СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ПОГЛОТИТЕЛЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА
METHOD OF PRODUCING CHEMICAL CARBON DIOXIDE ABSORBER

Изобретение относится к способам получения химического поглотителя для удаления диоксида углерода в индивидуальных дыхательных аппаратах, в частности аппаратах для подводного плавания без пузырькового типа.
Известен способ получения химического поглотителя диоксида углерода в виде гранул, который используется при подводном погружении (патент Канады №4407723, B01D5 3/02; B01J20/04, 1983 г.). Способ получения состоит из следующих стадий:
2
2
- смешение исходных компонентов, а именно Са(ОН) с HO;
- сушка на воздухе для удаления всей влаги при температуре 140°C;
2
- измельчение и просеивание высушенного материала, для получения гранул Са(ОН);
2
- нанесение во время перемешивания гранул водного раствора из КОН, NaOH, CaCl.
2
2
2
Поглотитель имеет следующий состав, % мас.: 75-85 Са(ОН); 15-20 HO; 2-3 NaOH; 1-2 КОН; 0,1-1 CaCl.
Химический поглотитель, полученный данным способом, имеет ряд существенных недостатков: низкая прочность, и как следствие, пыление и разрушение поглотителя в процессе эксплуатации, что приводит к снижению сорбционной емкости по диоксиду углерода.
Во время снаряжения и переснаряжения патронов дыхательных аппаратов требуется виброуплотнение гранулированного поглотителя. Виброуплотнение поглотителя необходимо для исключения формирования полых каналов, что приводит к истиранию поглотителя и появлению мелкодисперсной фракции в дыхательном контуре аппарата, вызывающей раздражение слизистой оболочки дыхательных органов человека. Во время работы дыхательного аппарата пыль от химического поглотителя в соединении с присутствующей влагой может создать слабый «каустический коктейль», что также негативно повлияет на человека.
Кроме того, переснаряжение и виброуплотнение не всегда возможно в полевых условиях.
Известен способ получения химического поглотителя диоксида углерода (патент РФ 2484891, МПК B01J 20/02, 2013 г.), предназначенного для использования в средствах защиты органов дыхания, по которому исходные компоненты, а именно гидроксиды щелочных и/или щелочноземельных металлов, смешивают с волокнообразующим полимером (фторопласт) и органическим растворителем. Из полученной суспензии под воздействием электростатического поля формуют поглотитель, далее для его активации увлажняют водой либо щелочным раствором.
2
Однако этот способ изготовления поглотителя является технологически сложным и взрыво-пожароопасным из-за использования органического легколетучего растворителя, а также представляет серьезную угрозу для окружающей среды. При неполном удалении органического легколетучего растворителя из поглотителя возможно его попадание в дыхательные пути пользователя, что крайне негативно для человека. Фторопласт, используемый как волокнообразующий полимер, является дорогостоящим компонентом (по сравнению с Са(ОН)), что приведет к увеличению себестоимости поглотителя.
Известен способ изготовления химического поглотителя диоксида углерода (патент РФ 2381831, МПК B01J 20/04, 2010 г.), по которому суспензию, приготовленную путем растворения в воде гидроксидов щелочных металлов и последующего добавления гидроксидов щелочных и/или щелочноземельных металлов, размещают на или в пористом волокнистом материале, формуют в виде листа путем прокатывания между валками и сушат при температуре 100-140°C до содержания остаточной влаги 15-22%.
Данный способ имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что не обеспечивает прочного скрепления между волокнистым материалом и гидроксидами щелочных и/или щелочноземельных металлов. Под воздействием механических нагрузок, поглотитель склонен к разрушению, что приводит к образованию трещин и пыли во время эксплуатации. К тому же при выравнивании суспензии между слоями волокнистого материала происходит выдавливание части суспензии на поверхность материала, а после сушки образуется большое количество мелкодисперсной пыли, что приводит к снижению удельной поверхности пор и, следовательно, газопроницаемости поглотителя, ведет к снижению реакционной способности и уменьшает время защитного действия дыхательного аппарата. Все это не только ухудшает основные эксплуатационные характеристики химического поглотителя (сорбционная емкость, кинетика процесса хемосорбции и др.), но и представляет серьезную опасность для пользователя - наличие большого количества щелочных аэрозолей во вдыхаемом воздухе может привести к химическим ожогам дыхательных путей человека.
