СОСТАВ РЕГЕНЕРАТИВНОГО ПРОДУКТА ДЛЯ ИЗОЛИРУЮЩИХ ДЫХАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
COMPOSITION OF A REGENERATIVE PRODUCT FOR REBREATHERS AND A METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

Группа изобретений относится к составам и способам получения химических веществ, используемых в системах регенерации воздуха и в изолирующих дыхательных аппаратах (далее ИДА) на химически связанном кислороде, и может быть использована в производстве продуктов для регенерации воздуха на основе надпероксида калия.
Регенеративный продукт обычно содержит как основной компонент падпероксид калия (70-90% весовых), так и различные структурообразующие добавки и катализаторы, способствующие улучшению кинетических и диффузионных характеристик продукта при его работе в регенеративном патроне ИДА. Продукт изготавливают путем механического смешения необходимых компонентов и последующего формования полученной шихты в насадки различной формы (гранулы, блоки и др.).
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.
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 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 регенеративного продукта и улучшение его эксплуатационных характеристик осуществляется изменением конструкции регенеративного патрона, химического состава регенеративного продукта, формы его насадки, а также совершенствованием технологии его получения. 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 улучшения условий диффузии паров воды и диоксида углерода к центру регенеративного продукта в процессе его работы (что приводит к повышению степени отработки продукта для ИДА) в состав регенеративного продукта вводят различные структурообразующие добавки и катализаторы.
Известен регенеративный продукт [патент ФРГ №1546513, Кл. 61 b, 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.
Известен выбранный в качестве прототипа состав регенеративного продукта [патент РФ №2259808, МПК A62D 9/00, 2004 г.] включающий надпероксид калия, гидрооксид калия и воду, отличающийся тем, что дополнительно содержит силикат щелочного металла при следующем соотношении компонентов, мас.%:
надпероксид калия (KO<sub>2</sub>)
50-85
гидрооксид калия (KOH)
3-20
вода(H<sub>2</sub>O)
1-10
силикат щелочного металла (MeSiO<sub>3</sub>)
0,1-20.
Регенеративный продукт получают в процессе дегидратации щелочного раствора пероксида водорода, получаемого в результате смешения исходных компонентов в том числе и силиката щелочного металла.
Данное решение обеспечивает низкую среднюю объемную долю диоксида углерода на вдохе в начальный момент времени при работе регенеративного продукта в составе ИДА, что обусловлено, в том числе, присутствием в нем гидроксида калия. Кроме того, применение силиката щелочного металла, выступающего в качестве структурообразующей добавки, препятствует оплыванию поверхности регенеративного продукта и плавлению смеси соединений, образующихся при работе регенеративного продукта.
Вместе с тем, при дегидратации щелочного раствора пероксида водорода, силикат щелочного металла не может образовывать транспортные поры в продукте, так как идет образование твердых растворов переменного состава, включающих также надпероксид и гидроксид калия.
Наличие в составе регенеративного продукта воды и гидроксида калия обусловливает снижение содержания надпероксида калия и, тем самым, снижение емкости регенеративного продукта по кислороду и диоксиду углерода в расчете на единицу массы. Это приводит к необходимости применения большего количества регенеративного продукта в составе ИДА для достижения требуемого времени защитного действия (далее ВЗД).
Вода, входящая в состав регенеративного продукта, в количестве 1-10 масс. %. в совокупности с парами воды, выделяемыми при дыхании человека, способствует увеличению скорости выделения кислорода в первоначальный момент работы регенеративного продукта, что приводит к увеличению температуры газо-воздушной среды (далее ГВС) на вдохе в результате ее нагрева теплом химической реакции по уравнению 1. В дальнейшем, по мере накопления химически связанной воды в виде кристаллогидратов продуктов реакций и отработки регенеративного продукта, наблюдается потеря прочности регенеративного продукта из-за увеличения его объема (мольный объем гидратированных продуктов реакции превышает мольный объем исходных компонентов), а также снижение устойчивости продуктов реакций к плавлению под воздействием температуры, создаваемой в работающем регенеративном патроне ИДА.
Кроме того, наличие воды в составе регенеративного продукта может привести к началу ее химической реакции с надпероксидом калия в процессе хранения ИДА и, как следствие, к потере части химически связанного кислорода.
