СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОДУКТА ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ ВОЗДУХА
METHOD OF PRODUCING PRODUCT FOR AIR REGENERATION

Изобретение относится к способам получения продуктов для регенерации воздуха на основе надпероксида калия, используемых в системах жизнеобеспечения человека (СЖО) на химически связанном кислороде.
Использование продуктов для регенерации воздуха в системах жизнеобеспечения человека основано на выделении ими кислорода при взаимодействии с водой и диоксидом углерода выдыхаемого человеком воздуха. Продукт для регенерации воздуха для систем жизнеобеспечения человека (особенно для индивидуальных дыхательных аппаратов) должен удовлетворять следующим основным требованиям:
2
- высокая стехиометрическая емкость по кислороду и СО;
2
- высокая кинетика поглощения паров воды и СО, обеспечивающая достаточную степень использования стехиометрической емкости;
- разветвленная структура транспортных пор, обеспечивающая высокую скорость диффузии газов внутрь гранул сорбента;
- стабильность пористой структуры в процессе работы;
- минимальные объемные изменения в процессе эксплуатации;
- высокая прочность формованного продукта;
- минимальная токсическая опасность для пользователя.
При эксплуатации продуктов для регенерации воздуха в системах жизнеобеспечения человека из-за протекающих физико-химических процессов (образование новых химических соединений, вызывающие объемные изменения гранул продукта для регенерации воздуха, частичное плавление исходных компонентов и продуктов реакций вследствие экзотермического характера протекающих процессов и др.) часто происходит уменьшение удельной поверхности транспортных пор сорбента, что в дальнейшем осложняет диффузию паров воды и диоксида углерода в объем продукта для регенерации воздуха и снижает кинетику хемосорбционного процесса. Это снижает степень отработки продукта для регенерации воздуха в системах жизнеобеспечения до 40-50% и приводит к увеличению гидравлического 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, не могут 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 в системах жизнеобеспечения, так и изменением химического состава продукта для регенерации воздуха и формы его насадки. Часто это выполняют параллельно.
Традиционно продукт для регенерации воздуха изготавливают путем механического смешения необходимых компонентов и последующего формования полученной шихты в насадки различной формы (гранулы, таблетки, блоки и др.), размещенные в регенеративном патроне, через который циркулирует регенерируемый воздух.
Для оптимизации работы продукта для регенерации воздуха в его состав вводят различные структурообразующие добавки, способствующие устранению перечисленных выше недостатков.
Известен способ получения продукта для регенерации воздуха на основе надпероксида калия [патент ГДР №61761, кл. 61а, 29/22, 1968 г.], в состав которого для исключения контакта между зернами продукта введен инертный наполнитель, представляющий собой пористое тело различной формы - керамические шарики, кольца Рашига, крошка диатомита и др. Данное техническое решение частично исключает контакт гранул продукта для регенерации воздуха друг с другом, что приводит к увеличению поверхности контакта гранулы продукта для регенерации воздуха с водяным паром и диоксидом углерода.
Но продукт для регенерации воздуха, полученный данным способом, не обладает высокой степенью отработки при его эксплуатации в составе изделия. Это происходит за счет того, что в ходе работы изделия из-за тепловых эффектов протекающих процессов происходит плавление смеси исходных компонентов и продуктов реакций, протекающих в процессе хемосорбции, и, как следствие этого, оплывание поверхности гранул продукта для регенерации воздуха, что затрудняет условия диффузии газов внутрь гранул. Кроме того, не исключено слипание инертного наполнителя с гранулами продукта, что приводит к уменьшению поверхности контакта газ - твердое тело и, как следствие, к снижению степени отработки продукта для регенерации воздуха. Следует также учитывать, что введение объемного инертного наполнителя приводит к увеличению массогабаритных параметров изделия без увеличения времени защитного действия изделия.
