Способ получения продукта для регенерации воздуха

Иллюстрации

Показать все

Изобретение относится к способам получения химических веществ, используемых в изолирующих дыхательных аппаратах на химически связанном кислороде, и может быть использовано в производстве продуктов для регенерации воздуха. Способ включает смешение надпероксида калия и хризотила. Далее осуществляют формование полученной шихты и термическую обработку формованного продукта в течение 5-8 часов при температуре 350-500°С. Это позволяет увеличить время защитного действия изолирующего дыхательного аппарата при тех же массогабаритных характеристиках, а также снизить влияние негативных факторов на здоровье человека. Кроме того, изолирующий дыхательный аппарат, снаряженный предложенным регенеративным продуктом, при эксплуатации имеет меньшее значение аэродинамического сопротивления дыханию пользователя. 2 ил., 1 табл.

Реферат

Изобретение относится к способам получения продуктов для регенерации воздуха на основе надпероксида калия, используемых как в коллективных, так и в индивидуальных 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 в системах СЖО должен удовлетворять следующим основным требованиям:

- высокая стехиометрическая емкость по кислороду и СО2;

- высокая кинетика поглощения паров воды и СО2, обеспечивающая достаточную степень использования стехиометрической емкости;

- разветвленная структура транспортных пор, обеспечивающая высокую диффузию газов внутрь гранул сорбента;

- стабильность пористой структуры в процессе работы;

- минимальные объемные изменения в процессе эксплуатации;

- минимальные тепловые эффекты;

- минимальная токсическая опасность для пользователя.

При эксплуатации продуктов для регенерации воздуха в индивидуальных дыхательных аппаратах (ИДА) из-за протекающих физико-химических процессов (образование новых химических соединений, частичное плавление исходных компонентов и продуктов реакции вследствие экзотермического характера протекающих реакций и др.) часто происходит уменьшение длины и объема (также возможна их полная закупорка) транспортных пор продукта для регенерации воздуха, что в дальнейшем затрудняет диффузию паров воды и диоксида углерода в объем гранул продукта для регенерации воздуха. Это снижает степень отработки продукта для регенерации воздуха в системах жизнеобеспечения до 50-70% и приводит к увеличению аэродинамического сопротивления дыханию человека.

Повышение эффективности работы продукта для регенерации воздуха и улучшение его эксплуатационных характеристик осуществляется как изменением конструкции патрона индивидуального дыхательного аппарата, 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 патроне дыхательного аппарата, через который циркулирует регенерируемый воздух.

Для улучшения условий диффузии паров воды и диоксида углерода к центру гранул продукта для регенерации воздуха в процессе его работы (что приводит к повышению степени отработки продукта для регенерации воздуха) в состав продукта вводят различные структурообразующие добавки.

Известен способ получения продукта для регенерации воздуха [патент Франции №2521034, МПК B01J 20/04, 1983 г.], по которому его основу - надпероксид калия (КО2) в количестве до 85% смешивают с оксидом кальция или магния 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.

Однако полученный по данному способу продукт для регенерации воздуха имеет существенные недостатки. При его эксплуатации в патроне изолирующего дыхательного аппарата за счет экзотермической реакции между оксидом кальция и водой

СаО+Н2O=Са(ОН)2+Q

значительно увеличивается температура в зоне реакции. Это приводит к плавлению смеси исходных компонентов и продуктов химического взаимодействия, что, в свою очередь, ведет к блокировке транспортных пор и препятствует диффузии газов внутрь гранул продукта для регенерации воздуха. 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 (по сравнению с необходимым для дыхания пользователя) выделению кислорода. За счет перечисленных выше негативных факторов снижается степень отработки продукта для регенерации воздуха в изделии, что не позволяет максимально рационально использовать его ресурс.

Следует отметить, что при эксплуатации в патроне индивидуального дыхательного аппарата полученного по известному способу продукта для регенерации воздуха сильно увеличивается температура циркулирующей газовоздушной смеси и растет аэродинамисеское сопротивление дыханию пользователя. Это не только создает существенные трудности для пользователя изолирующих дыхательных аппаратов и накладывает ограничения на круг лиц, могущих пользоваться такими индивидуальными дыхательными аппаратами (такими аппаратами не могут пользоваться дети, люди, страдающие легочными заболеваниями и др.), но и в случае получения травмы при чрезвычайной ситуации (ушиб грудной клетки и т.д.) может привести к гибели человека.