В качестве прототипа способа получения регенеративного продукта выбран способ получения регенеративного продукта [патент РФ №2362601, МПК A62D 9/00, 2004 г.], включающий смешение надпероксида натрия и калия и формование полученной смеси, согласно которому дополнительно осуществляют термическую обработку формованного продукта при температуре 500-700°С, при этом в состав смеси дополнительно вводят структурообразующую добавку, включающую гидроксид кальция и силикат кальция в виде волластанита при следующем соотношении компонентов в формуемой смеси, мас.%:
надпероксид натрия (NaO<sub>2</sub>)
55-80
надпероксид калия (KO<sub>2</sub>)
10-25
гидроксид кальция (Са(ОН)<sub>2</sub>)
5-20
волластанит (CaSiO<sub>2</sub>)
1-5.
Данное решение обеспечивает получение регенеративного продукта с повышенной механической прочностью, обладающего при работе в регенеративном патроне изолирующего дыхательного аппарата высокой степенью отработки и обеспечивающего снижение аэродинамического сопротивления дыханию пользователя.
Однако, надпероксид натрия, входящий в состав регенеративного продукта при температуре близкой к 100°С начинает разлагаться с выделением кислорода и образованием пероксида натрия. Объем выделяющегося кислорода превышает в 1,5-3 раза объем, необходимый для дыхания человека при различных физических нагрузках, в результате чего происходит сброс избытка кислорода в атмосферу, что не позволяет оптимально использовать ресурс регенеративного продукта по кислороду. Также надпероксид натрия, как менее стабильное вещество, в отличие от надпероксида калия, способствует повышению сопротивлению дыхания, за счет образования более плавких продуктов взаимодействия с парами воды и диоксидом углерода. Наличие гидроксида кальция обусловливает снижение содержания в нем надпероксидов калия и натрия, и тем самым, снижение емкости регенеративного продукта по кислороду и диоксиду углерода в расчете на единицу массы. Это приводит к необходимости применения большего количества регенеративного продукта в составе ИДА для достижения требуемого ВЗД.
Предлагаемая группа изобретений направлена на улучшение эксплуатационных характеристик регенеративного продукта при его работе в регенеративном па троне ИДА и упрощение технологии получения продукта.
Технический результат изобретения по составу регенеративного продукта заключается в разработке регенеративного продукта, имеющего высокую емкость по кислороду и диоксиду углерода и обеспечивающего снижение аэродинамического сопротивления дыханию пользователя.
Технический результат изобретения по способу изготовления регенеративного продукта заключается в разработке более простого способа его изготовления при одновременном сокращении количества компонентов регенеративного продукта.
Технический результат по составу регенеративного продукта достигается тем, что регенеративный продукт для изолирующих дыхательных аппаратов, включающий надпероксид калия и силикат щелочно-земельного металла, в качестве силиката щелочно-земельного металла содержит силикат магния при следующем соотношении компонентов в его составе, мас.%:
надпероксид калия (KO<sub>2</sub>)
90-95
силикат магния (MgSiO<sub>3</sub>)
5-10.
Технический результат по способу изготовления регенеративного продукта достигается тем, что способ изготовления регенеративного продукта для изолирующих дыхательных аппаратов, включает смешение надпероксида калия с силикатом магния с последующим формованием полученной смеси. При этом согласно изобретению, силикат магния получают из хризотилового асбеста воздействием на него температуры (800±20)°С в течение 2-3 ч с последующим размалыванием в барабанной мельнице.
Технический результат достигается также тем, что после формования регенеративного продукта в блоки, таблетки, гранулы и другие формы насадки его подвергают термостабилизации по режиму:
- нагрев до (200±20)°С со скоростью (5-10)°С/мин.;
- выдержка при (200±20)°С в течение (1-2) ч.
Силикат магния, полученный из хризотилового асбеста, выступает в качестве структурообразующей добавки, препятствующей оплыванию поверхности продукта и плавлению смеси соединений, образующихся при работе регенеративного продукта.
Кроме того, силикат магния, полученный из хризотилового асбеста, представляющий собой микроволокнистую пористую неорганизованную структуру с длиной волокон до 200 мкм и диаметром до 50 мкм, вводится в состав регенеративного продукта на основе надпероксида калия для улучшения условий диффузии паров воды и диоксида углерода внутрь регенеративного продукта, а также для обеспечения встречной диффузии кислорода - продукта реакции 1 - на протяжении всего времени работы дыхательного аппарата. Это позволяет более эффективно использовать ресурс регенеративного продукта и, как следствие, увеличить ВЗД дыхательного аппарата при сохранении сто массо-габаритных характеристик.