Задачей настоящего изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик химического поглотителя.
Техническим результатом изобретения является повышение механической прочности и кинетики поглощения диоксида углерода.
Дополнительный технический результат - повышение безопасности и комфортности для пользователя.
Технический результат достигается тем, что в способе получения химического поглотителя диоксида углерода, включающем приготовление суспензии гидроксидов щелочных и/или щелочноземельных металлов путем растворения в воде гидроксидов щелочных металлов и последующее добавление гидроксидов щелочных и/или щелочноземельных металлов, нанесение суспензии на (или в) подложку из волокнистого материала, формование химического поглотителя и последующую сушку, при приготовлении суспензии после добавления гидроксидов щелочных металлов вводят модифицирующий агент, а именно галогениды щелочных и/или щелочноземельных металлов или их смесь в количестве 1-3% массовых от состава суспензии.
Достижению технического результата способствует также то, что в качестве модифицирующего агента предпочтительно использовать хлориды лития, натрия, калия, кальция, бромиды лития, калия, натрия, кальция или их смесь.
Предпочтительно модифицирующий агент вводить в жидкую фазу в твердом виде.
2
Существенные признаки заявленного изобретения, определяющие объем правовой охраны и достаточные для получения вышеуказанного технического результата, выполняют функции и соотносятся с результатом следующим образом. Во-первых, за счет введения в состав поглотителя диоксида углерода в указанном количестве модифицирующего агента при совместной кристаллизации с остальными компонентами из жидкой фазы на (или в) подложку происходит увеличение прочности адгезионной связи между частицами поглотителя и подложки, приводящее к увеличению механической прочности получаемого поглотителя. Это приводит к улучшению эксплуатационных характеристик химического поглотителя, а именно сорбционной емкости и кинетике процесса хемосорбции CO, уменьшению количества щелочных аэрозолей во вдыхаемом воздухе.
Во-вторых, как хорошо известно специалистам, работающим в технике процессов хемосорбции, поглощение из газовой фазы сорбата происходит в тонком слое жидкой фазы, образующейся на поверхности хемосорбентов. Часто лимитирующей стадией процессов хемосорбции является внутренняя диффузия молекул сорбата в объем жидкой фазы и образование в ней ионизированных молекул, вступающих в химические реакции. Присутствие в жидкой фазе в указанном количестве модифицирующего агента приводит к снижению вязкости поверхностной пленки водного раствора, образующейся на поверхности поглотителя, что приводит к усилению диффузионных процессов на границах раздела фаз, в жидкой фазе и повышению растворимости и ионизации реагирующих веществ в водном растворе поверхностной пленки. В результате за счет интенсификации массообменных процессов на границах газ - жидкость и жидкость - твердая фаза повышается кинетика процесса хемосорбции диоксида углерода.
Кроме того, введение модифицирующего агента способствует повышению подвижности суспензии за счет снижения ее вязкости, вследствие чего происходит более равномерное ее распределение на поверхности или внутри пористого материала. Это обеспечивает одинаковую толщину поглотителя по всей длине и способствует более полной его отработке в составе изделия, увеличивая тем самым время защитного действия при неизменности массогабаритных параметров изделия.
Способ получения химического поглотителя осуществляется следующим образом. К раствору гидроксидов щелочных металлов требуемой концентрации добавляют расчетное количество модифицирующего агента, после его полного растворения при интенсивном перемешивании добавляют гидроксиды щелочноземельных металлов. Полученную суспензию размещают на (или в) волокнистом пористом материале, равномерно ее распределяют любым известным способом, например прокатыванием между валками, и сушат на воздухе при температуре 100-150°C до остаточной влажности 20±5% массовых. По окончании сушки готовый поглотитель помещают в герметичный контейнер.
В примерах 1-6 приведены данные о получении заявляемым способом химического поглотителя диоксида углерода.
