СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РЕГЕНЕРАТИВНОГО ПРОДУКТА ДЛЯ ИЗОЛИРУЮЩИХ ДЫХАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
WAY OF RECEPTION OF REGENERATIVE PRODUCT FOR ISOLATING RESPIRATORY APPARATUS

Изобретение относится к способам получения регенеративных продуктов на основе надпероксидов щелочных металлов (натрия и калия), используемых в системах регенерации воздуха и в изолирующих дыхательных аппаратах с химически связанным кислородом.
Регенеративные продукты для изолирующих дыхательных аппаратов должны 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 гранул продукта;
- минимальная токсическая опасность для пользователя.
При эксплуатации регенеративных продуктов в индивидуальных дыхательных аппаратах из-за протекающих физико-химических процессов (образование новых химических соединений, вызывающих объемные изменения гранул регенеративного продукта, частичное плавление исходных компонентов и продуктов реакции вследствие экзотермического характера протекающих реакций и др.) часто происходит уменьшение удельной поверхности транспортных пор сорбента, что в дальнейшем осложняет процесс поглощения паров воды и диоксида углерода гранулами регенеративного продукта и снижает кинетику хемосорбционного процесса. Это снижает степень отработки продукта для регенерации воздуха в индивидуальных дыхательных аппаратах до 50-70% и приводит к увеличению аэродинамического сопротивления дыханию человека. К более интенсивному проявлению данных негативных явлений может привести наличие в регенеративном продукте большого количества мелкодисперсной фракции (пыли), образующейся при механическом истирании гранул регенеративного продукта, вызванного вибрацией при постоянном ношении изолирующих дыхательных аппаратов на теле пользователя (шахтеры, горноспасатели и представители ряда других профессий в силу специфики своего труда для обеспечения безопасной деятельности должны постоянно носить изолирующие дыхательные аппараты).
Кроме того, наличие большого количества мелкодисперсной фракции регенеративного продукта в патроне индивидуального дыхательного аппарата при его эксплуатации приводит к высокому содержанию щелочных аэрозолей в регенерируемом воздухе, что негативно сказывается на здоровье пользователя.
Улучшение основных тактико-технических характеристик изделия можно достичь или изменением конструкции изолирующих дыхательных аппаратов, или модификацией регенеративного продукта (изменение химического состава, размера и плотности гранул продукта и др.). Возможно также параллельное направление работ.
Традиционно регенеративный продукт изготавливают путем механического смешения необходимых компонентов и последующего формования полученной шихты в насадки различной формы (гранулы, таблетки, блоки и др.), размещенные в патроне дыхательного аппарата, через который циркулирует регенерируемый воздух.
Для улучшения условий диффузии паров воды и диоксида углерода к центру гранул продукта в процессе его работы (что приводит к повышению степени отработки регенеративного продукта) в состав продукта вводят различные структурообразующие добавки, способствующие повышению газопроницаемости.
Известен способ получения регенеративного продукта 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 регенеративного продукта друг с другом, что приводит к увеличению поверхности контакта гранулы регенеративного продукта с водяным паром и диоксидом углерода.
Но регенеративный продукт, полученный данным способом, не обладает высокой степенью отработки при его эксплуатации в патроне изолирующего дыхательного аппарата. Это происходит за счет того, что в ходе работы изолирующего дыхательного аппарата 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 регенеративного продукта, 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 регенеративного продукта. Следует также учитывать, что введение объемного инертного наполнителя приводит к увеличению массогабаритных параметров индивидуальных дыхательных аппаратов без увеличения времени защитного действия изделия.
Известен способ получения регенеративного продукта путем смешения надпероксида калия и асбеста (от 2 до 10 вес.%), выполняющего роль структурообразующей добавки, с последующим формованием смеси [заявка ФРГ №1546513, кл. 61 b, 1/02, 1970 г.]. Регенеративный продукт, 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 регенеративного продукта не устраняет все недостатки, возникающие при эксплуатации продукта в индивидуальном дыхательном аппарате. Регенеративный продукт 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 аэродинамическое сопротивление дыханию пользователя.
Кроме того, все асбесты являются канцерогенными веществами, представляющими опасность для здоровья пользователя.
2
2
2
Наиболее близким из разработанных в настоящее время к заявляемому способу является способ получения регенеративного продукта [патент ФРГ №1287934, С01В 13/02, 1969 г], заключающийся в смещении в любых соотношениях надпероксидов натрия и калия, прессования полученной шихты под давлением 50-300 кг/см, дробления полученных пластин и последующего отсева целевой фракции продукта. Присутствие в регенеративном продукте надпероксида натрия повышает содержание активного кислорода на единицу массы продукта (КО содержит в своем составе 33 вес.% активного кислорода, а NаО - 43,6 вес.%).