Известен способ получения продукта для регенерации воздуха, в котором исходную шихту получают путем дегидратации щелочного раствора пероксида водорода в прямоточном реакторе распылительного типа [патент РФ №2210416, МПК А62D 9/00, 2003 г.]. Полученную шихту формуют в насадки различной формы. Продукт для регенерации воздуха содержит до 85% надпероксида калия, гидроксид калия, воду и карбонат калия как структурообразующую добавку. Хотя при использовании полученного данным способом продукта для регенерации воздуха в патроне индивидуального дыхательного аппарата и устраняются недостатки, связанные с дыханием пользователя (имеет место невысокие значения аэродинамического сопротивление и температуры циркулирующей газовоздушной смеси), в процессе его работы также происходит изменение структуры транспортных пор, что в конечном итоге приводит к уменьшению его степени отработки.

Кроме того, все продукты для регенерации воздуха, полученные перечисленными выше способами, имеют основной недостаток - введение до 15% массовых структурообразующих добавок и катализаторов снижает содержание основного компонента - надпероксида калия, что сразу же уменьшает стехиометрическое содержание кислорода, необходимого для дыхания человека, во всех перечисленных выше продуктах для регенерации воздуха. Введение значительного количества любого инертного наполнителя приводит к увеличению массогабаритных параметров индивидуальных дыхательных аппаратов без увеличения времени защитного действия изделия.

Наиболее близким из разработанных в настоящее время к заявляемому способу получения продукта для регенерации воздуха является способ, заключающийся в смешении надпероксида калия и от 2 до 10% асбеста [заявка ФРГ №1546513, кл. 61 b 1/02, 1970 г.]. Полученную шихту формуют в блоки, затем дробят и рассеивают для получения гранул нужной фракции. Полученный продукт для регенерации воздуха имеет более высокую степень отработки и обеспечивает невысокую температуру на вдохе пользователя при его эксплуатации в патроне индивидуального дыхательного аппарата.

Однако данный способ получения продукта для регенерации воздуха не устраняет все недостатки, возникающие при эксплуатации продукта в индивидуальном дыхательном аппарате. Так 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, снаряженных таким продуктом для регенерации воздуха, уже в начальный момент эксплуатации возрастает аэродинамическое сопротивление дыханию пользователя.

Задачей изобретения является разработка способа получения продукта для регенерации воздуха, имеющего улучшенные эксплуатационные характеристик при его работе в патроне изолирующего дыхательного аппарата.

Технический результат заключается в получении продукта для регенерации воздуха, обеспечивающего снижение аэродинамического сопротивления дыханию пользователя и сохраняющего высокую степень отработки при его эксплуатации в патроне дыхательного аппарата.

Технический результат достигается тем, что в способе получения продукта для регенерации воздуха, включающем смешение надпероксида калия с асбестом и формование полученной шихты, дополнительно осуществляют термическую обработку формованного продукта в течение 5-8 часов при температуре 350-500°С.

Заявляемое изобретение позволяет улучшить эксплуатационные характеристики продукта для регенерации воздуха по следующим обстоятельствам. При прокаливании хризотил-асбеста, который обычно используется в качестве структурообразующей добавки в продуктах для регенерации воздуха (именно эта модификация асбеста обладает необходимыми свойствами для улучшения условий диффузии газов внутрь гранул продукта), в указанном температурном интервале в течение указанного времени происходит дегидратация асбеста, возможно разрушение входящих в состав асбеста карбонатов кальция и магния, а также доокислении Fe2+ до Fe3+. Перечисленные выше эффекты приводят к миграции катионов Mg2+ и Si4+ из донорной в акцепторную область кристаллической решетки минерала (структура хризотила), приводящие к изменению характера упаковки атомов кислорода. В результате этого области, богатые Mg2+, превращаются в форстерит, а области, богатые Si4+, в энстатит, т.е. происходит изменение структуры исходного хризотил-асбеста. В зависимости от природы асбеста и условий термообработки (контакт с различными веществами, состав атмосферы, время и др.) температурный интервал данных превращений может смещаться на несколько десятков градусов в ту или иную сторону [А.Д.Федосеев, Л.Ф.Григорьева, Т.А.Макарова. Волокнистые силикаты. Природные и синтетические асбесты. // - М. - Л: Наука, - 1966, - с.184].

