
3
3
3
Активный гидроксид железа (Fe(OH)), образующийся в результате разложения феррата (VI) калия под действием влаги, катализирует разложение надпероксида калия и выступает в качестве добавки, улучшающей условия диффузии газов внутрь гранул продукта для регенерации воздуха. Последнее происходит за счет того, что частицы гидроксида железа (III) имеют развитую поверхность и пористую структуру. Температура разложения Fe(OH) составляет 500°С (В.А.Рабинович, З.Я.Хавин. Краткий химический справочник. // Л.: Химия, 1977, с.63). Перечисленные выше свойства гидроксида железа (III) приводят к тому, что при работе продукта для регенерации воздуха в патроне изолирующего дыхательного аппарата через пористую структуру частиц Fe(OH) пары воды и диоксид углерода могут диффундировать в любую точку объема гранулы продукта для регенерации воздуха. При этом возникающие в процессе регенерации воздуха условия (температура, химический состав и др.) не влияют на образовавшуюся первоначальную структуру гидроксида железа (III). Таким образом, на протяжении всего времени работы продукта для регенерации воздуха внутри каждой его гранулы сохраняется неизменный газопроницаемый каркас. Это существенно облегчает диффузию паров воды и диоксида углерода в объем гранул продукта для регенерации воздуха на протяжении всего времени работы индивидуального дыхательного аппарата, что, в свою очередь, приводит к увеличению степени отработки продукта для регенерации воздуха.
Получающаяся в результате автокаталитической реакции активный гидроксид железа (III) образуется постепенно по мере отработки продукта и достижении парами воды его внутренних слоев, что не приводит к избыточному (по сравнению с необходимым для дыхания пользователя) выделению кислорода. Это позволяет максимально рационально использовать ресурс регенеративного продукта.
Способ получения регенеративного продукта осуществляют следующим образом. Исходные компоненты (надпероксид калия и феррат (VI) калия) в необходимом соотношении перемешивают в любом промышленном смесителе сыпучих материалов до получения однородной шихты. Полученную шихту формуют в блоки, таблетки, гранулы и др. в зависимости от конструкции изделия, в котором регенеративный продукт предложенного состава будет эксплуатироваться. После формования изделие (блоки, таблетки, гранулы и др.) подвергают термообработке при температуре 100±10°С в течение 4-6 часов.
Примеры составов регенеративных продуктов приведены в таблице 1.
Таблица 1
Регенеративный продукт
Состав продукта, %
KO<sub>2</sub>
Феррат (VI) калия
По примеру 1
90
10
По примеру 2
93
7
По примеру 3
95
5
По примеру 4
98
2
Примечание: регенеративные продукты могут содержать до 3% примесей, принципиально не влияющих на свойства продукта.
Регенеративный продукт предлагаемого состава испытан в патроне изолирующего дыхательного аппарата на установке "Искусственные легкие".
2
Для сравнения с регенеративными продуктами различного состава по примерам 1-4 из таблицы 1 в одинаковых условиях испытывался регенеративный продукт, специально изготовленный по способу, описанному в патенте ЕПВ №0086138, МПК С01В 15/02, 1983 г. Все регенеративные продукты имели форму гранул одинакового размера и плотности. Время защитного действия изолирующего дыхательного аппарата определяли как время от начала его работы до того момента, когда концентрация CO в потоке газовоздушной смеси на линии "вдоха" установки «Искусственные легкие» достигала 3%. Результаты испытаний представлены в таблице 2 и на фиг.1-3.
Таблица 2
Результаты испытаний регенеративных продуктов на установке «Искусственные легкие»
Состав продукта
Масса продукта, г
Время защитного действия, мин
Количество поглощен-ного CO<sub>2</sub>, л
Количество выделенного O<sub>2</sub>, л
Максимальная температура на вдохе, °С
Максимальное сопротивление дыханию на линии вдоха, мм вод.ст
Максимальное сопротивление дыханию на линии выдоха, мм вод.ст
По примеру 1
324
29,1
35,0
53,1
45
60
45
По примеру 2
325
29,2
35,1
54,6
43
60
45
По примеру 3
326
31,0
37,2
55,8
42
65
45
По примеру 4
330
28,2
37,0
55,5
42
65
45
Продукт по патенту ЕПВ №0086138
330
20,0
24,0
37,0
52
95
80
На фиг.1 представлена зависимость аэродинамического сопротивления дыханию пользователя от времени работы в патроне изолирующего дыхательного аппарата на линии вдоха.