2
Хотя регенеративный продукт, полученный предложенным способом, и имеет высокие стехиометрические емкости по диоксиду углерода и кислороду, он не лишен основного недостатка - низкой степени отработки в патроне реального аппарата. Это обусловлено тем, что в процессе эксплуатации такого продукта в патроне изолирующего дыхательного аппарата из-за протекающих физико-химических процессов (за счет тепловых эффектов химических реакций, протекающих в процессе регенерации воздуха, по эвтектоидной схеме происходит плавление смеси исходных компонентов и продуктов взаимодействия надпероксидов калия и натрия с водяным паром и диоксидом углерода) происходит блокировка транспортных пор, что делает невозможным диффузию паров воды и СO внутрь гранул регенеративного продукта. Данный негативный эффект усиливается за счет низкой механической прочности гранул продукта, приводящей при постоянном ношении изолирующего дыхательного аппарата к образованию мелкодисперсной фракции, наличие которой также способствует образованию расплава. По этой же причине растет аэродинамическое сопротивление дыханию пользователя и существенно повышается содержание щелочных аэрозолей в регенерируемом воздухе, что негативно сказывается на его здоровье.
Задачей изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик регенеративного продукта при его работе в патроне изолирующего дыхательного аппарата.
Технический результат заключается в разработке регенеративного продукта с повышенной механической прочностью, обладающего при работе в патроне изолирующего дыхательного аппарата высокой степенью отработки и обеспечивающего снижение аэродинамического сопротивления дыханию пользователя.
Указанный технический результат достигается изобретением, согласно которому в способе получения регенеративного продукта для изолирующих дыхательных аппаратов, включающем смешение надпероксидов натрия и калия и формование полученной смеси, дополнительно осуществляют термообработку формованного продукта, при этом в состав формуемой смеси вводят структурообразующую добавку. В качестве структурообразующей добавки используют гидроксид кальция и силикат кальция в виде волластонита. При этом температура термообработки составляет 500-700°С, а соотношение исходных компонентов в формуемой смеси составляет следующее, вес.%:
надпероксид натрия (NaO<sub>2</sub>)
55-80
надпероксид калия (КО<sub>2</sub>)
10-25
гидроксид кальция (Са(ОН)<sub>2</sub>)
5-20
волластанит (СаSiO<sub>3</sub>)
1-5
Такой прием позволяет, с одной стороны, повысить механическую прочность формованного регенеративного продукта, с другой стороны, обеспечить разветвленную структуру транспортных пор, практически постоянную на протяжении всего процесса регенерации воздуха в изолирующих дыхательных аппаратах, т.к. возникающие в процессе регенерации воздуха условия (повышенная температура, изменение химического состава продукта и др.) не влияют на первоначальную структуру волластонита (В.А.Тюльнин, В.Р.Ткач, В.И.Эйрих, Н.П.Стародубцев. Волластанит. Уникальное минеральное сырье многоцелевого назначения. // - М.: Руда и металлы, - 2003, - с.144). Это улучшает условия диффузии паров воды и диоксида углерода внутрь гранул регенеративного продукта при его эксплуатации, что позволяет более эффективно использовать ресурс регенеративного продукта 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 на вдохе и выдохе пользователя. Это обеспечивает более комфортные условия при эксплуатации изолирующих дыхательных аппаратов и расширяет круг лиц, имеющих физическую возможность пользоваться изолирующим дыхательным аппаратом.
+
+
Следует также отметить, что регенеративный продукт предложенного состава обладает меньшей токсичностью по сравнению с наиболее распространенными в технике регенерации воздуха продуктами на основе надпероксида калия, поскольку ион Naв 10 раз менее токсичен, чем ион К(3. Франке. Химия отравляющих веществ. // - М.: Химия, - 1973, - Т.1, - с.411), а в регенеративном продукте, получаемом по изобретению, надпероксида калия содержится не более 40 вес.%.
Способ получения регенеративного продукта осуществляют следующим образом. Исходные компоненты (надпероксид натрия, надпероксид калия, гидроксид кальция и волластонит) в необходимом соотношении перемешивают любым известным способом 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 500-700°С в течение 10-40 секунд.
Пример 1.
2
2
2
550 г NaO смешивают с 200 г КO, 200 г Са(ОН) и 50 г волластонита в обычном барабанном смесителе в течение 30-40 минут до получения однородной шихты. Затем полученную шихту формуют в насадки требуемой формы, после чего подвергают термической обработке в муфельной печи при температуре 500°С в течение 30 секунд. Полученный регенеративный продукт готов к эксплуатации в изолирующем дыхательном аппарате.
Пример 2.
2
2
2
650 г NaO смешивают с 200 г КO, 140 г Са(ОН) и 10 г волластонита в обычном барабанном смесителе в течение 30-40 минут до получения однородной шихты. Затем полученную шихту формуют в насадки требуемой формы, после чего подвергают термической обработке в муфельной печи при температуре 600°С в течение 20 секунд. Полученный регенеративный продукт готов к эксплуатации в изолирующем дыхательном аппарате.
Пример 3.
2
2
2
700 г NaO смешивают с 150 г KO, 120 г Са(ОН) и 30 г волластонита в обычном барабанном смесителе в течение 30-40 минут до получения однородной шихты. Затем полученную шихту формуют в насадки требуемой формы, после чего подвергают термической обработке в муфельной печи при температуре 550°С в течение 25 секунд. Полученный регенеративный продукт готов к эксплуатации в изолирующем дыхательном аппарате.
