РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПРОДУКТ ДЛЯ ИЗОЛИРУЮЩИХ ДЫХАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
REGENERATIVE PRODUCT FOR SELF-CONTAINED RESPIRATORY APPARATUSES

Изобретение относится к составам химических веществ, используемых в системах регенерации воздуха и в изолирующих дыхательных аппаратах (далее ИДА) на химически связанном кислороде, и может быть использовано в производстве продуктов для регенерации воздуха на основе надпероксида калия.
Использование продуктов для регенерации воздуха в регенеративных патронах ИДА основано на выделении ими необходимого для дыхания человека кислорода при взаимодействии (процесс хемосорбции) с парами воды и диоксидом углерода выдыхаемого человеком воздуха. Данный процесс можно схематически описать уравнениями следующих реакций:
где Me - щелочной металл.
Продукт для регенерации воздуха в системах жизнеобеспечения человека должен соответствовать следующим основным требованиям:
- высокая стехиометрическая емкость по кислороду и диоксиду углерода;
- высокая кинетика поглощения паров воды и диоксида углерода, обеспечивающая достаточную степень использования стехиометрической емкости;
- разветвленная структура транспортных пор, обеспечивающая диффузию компонентов газовой фазы внутрь гранул, таблеток, блоков и т.д.;
- стабильность пористой структуры и минимальные объемные изменения в процессе хемосорбции;
- минимальные тепловые эффекты;
- минимальная токсическая опасность для пользователя.
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 продукта для регенерации воздуха. Это снижает степень отработки продукта для регенерации воздуха в патроне ИДА до 50-70% и приводит к увеличению аэродинамического сопротивления последнего дыханию человека. Под степенью отработки регенеративного продукта понимается отношение количества выделенного кислорода и поглощенного диоксида углерода (в реальных условиях) к стехиометрическим величинам.
Перечисленные выше недостатки требуют увеличения массогабаритных характеристик изделий и ограничивают круг потенциальных пользователей (ИДА, работающими на таких регенеративных продуктах, могут лишь ограниченно пользоваться дети и люди, страдающие заболеваниями дыхательных путей вследствие ограниченных физических возможностей.
Повышение эффективности работы продукта для регенерации воздуха и улучшение его эксплуатационных характеристик осуществляется изменением конструкции ИДА или модификацией регенеративного продукта (изменение химического состава, размера, плотности и др.). Часто это выполняют параллельно.
Обычно регенеративный продукт для ИДА изготавливают путем механического смешения необходимых компонентов и последующего формования полученной шихты в насадки различной формы (гранулы, таблетки, блоки и др.). Такие насадки размещают в регенеративном патроне ИДА, через который циркулирует регенерируемый воздух.
Для повышения степени отработки регенеративного продукта в реальных условиях в его состав вводят различные добавки и катализаторы, улучшающие условия диффузии паров воды и диоксида углерода внутрь регенеративного продукта и приводящие к равномерному выделению кислорода и поглощению диоксида углерода на протяжении всего времени работы изделия.
Известен регенеративный продукт на основе надпероксида калия [патент ФРГ №1546513, Кл. 61b, 1/02, 1970 г.], способ получения которого заключается в смешении надпероксида калия и асбеста в количестве от 2 до 10 масс. %. Полученную шихту формуют в блоки, затем дробят и рассеивают для получения нужной фракции. Полученный продукт для регенерации воздуха имеет высокую степень отработки для регенеративного продукта крупной фракции 6-12 мм.
Однако данный способ получения продукта для регенерации воздуха не устраняет все недостатки, возникающие при эксплуатации продукта в ИДА. Так, при дроблении, эластичные волокна асбеста разрываются таким образом, что выходят за поверхность, например, гранулы регенеративного продукта могут иметь своеобразный «ворс». Это приводит к тому, что при пользовании ИДА, снаряженным таким продуктом для регенерации воздуха фракции 3-6 мм, уже в начальный момент эксплуатации возрастает аэродинамическое сопротивление дыханию пользователя.
Кроме того, асбест при дыхании в ИДА может попасть в организм человека, что опасно, так как он обладает канцерогенными свойствами. Поэтому с конца XX века в мире была начата кампания по замене асбеста на более безопасные материалы. Вследствие этого возникла проблема замены асбеста в качестве инертной добавки в регенеративных продуктах на экологически безопасную.
Наиболее близким из известных регенеративных продуктов к заявляемому регенеративному продукту является продукт, содержащий в качестве основного вещества надпероксид калия, в качестве структурообразующей добавки диоксид кремния, полученный из хризотилового асбеста, в качестве ингибитора разложения надпероксида калия сульфат магния [патент РФ №2540160, МПК A62D 9/00, 2013 г.]. Этот продукт для регенерации воздуха взят в качестве прототипа. Введение в состав продукта для регенерации воздуха такой структурообразующей добавки позволяет повысить температуру плавления смеси продуктов реакций надпероксида калия с парами воды и диоксидом углерода, выдыхаемого человеком воздуха, что уменьшает возможность спекания и плавления продукта в регенеративном патроне ИДА. Соответственно, улучшаются условия диффузии паров воды и диоксида углерода внутрь регенеративного продукта. Из уравнений 1 и 2 следует, что на 1 моль поглощенного диоксида углерода выделяется 1,5 моль кислорода. При работе ИДА часть этого кислорода расходуется не для дыхания человека, а сбрасывается в атмосферу. Ингибитор разложения надпероксида калия снижает скорость выделения кислорода, уменьшая его избыточное выделение и сброс в атмосферу, обеспечивая более эффективное использование по назначению.