Также применение силиката магния, полученного из хризотилового асбеста, более безопасно, чем использование в составе регенеративного продукта минералов типа асбестов.
Термостабилизация формованного регенеративного продукта, осуществляемая в режиме: нагрев до (200±20)°С со скоростью 1-5°С/мин и выдержка при данной температуре в течение 1-2 часов, позволяет убрать механические напряжения в регенеративном продукте, возникающие при его формовании, стабилизировать геометрические размеры, а также десорбировать воду, которую регенеративный продукт поглощает из окружающей атмосферы в процессе его получения, а также присутствующую в исходных компонентах.
Способ получения регенеративного продукта осуществляют следующим образом. Исходные компоненты (надпероксид калия, силикат магния) в необходимом соотношении перемешивают в любом промышленном смесителе сыпучих материалов до получения однородной шихты, при этом силикат магния предварительно получают из хризотилового асбеста воздействием на него температуры (800±20)°С в течение 2-3 часов и размалыванием в барабанной мельнице. Полученную шихту формуют в блоки, таблетки, гранулы и другие формы насадки в зависимости от конструкции изделия, в производстве которого регенеративный продукт предложенного состава будет использоваться. После формования регенеративный продукт подвергают термостабилизации по режиму:
- нагрев до (200±20)°С со скоростью 1-5°С/мин;
- выдержка при (200±20)°С в течение 1-2 ч.
Примеры составов заявляемого регенеративного продукта и режимов его получения 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:
легочная вентиляция
10±0,2 дм<sup>3</sup>/мин;
объемная подача CO<sub>2</sub>
0,38±0,03 дм<sup>3</sup>/мин;
частота дыхания
10±0,5 мин<sup>-1</sup>;
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 из таблицы 1, в тех же условиях испытывался регенеративный продую, специально изготовленный по способу, описанному в патенте РФ №2362601.
3
Все регенеративные продукты имели форму гранул фракции 4,0-5,5 мм и плотности (1,35±0,05) г/см. ВЗД ИДА определяли как время от начала ею работы до того момента, когда объемная доля диоксида углерода в потоке ГВС на линии «вдоха» установки «Искусственные легкие» достигала 3%, либо ВЗД достигало 180 минут. Результаты испытаний представлены в таблице 2 и на фиг.
Одним из определяющих требований к работе опытного ИДА ШСС-Т-Э является показатель средней объемной доли диоксида углерода на вдохе (не более 1,5%) за гарантированное ВЗД равное 180 минутам.
Аэродинамическое сопротивление ГВС на вдохе (фиг. - а) и выдохе (фиг. - б) пользователя является одним из основных эксплуатационных показателей ИДА, 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, имеющих физиологическую возможность использовать ИДА (дети, люди, страдающие легочными заболеваниями и др.).
Температура ГВС на вдохе пользователя является одним из основных эксплуатационных показателей ИДА, также во многом определяется составом и свойствами регенеративного продукта. Соответственно, снижение данного показателя создает наиболее безопасные и комфортные условия для пользователей ИДА.
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 2362601:
1) более низкую температуру на вдохе (фиг. - в);
2) большее ВЗД;
2
3) более низкую среднюю объемную долю CO на вдохе;
4) более низкое сопротивление дыханию.
Кроме того, из результатов испытаний следует, что у регенеративного продукта, изготовленного патенту РФ №2362601 ВЗД менее требуемых 180 минут (фиг. - г), несмотря на хороший показатель средней объемной доли диоксида углерода на вдохе. Это связано в первую очередь с тем, что присутствие в его составе гидроксида кальция приводит к снижению содержания надпероксидов натрия и калия в исходной шихте и, тем самым снижению емкости по кислороду и диоксиду углерода на единицу массы.
Таким образом, заявляемая группа изобретений обеспечивает снижение показателей средней и максимальной объемной доли диоксида углерода на вдохе, низкую температуру регенерируемого воздуха на вдохе и большее ВЗД. Это обеспечивает более комфортные условия для пользователя и позволяет существенно расширить круг лиц, которые могут пользоваться данными дыхательными аппаратами.