Перечисленные выше явления (изменение структуры хризотила на форстерит и энстатит, выделение газов и др.) приводит к увеличению длины и объема транспортных пор внутри гранул продукта для регенерации воздуха. Это улучшает условия диффузии паров воды и диоксида углерода к центру гранул продукта в ходе его эксплуатации в патроне индивидуального дыхательного аппарата, что приводит к увеличению его степени отработки, т.к. образовавшаяся в результате термообработки пористая структура в процессе регенерации воздуха уже практически не меняется.

Также следует отметить, что изменение структуры хризотил-асбеста в ходе термообработки на форстерит и энстатит приводит к изменению его механических свойств. В частности, теряются эластичные свойства асбеста. Это приводит к тому, что при изготовлении гранулированного продукта для регенерации воздуха (дробление блоков, пластин и др.) на их поверхности не образуется «ворса» и «лохматости», т.к. при дроблении происходит скол, а не разрыв волокон асбеста. За счет этого не происходит дополнительного роста аэродинамического сопротивления дыханию пользователя при эксплуатации продукта для регенерации воздуха в патроне индивидуального дыхательного аппарата.

Дополнительный технический результат заключается в снижении влияния негативных факторов, возникающих при эксплуатации продукта для регенерации воздуха на здоровье человека.

Известно, что на поверхности асбестовых фибрилл имеются электрически активные центры, являющиеся донорами и акцепторами электронов (в целом поверхность хризотила заряжена положительно), которые обуславливают токсичность асбеста. Попадая внутрь клетки, асбестовая фибрилла вызывает в ней оксидативный стресс с образованием активных форм кислорода и окиси азота, что ведет к нарушению репарации ДНК, сигнальных путей и др. Как отмечалось выше, результате термообработки меняется морфология поверхности волокон хризотил-асбеста, что приводит к уменьшению заряженных центров на поверхности асбеста. За счет этого снижается биологическая агрессивность асбеста, в том числе концерогенность [Л.Н.Пылев, Л.А.Васильева, Г.А.Кринари и др. Электрические свойства поверхности волокон и токсичности асбеста. // Гигиена и санитария. - 2002, №3, - С.61-64]. Это делает эксплуатацию предложенного продукта для регенерации воздуха в системах жизнеобеспечения более безопасной для здоровья пользователя.

Способ получения продукта для регенерации воздуха осуществляют следующим образом. Исходные компоненты (надпероксид калия и асбест) в необходимом соотношении 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 предложенного состава будет эксплуатироваться. После формования изделие (блоки, таблетки, гранулы и др.) подвергают термообработке в течение 5-8 часов при температуре 350-500°С, после чего его дробят на обычной дробилке и отсеивают фракцию нужного состава.

Пример 1.

990 г КО2 смешивают с 10 г асбеста в обычном барабанном смесителе в течение 30-40 минут до получения однородной шихты. Затем полученную шихту формуют в насадки требуемой формы. Полученное таким образом изделие подвергают термической обработке при температуре 350°С в течение 5 часов, после чего дробят на обычной дробилке и отсеивают нужную фракцию. Полученный продукт для регенерации воздуха готов к эксплуатации в индивидуальном дыхательном аппарате.

Пример 2.

980 г КО2 смешивают с 20 г асбеста в обычном барабанном смесителе в течение 30-40 минут до получения однородной шихты. Затем полученную шихту формуют в насадки требуемой формы. Полученное таким образом изделие подвергают термической обработке при температуре 400°С в течение 6 часов. Далее как в примере 1.

Пример 3.

950 г KO2 смешивают с 50 г асбеста в обычном барабанном смесителе в течение 30-40 минут до получения однородной шихты. Затем полученную шихту формуют в насадки требуемой формы. Полученное таким образом изделие подвергают термической обработке при температуре 450°С в течение 6 часов. Далее как в примере 1.

Пример 4.

970 г KO2 смешивают с 30 г асбеста в обычном барабанном смесителе в течение 30-40 минут до получения однородной шихты. Затем полученную шихту формуют в насадки требуемой формы. Полученное таким образом изделие подвергают термической обработке при температуре 500°С в течение 7 часов. Далее как в примере 1.