3
Однако данный состав продукта для регенерации воздуха характеризуется недостаточной скоростью выделения кислорода и поглощения диоксида углерода при эксплуатации ИДА в режиме легкой нагрузки, например, в состоянии покоя. В этом режиме объем легочной вентиляции человека составляет в среднем 10 дм/мин, и, соответственно, в результате снижается общая скорость массопереноса в слое регенеративного продукта. Наибольшую химическую активность проявляет «лобовой» слой, первый слой регенеративного продукта по ходу регенерируемого воздуха на фазе выдоха, в последующие слои наблюдается недостаточный транспорт диоксида углерода и паров воды для протекания реакций 1 и 2. По мере отработки продукта фронт реакций смещается в последующие слои, а предыдущие отработанные представляют собой «мертвый», химически малоактивный объем продукта, постоянно увеличивающийся во время работы ИДА, и вследствие чего повышается объемная доля диоксида углерода на вдохе, в том числе за счет смешивания регенерированного воздуха с не регенерированным, накапливающимся в «мертвом» объеме. Введение в состав регенеративного продукта ингибитора разложения надпероксида калия дополнительно тормозит процесс его взаимодействия с диоксидом углерода за счет снижения скорости образования гидроксида щелочного металла (реакция 1), необходимой для его поглощения (реакция 2). Ингибирование процесса разложения надпероксида калия, приводящее к снижению скорости выделения кислорода, необходимо лишь во второй трети периода работы продукта для регенерации воздуха, а в начальном и конечном периодах это приводит к торможению процесса регенерации. В то же время замещение части надпероксида калия на сульфат магния снижает содержание химически связанного кислорода в регенеративном продукте и его сорбционную емкость по диоксиду углерода. Все это не позволяет рационально использовать ресурс продукта для регенерации воздуха.
Предлагаемое техническое решение направлено на улучшение эксплуатационных характеристик продукта для регенерации воздуха при его работе в регенеративном патроне ИДА.
Технический результат заключается в разработке химического состава продукта для регенерации воздуха, имеющего высокую емкость по кислороду и диоксиду углерода, обеспечивающего равномерное поглощение диоксида углерода и выделение кислорода при работе продукта в патроне ИДА.
Технический результат достигается тем, что продукт для регенерации воздуха на основе надпероксида калия дополнительно содержит диоксид кремния в виде волокон, полученный из хризотилового асбеста. Соотношение компонентов в составе продукта для регенерации воздуха следующее, мас.%:
надпероксид калия (KO<sub>2</sub>)
93-97
диоксид кремния (SiO<sub>2</sub>)
3-7
Применение диоксида кремния в виде волокон, полученного из хризотилового асбеста, в составе продукта для регенерации воздуха на основе надпероксида калия, обусловлено необходимостью создания диффузионных каналов формируемых волокнами диоксида кремния, по которым вода и диоксид углерода поступают во внутренние слои регенеративного продукта, приводя к более полной его отработке.
Кроме того, диоксид кремния вступает в реакцию с гидроксидом калия, образующимся в результате взаимодействия надпероксида калия с водой (реакция 1), с образованием ортосиликата калия (реакция 3), который в свою очередь способен взаимодействовать с диоксидом углерода (реакция 4), снижая, таким образом, его объемную долю на вдохе. Данный процесс можно схематически описать уравнениями следующих реакций:
Ортосиликат щелочного металла, образующийся в процессе работы регенеративного продукта, выступает также в качестве структурообразующей добавки, препятствующей оплыванию поверхности продукта и плавлению смеси соединений, образующихся при работе регенеративного продукта. Это улучшает условия диффузии паров воды и диоксида углерода в объем регенеративного продукта на протяжении всего времени работы дыхательного аппарата, что позволяет более эффективно использовать ресурс регенеративного продукта и за счет этого увеличить время защитного действия дыхательного аппарата при тех же его массогабаритных характеристиках.
Смесь не до конца прореагировавших исходных компонентов, продуктов взаимодействия надпероксида калия с парами воды и диоксидом углерода, диоксида кремния с гидроксидом калия, 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 регенеративном патроне существуют пористые твердые фазы переменною состава. Это также улучшает условия диффузии паров воды и диоксида углерода внутрь гранул продукта для регенерации воздуха.
Способ получения продукта для регенерации воздуха заключается в следующем.
Диоксид кремния в виде волокон получают путем обработки хризотилового асбеста в нескольких последовательных стадий.
На первой стадии 1 весовую часть хризотилового асбеста заливают 5 весовыми частями 18% - ного раствора соляной кислоты.