Известен способ получения продукта для регенерации воздуха путем смешения надпероксида калия и асбеста (от 2 до 10% весовых), выполняющего роль структурообразующей добавки, с последующим формованием смеси [заявка ФРГ №1546513, кл. 61b, 1/02, 1970 г.]. Продукт для регенерации воздуха, полученный этим способом, имеет более высокую степень отработки, достигаемую за счет того, что диффузия паров воды и диоксида углерода обеспечивается вдоль волокон асбеста к центру гранул продукта на протяжении всего времени его эксплуатации в патроне изолирующего дыхательного аппарата.
Однако данный способ получения продукта для регенерации воздуха не устраняет все недостатки, возникающие при эксплуатации продукта в индивидуальном дыхательном аппарате. Продукт для регенерации воздуха по этому способу получают путем смешения исходных компонентов, прессования полученной шихты в блоки, их последующего дробления и отсева требуемой фракции. При дроблении эластичные волокна асбеста разрываются таким образом, что выходят за поверхность гранул продукта, образуя своеобразный «ворс» или «лохматость». Это приводит к тому, что при пользовании индивидуальным дыхательным аппаратом, снаряженным таким регенеративным продуктом, уже в начальный момент эксплуатации возрастает гидравлическое сопротивление дыханию пользователя.
Кроме того, все асбесты являются канцерогенными веществами, представляющими опасность для здоровья пользователя.
2
Наиболее близким к заявляемому способу получения продукта для регенерации воздуха в системах жизнеобеспечения человека из разработанных в настоящее время является способ получения продукта для регенерации воздуха [патент Франции №2521034, МПК B01J 20/04, 1983 г.], по которому его основу - надпероксид калия (KO) в количестве до 85% смешивают с оксидом кальция или магния (до 30%), выступающих в качестве структурообразующих добавок, в смесителе сыпучих материалов. Также возможно добавление оксохлорида меди, выступающего в качестве катализатора разложения перекисных соединений. Полученную шихту формуют в виде пластин, таблеток и др. и далее используют в системах жизнеобеспечения.
Введение в состав продукта для регенерации воздуха данной 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 продукт для регенерации воздуха, полученный данным способом, также имеет существенные недостатки. 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. Кроме того, при работе в реальном патроне изолирующего дыхательного аппарата продукта для регенерации воздуха, полученного данным способом, за счет интенсивного каталитического разложения надпероксида калия сильно увеличивается температура регенерированного воздуха, циркулирующего в системе. Это приводит к оплыванию поверхности формованного продукта для регенерации воздуха и их спеканию и, как следствие этого, возрастает гидравлическое сопротивление дыханию человека, что создает определенные трудности для пользователя индивидуального дыхательного аппарата. Это не позволяет максимально рационально использовать ресурс продукта для регенерации воздуха.
2
2
Следует особо отметить, что все перечисленные выше способы получения продуктов для регенерации воздуха на основе надпероксида калия обладают общим недостатком - уменьшение объема продукта для регенерации воздуха при его эксплуатации в системах жизнеобеспечения человека примерно на 11-13%. Это происходит за счет того, что в процессе регенерации воздуха при температуре около 125°С (а при регенерации воздуха за счет тепловых эффектов протекающих процессов температура в зоне реакции может достигать 400°С) происходит полиморфное превращение α-КО, относящейся к тетрагональной сингонии, в β-КО, имеющей кубическую гранецентрированную элементарную ячейку, чем и обусловлено уменьшение объема продукта для регенерации воздуха независимо от формы его насадки [Фирсова Т.П., Молодкина А.Н., Морозова Т.Г. О температуре плавления надперекиси калия. // Изв. АН СССР. ОХН. 1965. №9. С.1678-1683]. При этом движение регенерируемого воздуха происходит не через продукт для регенерации воздуха, а через образовавшиеся пустоты (т.е. по пути минимального сопротивления) и процесс регенерации воздуха как таковой прекращается. По этой причине продукт для регенерации воздуха может отработать только на 30-40% от своего теоретического ресурса.