Пример 1
2
Готовят исходную суспензию при температуре 20°C, для чего 2,2 г твердого КОН растворяют в 55 мл воды, затем в полученный раствор добавляют 1,4 г твердого KCl, что составляет 1,24% массовых от состава суспензии, и после полного растворения KCl при непрерывном перемешивании вносят 54 г твердого Са(ОН). После гомогенизации полученной суспензии ее наносят, например, на слой стеклобумаги размером 10×30 см, например БМД-Ф ТУ 6-11-529-80 или БМД-К ТУ 6-48-93-92, сверху настилают слой стекломата марки МСТВ-2 ТУ 21-6328981-03-92 и разравнивают валками до толщины 1,5-2 мм. Полученный лист поглотителя сушат в сушильном шкафу с вентиляцией воздухом в две стадии, сначала при 10-15°C в течение 2-3 мин, а затем при температуре 100-150°C в течение 20-30 мин до остаточного содержания влаги 18-20%.
Пример 2
2
Готовят исходную суспензию при температуре 10°C, для чего 3 г твердого NaOH растворяют в 70 мл воды, после чего в полученный раствор добавляют 3 г твердого КО, что составляет 2,14% массовых от состава суспензии, и после полного растворения КО при непрерывном перемешивании вносят 64 г твердого Mg(OH). После гомогенизации полученной суспензии ее наносят на слой ткани, например, Арселон размером 10×40 см, сверху настилают слой стеклобумаги БМД-Ф или БМД-К и разравнивают валками до толщины 1,5-2 мм. Полученный лист поглотителя сушат в сушильном шкафу с вентиляцией воздухом при температуре 100-150°C в течение 20-30 мин до остаточного содержания влаги 20-22%.
Пример 3
2
2
2
2
Готовят исходную суспензию при температуре 15°C, для чего 1,8 г твердого КОН растворяют в 45 мл воды, после чего в полученный раствор добавляют 2,7 г твердого CaO, что составляет 2,85% массовых от состава суспензии, и после полного растворения CaCl при непрерывном перемешивании вносят 30 г твердого Са(ОН) и 15 г твердого LiOH. После гомогенизации полученной суспензии ее вносят, например, в заготовку в виде рукава из спанбонда плотностью 25 г/м размером 10×25 см и разравнивают валками до толщины 1,5-2 мм. Полученный лист поглотителя сушат в сушильном шкафу с вентиляцией воздухом в две стадии, сначала при 10-15°C в течение 2-3 мин, а затем при температуре 100-150°C в течение 20-30 мин до остаточного содержания влаги 19-21%.
Пример 4
2
2
2
Готовят исходную суспензию при температуре 25°C, для чего 1,7 г твердого NaOH растворяют в 40 мл воды, после чего в полученный раствор добавляют 2,1 г твердого NaBr, что составляет 2,47% массовых от состава суспензии, и после полного растворения NaBr при непрерывном перемешивании вносят 25 г твердого Са(ОН) и 16 г твердого Mg (ОН). После гомогенизации полученной суспензии ее вносят, например, в заготовку в виде рукава из спанбонда плотностью 17 г/м размером 8×30 см и разравнивают валками до толщины 1,5-2 мм. Полученный лист поглотителя сушат в сушильном шкафу с вентиляцией воздухом при температуре 100-150°C в течение 20-30 мин до остаточного содержания влаги 23-25%.
Пример 5
2
Готовят исходную суспензию при температуре 30°C, для чего 2,1 г твердого NaOH растворяют в 50 мл воды, после чего в полученный раствор добавляют 1,0 г твердого KCl и 0,6 г твердого LiBr, что составляет 1,53% массовых (KCl+LiBr) от состава суспензии, и после полного растворения KCl, LiBr при непрерывном перемешивании вносят 51 г твердого Са(ОН). После гомогенизации полученной суспензии ее наносят, например, на слой ткани Русан размером 15×20 см, сверху настилают двойной слой стеклобумаги марки БМД-Ф или БМД-К и разравнивают валками до толщины 1,5-2 мм. Полученный лист поглотителя сушат в сушильном шкафу с вентиляцией воздухом в две стадии сначала при 10-15°C в течение 2-3 мин, а затем при температуре 100-150°C в течение 20-30 мин до остаточного содержания влаги 15-19%.