Пример 5.

930 г KO2 смешивают с 70 г асбеста в обычном барабанном смесителе в течение 30-40 минут до получения однородной шихты. Затем полученную шихту формуют в насадки требуемой формы. Полученное таким образом изделие подвергают термической обработке при температуре 450°С в течение 8 часов. Далее как в примере 1.

Пример 6.

940 г KO2 смешивают с 60 г асбеста в обычном барабанном смесителе в течение 30-40 минут до получения однородной шихты. Затем полученную шихту формуют в насадки требуемой формы. Полученное таким образом изделие подвергают термической обработке при температуре 500°С в течение 8 часов. 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 вентиляция35,0±1 л/мин
объемная подача диоксида углерода1,57±0,03 л/мин
влажность газовоздушной смеси, %96-98
частота дыхания20±0,5 мин-1
температура окружающей среды20-25°С

Объемы кислорода и диоксида углерода указаны при 10°С и 101,3 кПа, легочная вентиляция - при 37°С и 101,3 кПа.

Для сравнения с регенеративными продуктами различного состава, изготовленными по примерам 1-6, в тех же условиях испытывался продукт для регенерации воздуха, специально изготовленный по способу, описанному в заявке ФРГ №1546513. Все продукты для регенерации воздуха имели форму гранул одинакового размера и плотности. Время защитного действия определяли как время от начала работы продукта для регенерации воздуха до того момента, когда концентрация CO2 в потоке газовоздушной смеси на линии "вдоха" установки искусственные легкие достигала 3%. Результаты испытаний представлены в таблице и на фиг.1-2.

На фиг.1 и 2 представлены зависимости аэродинамического сопротивления дыханию пользователя от времени работы в патроне изолирующего дыхательного аппарата на линии вдоха и выдоха соответственно. Кривая 1 на фиг.1 и 2 характеризует изменение данного параметра при работе изолирующего дыхательного аппарата, снаряженного продуктом для регенерации воздуха, полученным по способу, описанному в заявке ФРГ №1546513. Поскольку для всех продуктов для регенерации воздуха, изготовленных по примерам 1-6, изменение аэродинамического сопротивления дыханию пользователя на линиях вдоха и выдоха при работе индивидуального дыхательного аппарата не превышает 5%, на фиг.1 и 2 представлено изменение среднего значения этого параметра (кривые 2).

Таблица
Состав продуктаМасса продукта, гВремя защитного действия, минКоличество поглощенного CO2, лКоличество выделенного O2, лСтепень отработки по CO2, %Максимальная температура на вдохе, °СМаксимальное сопротивление дыханию на линии вдоха, мм вод.ст.Максимальное сопротивление дыханию на линии выдоха, мм вод.ст.
По примеру 18926197,511270,0406041
По примеру 28916810812478,40426242
По примеру 38906710714380,23426141
По примеру 48926510413076,21416142
По примеру 58946197,514274,34406241
По примеру 68936410214277,04416241
Продукт по заявке ФРГ №1546513897558813964,78529565

Аэродинамическое сопротивление газовоздушной смеси на вдохе пользователя является одним из основных эксплуатационных показателей изолирующих дыхательных аппаратов, 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, могущих пользоваться изолирующими дыхательными аппаратами (дети, люди, страдающие легочными заболеваниями и др.).

Как видно из представленных табличных и графических 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 по заявке ФРГ №1546513.

Заявляемое изобретение позволяет создать разветвленную структуру транспортных пор внутри гранул продукта для регенерации воздуха, практически постоянную на протяжении всего процесса регенерации воздуха в системах СЖО, что улучшает условия диффузии паров воды и диоксида углерода внутрь гранул продукта для регенерации воздуха при 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. 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 ИДА.

Следует отметить, что термообработка продукта для регенерации воздуха в указанном температурном интервале снижает биологическую агрессивность асбеста (в том числе его концерогенность), что делает эксплуатацию данного продукта в системах жизнеобеспечения более безопасной для здоровья человека.

Способ получения продукта для регенерации воздуха путем смешения надпероксида калия и асбеста и формования полученной шихты, отличающийся тем, что осуществляют последующую термическую обработку формованного продукта в течение 5-8 ч при температуре 350-500°С, при этом в качестве асбеста используют хризотил.