Задачей изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик продукта для регенерации воздуха при его эксплуатации в системах жизнеобеспечения человека.
Технический результат заключается в разработке способа получения продукта для регенерации воздуха, обладающего при работе в патроне изолирующего дыхательного аппарата высокой степенью отработки и не меняющего в процессе эксплуатации свои объемные характеристики.
Указанный технический результат достигается изобретением, согласно которому в способе получения продукта для регенерации воздуха для систем жизнеобеспечения человека, включающем смешение надпероксида калия с оксидом кальция или оксидом магния, или их смесью и формование полученной шихты, дополнительно осуществляют перед смешением термообработку надпероксида калия при температуре от 140 до 160° в течение 4-6 часов.
2
2
2
Заявляемое изобретение позволяет улучшить эксплуатационные характеристики продукта для регенерации воздуха по следующим обстоятельствам. Во-первых, оксиды кальция и магния выступают в качестве структурообразующей добавки, препятствующей оплыванию гранул продукта для регенерации воздуха и плавлению смеси веществ, образующихся при работе продукта для регенерации воздуха в патроне дыхательного аппарата. Смесь не до конца прореагировавших исходных компонентов, продуктов взаимодействия KO, СаО, и MgO 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 формованного продукта для регенерации воздуха. Во-вторых, при термообработке надпероксида калия в указанном температурном интервале в течение 4-6 часов происходит полиморфное превращение α-КО, относящееся к тетрагональной сингонии, в β-КО, имеющей кубическую гранецентрированную элементарную ячейку. При этом данный энантиотропный фазовый переход сопровождается выделением небольшого количества кислорода, образующегося в результате реакции надпероксида калия и освобождающейся адсорбированный воды [Фирсова Т.П., Молодкина А.Н., Морозова Т.Г. О температуре плавления надперекиси калия. // Изв. АН СССР. ОХН. 1965. №9. С.1678-1683]. За счет перечисленных процессов происходит уменьшение объема исходного надпероксида калия примерно на 10-13%. Проведение термообработки надпероксида калия до его смешения с оксидом кальция и формования полученной в результате этого шихты в насадку необходимой формы позволяет получить формованный продукт для регенерации воздуха, объемные характеристики которого уже практически не меняются в процессе его эксплуатации в системах жизнеобеспечения человека.
Способ получения продукта для регенерации воздуха осуществляют следующим образом. Исходный надпероксид калия подвергают термообработке в течение 4-6 часов при температуре 140-160°С, после чего в необходимом количестве добавляют оксид кальция или оксид магния или их смесь и перемешивают любым известным способом до получения однородной шихты. Полученную таким образом шихту формуют в блоки, таблетки, гранулы и др. в зависимости от конструкции изделия, в котором продукт для регенерации воздуха будет эксплуатироваться.
Пример 1
8400 г надпероксида калия помещают в металлический контейнер, снабженный клапаном избыточного давления, и подвергают термообработке в течение 4 часов при температуре 140°С, после чего добавляют 1600 г оксида кальция и перемешивают любым известным способом до получения однородной шихты. Полученную таким образом шихту формуют в блоки, таблетки, гранулы и др. Полученный продукт для регенерации воздуха готов к эксплуатации в индивидуальном дыхательном аппарате.
Пример 2
9000 г надпероксида калия помещают в металлический контейнер, снабженный клапаном избыточного давления, и подвергают термообработке в течение 5 часов при температуре 150°С, после чего добавляют 1000 г оксида кальция и перемешивают любым известным способом до получения однородной шихты. Далее, как в примере 1.
Пример 3
9500 г надпероксида калия помещают в металлический контейнер, снабженный клапаном избыточного давления, и подвергают термообработке в течение 6 часов при температуре 160°С, после чего добавляют 500 г оксида кальция и перемешивают любым известным способом до получения однородной шихты. Далее, как в примере 1.