Пример 6
2
2
2
2
2
2
2
2
Готовят исходную суспензию при температуре 18°C, для чего 3,2 г твердого КОН растворяют в 75 мл воды, после чего в полученный раствор добавляют 1,5 г твердого CaCl, 1,5 г твердого CaBr и 1 г твердого KCl, что составляет 2,50% массовых (CaCl+CaBr+KCl) от состава суспензии, и после полного растворения CaCl, CaBr, KCl при непрерывном перемешивании вносят 50 г твердого Са(ОН) и 28 г твердого LiOH. После гомогенизации полученной суспензии ее наносят, например, на слой ткани Nomex размером 15×30 см, сверху настилают слой спанбонда плотностью 17 г/м и разравнивают валками до толщины 1,5-2 мм. Полученный лист поглотителя сушат в сушильном шкафу с вентиляцией воздухом в две стадии сначала при 10-15°C в течение 2-3 мин, а затем при температуре 100-150°C в течение 20-30 мин до остаточного содержания влаги 16-18%.
Хемосорбционные свойства поглотителя, полученного по примерам 1-6, были исследованы в динамической трубке диаметром 39±0,5 мм и высотой 220 мм, через которую пропускалась газовоздушная смесь (ГВС), при следующих условиях:
объемный расход ГВС
(7,0±0,3) дм<sup>3</sup> /мин
объемный расход диоксида углерода
(0,280±0,005) дм<sup>3 </sup>/мин
объемная доля диоксида углерода в ГВС
(4,0±0,2) %
температура ГВС
плюс (23±1)°C
относительная влажность ГВС
(70±10) %
масса химического поглотителя в динамической трубке
(100±2) г
время испытаний
40 мин
Испытания поглотителя проводили до достижения содержания диоксида углерода в ГВС за слоем химического поглотителя, равным 3,0% об. После испытаний определяли количество поглощенного диоксида углерода.
Подвижность суспензии определялась по ГОСТ 5802-86. Прочность химического поглотителя оценивали по устойчивости к воздействию механических нагрузок, имитирующих транспортные. После испытаний взвешивали массу образовавшейся пыли. В аналогичных условиях проведены сравнительные испытания поглотителя, изготовленного по примеру №2 патента РФ №2381831. Результаты испытаний приведены в таблице. На графике фиг. 1 представлены кинетические кривые поглощения диоксида углерода. Кривая 1 характеризует кинетику поглощения диоксида углерода поглотителем, полученным по изобретению, кривая 2 - кинетику поглощения диоксида углерода поглотителем по примеру №2 патента РФ №2381831.
Как видно из представленных данных, поглотитель диоксида углерода, полученный по изобретению, обладает более высокими кинетическими параметрами процесса хемосорбции диоксида углерода в сравнении с продуктом по патенту РФ №2381831. При этом по такой важной эксплуатационной характеристике, как количество поглощенного диоксида углерода (данные представлены в таблице), поглотитель, полученный по изобретению, превосходит аналогичные показатели продукта по патенту РФ №2381831.
2
Перечисленные выше позитивные аспекты, связанные с процессом хемосорбции диоксида углерода во время работы дыхательного аппарата, обусловлены наличием в поглотителе модифицирующего агента и способа его введения в поглотитель, что приводит, во-первых, к повышению механической прочности поглотителя, а во-вторых, к снижению вязкости поверхностной пленки водного раствора, образующейся на поверхности поглотителя. Это, в свою очередь, приводит к усилению диффузионных процессов на границах раздела фаз, в жидкой фазе и повышению растворимости и ионизации реагирующих веществ в водном растворе поверхностной пленки. В результате за счет интенсификации массообменных процессов на границах газ - жидкость и жидкость - твердая фаза повышается кинетика процесса хемосорбции диоксида углерода поглотителем. Это особенно актуально при эксплуатации поглотителя в индивидуальных дыхательных аппаратах, в частности в аппаратах для подводного плавания без пузырькового типа в режиме высоких нагрузок, требующих быстрого удаления из газовой фазы значительного количества CO.
Введение модифицирующего агента также способствует повышению подвижности суспензии за счет снижения ее вязкости, вследствие чего происходит более равномерное ее распределение на поверхности или внутри пористого материала. Это обеспечивает одинаковую толщину поглотителя по всей длине и способствует более полной его отработке в составе изделия, увеличивая тем самым время защитного действия и уменьшая сопротивление дыханию во время работы дыхательного аппарата. Кроме того, уменьшение количества пыли обеспечивает повышение безопасности и комфортности для пользователя при эксплуатации индивидуальных дыхательных аппаратов.