Пример 4.
2
2
2
750 г NaO смешивают с 150 г КО, 50 г Са(ОН) и 50 г волластонита в обычном барабанном смесителе в течение 30-40 минут до получения однородной шихты. Затем полученную шихту формуют в насадки требуемой формы, после чего подвергают термической обработке в муфельной печи при температуре 650°С в течение 10 секунд. Полученный регенеративный продукт готов к эксплуатации в изолирующем дыхательном аппарате.
Пример 5.
2
2
2
800 г NaO смешивают с 100 г KO, 70 г Са(ОН) и 30 г волластонита в обычном барабанном смесителе в течение 30-40 минут до получения однородной шихты. Затем полученную шихту формуют в насадки требуемой формы, после чего подвергают термической обработке в муфельной печи при температуре 700°С в течение 40 секунд. Полученный регенеративный продукт готов к эксплуатации в изолирующем дыхательном аппарате.
Пример 6.
2
2
2
650 г NaO смешивают с 250 г КО, 50 г Са(ОН) и 50 г волластонита в обычном барабанном смесителе в течение 30-40 минут до получения однородной шихты. Затем полученную шихту формуют в насадки требуемой формы, после чего подвергают термической обработке в муфельной печи при температуре 600°С в течение 30 секунд. Полученный регенеративный продукт готов к эксплуатации в изолирующем дыхательном аппарате.
Пример 7 (сравнительный).
2
2
850 г NaO смешивают с 150 г КО в обычном барабанном смесителе в течение 30-40 минут до получения однородной шихты. Затем полученную шихту формуют в насадки требуемой формы.
Регенеративный продукт, полученный заявляемым способом, испытан в патроне серийного изолирующего дыхательного аппарата ШСС-Т (ТУ ВТ 8.154.000), используемого шахтерами и горноспасателями, на установке "Искусственные легкие". Перед проведением испытаний на установке "Искусственные легкие" аппараты ШСС-Т, снаряженные регенеративным продуктом, изготовленным по примерам 1-6, были подвергнуты вибрационной нагрузке, имитирующей непрерывное ношение изолирующего дыхательного аппарата на теле пользователя в течение 7 дней.
Испытания на установке "Искусственные легкие" проводили при следующих условиях:
- легочная вентиляция
35,0±1 л/мин
- объемная подача диоксида углерода
1,57±0,03 л/мин
- влажность газовоздушной 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 в тех же условиях (включая проведение вибрационных нагрузок) испытывался регенеративный продукт, специально изготовленный по способу, описанному в патенте ФРГ №1287934 (пример 7). 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 СО в потоке газовоздушной смеси на линии "вдоха" установки «Искусственные легкие» достигала 3%. Результаты испытаний представлены в таблице и на графиках фиг.1 и 2, где на фиг.1 представлена зависимость аэродинамического сопротивления дыханию пользователя от времени работы в патроне изолирующего дыхательного аппарата на линии вдоха, а на фиг.2 представлена зависимость аэродинамического сопротивления дыханию пользователя от времени работы в патроне изолирующего дыхательного аппарата на линии выдоха.
Кривая 1 на графиках фиг.1 и 2 характеризует изменение данного параметра при работе изолирующего дыхательного аппарата, снаряженного регенеративным продуктом, полученным по способу, описанному в патенте ФРГ №1287934. Кривая 2 на графиках фиг.1 и 2 характеризует изменение данного параметра при работе изолирующего дыхательного аппарата, снаряженного регенеративным продуктом, полученным по заявляемому способу. Поскольку для всех регенеративных продуктов, изготовленных по примерам 1-6, изменение аэродинамического сопротивления дыханию пользователя на линиях вдоха и выдоха при работе индивидуального дыхательного аппарата не превышает 5%, на графиках фиг.1 и 2 представлено изменение среднего значения этого параметра.
Аэродинамическое сопротивление газовоздушной смеси на вдохе пользователя является одним из основных эксплуатационных показателей изолирующих дыхательных аппаратов, во многом определяющимся составом и свойствами регенеративного продукта. Снижение значения данного параметра не только создает более комфортные условия для пользователя, но и существенно увеличивает круг лиц, которые могут пользоваться изолирующими дыхательными аппаратами (дети, люди, страдающие легочными заболеваниями и др.).
Как видно из представленных табличных и графических данных, регенеративный продукт, 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 по патенту ФРГ №1287934.
Кроме того, из представленных на графиках фиг.1 и 2 зависимостей можно сделать вывод, что регенеративный продукт, полученный по изобретению, обладает большей механической прочностью, чем продукт, изготовленный по патенту ФРГ №1287934. Это следует из того факта, что в момент запуска индивидуального дыхательного аппарата, снаряженного продуктом, изготовленным по патенту ФРГ №1287934, аэродинамическое сопротивление дыханию пользователя на 12-16 мм водяного столба выше вследствие образования в патроне аппарата мелкодисперсной фракции при вибрационной нагрузке, чем аналогичное значение для аппарата, снаряженного регенеративным продуктом, полученным по изобретению.