Вторая стадия - выщелачивание. На этой стадии залитый раствором кислоты, хризотиловый асбест выдерживают в течение 12 суток в закрытой емкости и перемешивают содержимое 1 раз в сутки. После этого осадок промывают водой и сушат. В результате второй стадии из асбеста вымываются соли магния, и разрушается волокнистая структура асбеста.
Третья стадия - размол. Высушенный осадок, полученный на стадии 2, подвергают размолу в барабанном смесителе с шарами в течение 20 минут.
Отличительной особенностью полученного таким образом диоксида кремния является то, что он имеет форму частиц в виде волокон длиной до 8 мкм и диаметром 30-100 нм, с хорошо развитой пористой структурой (в кристаллическом диоксиде кремния отсутствуют поры, а частица представляет собой форму куба, тетраэдра и др.). Кроме того, в отличие от хризотилового асбеста, волокнистый диоксид кремния имеет более расширенную систему каналов и короткие волокна (длина волокон хризотилового асбеста достигает 100 мкм), вследствие чего, в регенеративном продукте отсутствует «ворс» и, как следствие, снижается его аэродинамическое сопротивление дыханию при работе в ИДА.
Подготовленные исходные компоненты (надпероксид калия, диоксид кремния (полученный из хризотилового асбеста)) 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 180±10°С в течение 4-6 часов.
Примеры составов заявляемого регенеративного продукта приведены в таблице 1.
Продукт для регенерации воздуха, полученный по заявляемому способу, испытан в регенеративном патроне опытного ИДА ШСС-Т-Э на установке «Искусственные легкие» при следующих условиях:
3
легочная вентиляция 10,0±0,2 дм/мин;
2
3
объемная подача CO 0,38±0,03 дм/мин;
-1
часто та дыхания 10,0±0,5 мин;
температура окружающей среды 23,0±1,0°С.
Объем диоксида углерода указан при 10°С и 101,3 кПа, легочная вентиляция - при 37°С и 101,3 кПа.
Для сравнения с регенеративным продуктом различного состава по примерам 1-3 таблицы 1 в тех же условиях испытывался регенеративный продукт, специально изготовленный по способу, описанному в патенте РФ №2540160.
3
Все регенеративные продукты имели форму гранул фракции от 3,5 до 5,5 мм и плотность 1,35±0,05 г/см. Время защитного действия (далее ВЗД) ИДА определяли как время от начала его работы до того момента, когда объемная доля диоксида углерода в потоке газо-воздушной смеси на линии «вдоха» установки «Искусственные легкие» достигала 3%, либо ВЗД достигала 180 минут. Результаты испытаний представлены в таблице 2, а экспериментальные зависимости сопротивления дыханию на линии вдоха (а) и выдоха (б) приведены на чертеже.
Одним из определяющих требований к работе опытного самоспасателя IMCC-Т-Э является показатель средней объемной доли диоксида углерода на вдохе (не более 1,5%) за гарантированное ВЗД равное 180 минутам.
Аэродинамическое сопротивление газо-воздушной смеси на вдохе и выдохе (см. чертеж) пользователя является одним из основных эксплуатационных показателей ИДА, 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, имеющих физиологическую возможность использовать ИДА (дети, люди, страдающие легочными заболеваниями и др.).
Как следует из представленных табличных данных, состав продукта для регенерации воздуха, по примерам 1-3, обеспечивает при работе в регенеративном патроне ИДА в сравнении с регенеративным продуктом по патенту РФ №2540160:
1. более низкую среднюю объемную долю диоксида углерода на вдохе;
2. более низкую массу при одной и той же величине ВЗД;
3. более низкое сопротивление.
Кроме того, из результатов испытаний следует, что у регенеративного продукта, изготовленного по патенту РФ №2540160, объемная доля диоксида углерода на вдохе на 180 минуте приближается к предельной величине (3%) и составляет 2,89%, тогда как у заявляемого регенеративного продукта по примерам 1-3 не более 1,23%.
Улучшение параметров продукта для регенерации воздуха (по сравнению с регенеративным продуктом по патенту РФ №2540160) при работе в составе ИДА достигаются за счет введения в состав диоксида кремния, изготовленного из хризотилового асбеста, волокна которого создают разветвленную систему диффузионных каналов, по которым пары воды и диоксид углерода поступают во внутренние слои регенеративного продукта, приводя к более полной его отработке. Ортосиликат щелочного металла, образующийся в процессе работы регенеративного продукта, реагирует с поступающим в него диоксидом углерода, снижая его объемную долю на вдохе, а также играет роль структурообразующей добавки, препятствующей оплыванию поверхности продукта для регенерации воздуха и плавлению смеси соединений, образующихся при работе регенеративного продукта. Последнее улучшает условия диффузии паров воды и диоксида углерода внутрь продукта для регенерации воздуха на протяжении всего времени работы, что позволяет более эффективно использовать ресурс продукта для регенерации воздуха и за счет этого увеличить время защитного действия дыхательного аппарата при тех же его массогабаритных характеристиках.