На фиг.2 представлена зависимость аэродинамического сопротивления дыханию пользователя от времени работы в патроне изолирующего дыхательного аппарата на линии выдоха.
Кривая 1 на фиг.1 и 2 характеризует изменение аэродинамического сопротивления при работе изолирующего дыхательного аппарата, снаряженного продуктом для регенерации воздуха по патенту ЕПВ №0086138.
Кривая 2 на фиг.1 и 2 характеризует изменение среднего значения аэродинамического сопротивления (по примерам 1-4 из таблицы 1) при работе изолирующего дыхательного аппарата, снаряженного регенеративным продуктом предлагаемого состава.
На фиг.3 представлена зависимость температуры газовоздушной смеси на вдохе пользователя от времени работы для патрона изолирующего дыхательного аппарата, снаряженного продуктом для регенерации воздуха по патенту ЕПВ №0086138 (кривая 1) и среднее изменение температуры на вдохе для патронов, снаряженных регенеративными продуктами по примерам 1-4 (кривая 2). Поскольку для всех регенеративных продуктов по примерам 1-4 из таблицы 1 изменение температуры на вдохе при работе в патроне не превышает 5%, на фигуре представлено изменение среднего значения этого параметра.
Аэродинамическое сопротивление газовоздушной смеси на вдохе и выдохе пользователя является одним из основных эксплуатационных показателей изолирующих дыхательных аппаратов, во многом определяющимся составом и свойствами продукта для регенерации воздуха. Снижение значения данного параметра не только создает более комфортные условия для пользователя, но и существенно увеличивает круг лиц, могущих пользоваться изолирующими дыхательными аппаратами (дети, люди, страдающие легочными заболеваниями, и др.).
Температура газовоздушной смеси на вдохе пользователя является одним из основных эксплуатационных показателей изолирующих дыхательных аппаратов, во многом определяющимся составом и свойствами регенеративного продукта. Увеличение этого показателя выше 50°С недопустимо по соображениям безопасности дыхания человека. Соответственно, снижение данного показателя до температур, близких к температуре окружающей среды, создает более безопасные и комфортные условия для пользователей изолирующих дыхательных аппаратов.
Как видно из представленных табличных и графических данных, составы продуктов для регенерации воздуха, полученных по изобретению, обеспечивают при работе в патроне изолирующего дыхательного аппарата большее время защитного действия в сравнении с регенеративным продуктом по патенту ЕПВ №0086138.
Улучшение параметров продукта для регенерации воздуха (по сравнению с продуктом по патенту ЕПВ №0086138) достигается за счет того, что в качестве дополнительного источника кислорода и структурообразующей добавки в состав продукта для регенерации воздуха входит феррат (VI) калия, образующий катализатор разложения надпероксида калия во время регенерации воздуха при работе в патроне изолирующего дыхательного аппарата.
Это улучшает условия диффузии паров воды и диоксида углерода внутрь гранул продукта для регенерации воздуха, что позволяет более эффективно использовать ресурс продукта для регенерации воздуха и за счет этого увеличить время защитного действия дыхательного аппарата при тех же массогабаритных характеристиках. Кроме того, изолирующий дыхательный аппарат, снаряженный предложенным регенеративным продуктом, имеет меньшее значение аэродинамического сопротивления и более низкую температуру газовоздушной смеси, поступающей на вдох пользователю. Это обеспечивает более комфортные условия при эксплуатации изолирующих дыхательных аппаратов и расширяет круг лиц, имеющих физическую возможность пользоваться изолирующим дыхательным аппаратом.