Пример 4
9000 г надпероксида калия помещают в металлический контейнер, снабженный клапаном избыточного давления, и подвергают термообработке в течение 5 часов при температуре 150°С, после чего добавляют 1000 г оксида магния и перемешивают любым известным способом до получения однородной шихты. Далее как в примере 1.
Пример 5
9000 г надпероксида калия помещают в металлический контейнер, снабженный клапаном избыточного давления, и подвергают термообработке в течение 6 часов при температуре 140°С, после чего добавляют 500 г оксида кальция, 500 г оксида магния и перемешивают любым известным способом до получения однородной шихты. Далее, как в примере 1.
Продукты для регенерации воздуха, полученные заявляемым способом, испытаны в патроне изолирующего дыхательного аппарата на установке "Искусственные легкие" (ИЛ) при следующих условиях:
- легочная вентиляция
35,0±1 л/мин
- объемная подача диоксида углерода
1,57±,03 л/мин
- влажность газо-воздушной смеси, %
96-98
- частота дыхания
20±0,5 мин<sup>-1</sup>
- температура окружающей среды
20-25°С
Объемы кислорода и диоксида углерода указаны при 10°С и 101,3 кПа, легочная вентиляция - при 37°С и 101,3 кПа.
2
Для сравнения с регенеративными продуктами различного состава, изготовленными по примерам 1-5, в тех же условиях испытывался продукт для регенерации воздуха, специально изготовленный по способу, описанному в патенте Франции №2521034. Все продукты для регенерации воздуха имели форму многоканальных блоков одинакового геометрического размера и плотности. Время защитного действия определяли как время от начала работы продукта для регенерации воздуха до того момента, когда концентрация СО в потоке газо-воздушной смеси на линии "вдоха" установки искусственные легкие достигала 3%. Результаты испытаний представлены в таблице.
Состав продукта
Масса продукта, г
Время защитного действия, мин
Количество поглощен-ного СО<sub>2</sub>, л
Количество выделенного O<sub>2</sub>, л
Степень отработки по СО<sub>2</sub>, %
Степень отработки по O<sub>2</sub>, %
Изменение первоначального объема блока, %
По примеру 1
540
41
65,6
78,2
61,8
72,9
2,0
По примеру 2
540
40
64
82,4
65,2
71,7
2,1
По примеру 3
540
39
62,4
81,2
68,0
66,9
2,2
По примеру 4
540
40
64
78,5
59.9
68,3
2,2
По примеру 5
540
41
65.6
82,9
64,0
73,0
2,1
Продукт по патенту Франции№ 2521034
540
27
43,2
56,7
43,6
54,8
10,3
Как видно из представленных табличных данных, продукт для регенерации воздуха, полученный по изобретению, обеспечивает за счет более высокой степени отработки при работе в патроне изолирующего дыхательного аппарата большее время защитного действия при одинаковых массогабаритных характеристиках индивидуального дыхательного аппарата в сравнении с регенеративным продуктом, изготовленным по патенту Франции №2521034.
Заявляемое изобретение позволяет создать продукт для регенерации воздуха, не меняющего свои объемные характеристики и имеющего разветвленную структуру транспортных пор, практически постоянную на протяжении всего процесса регенерации воздуха в системах жизнеобеспечения человека, что улучшает условия диффузии паров воды и диоксида углерода в объем формованного продукта для регенерации воздуха при его эксплуатации. Неизменность объема продукта для регенерации воздуха, достигнутая благодаря предварительной термообработке надпероксида калия, исключает возможность циркуляции потоков регенерируемого воздуха мимо слоя продукта в процессе его эксплуатации. Это позволяет более эффективно использовать ресурс продукта для регенерации воздуха и за счет этого увеличить время защитного действия дыхательного аппарата при тех же массогабаритных характеристиках.