Поглотитель и способ удаления диоксида углерода из газонаркозных смесей

Поглотитель и способ удаления диоксида углерода из газонаркозных смесей

Реферат

Изобретение относится к медицине, а именно к очистке газонаркозных смесей от диоксида углерода, и может найти широкое применение в анестезиологии.

Стремление уменьшить потери газов, наркотических веществ при проведении общей анестезии привело к созданию дыхательных контуров, в которых выдыхаемая больным газонаркозная смесь полностью (закрытая, замкнутая система) или частично (полузакрытая, полузамкнутая система) вновь вдыхается больным. При использовании этих систем возникает необходимость удаления высоких концентраций углекислого газа, попадающих в смесь за счет дыхания пациента. Углекислый газ удаляют с помощью адсорберов, содержащих нерегенерируемые химические поглотители углекислоты. Когда выдыхаемая газонаркозная смесь попадает в адсорбер, она очищается от избытка углекислого газа. В качестве нерегенерируемых химических поглотителей CO₂ в основном используют натронную известь с различным содержанием гидроксидов калия и натрия. В современной анестезиологической практике наиболее часто применяют нерегенерируемые поглотители следующих марок: ХПИ, Sodasorb, Draeger Sorb, Carbolime и т.д.

Основным недостатком использования нерегенерируемых поглотителей является необходимость регулярной замены отработанного поглотителя свежим. При этом возникают дополнительные трудности, связанные с организацией хранения поглотителей (потеря активности за счет взаимодействия с атмосферным CO₂), а также с их утилизацией, поскольку содержимое картриджей опасно для окружающей среды (едкие щелочи).

Существующие методы обратимого удаления CO₂ из газовоздушных смесей оказываются непригодными для очистки влажных газонаркозных смесей, поскольку традиционные типы поглотителей (цеолиты, активированные угли) имеют, как правило, значительно большее сродство к воде, нежели к CO₂, поэтому резко снижают свою емкость во влажной атмосфере.

Для уменьшения влажности очищаемой газовой смеси и повышения емкости цеолитов по диоксиду углерода в ряде патентов предложено использовать блок предварительной осушки, устанавливаемый перед адсорбером с цеолитом (US 6309445, B01D 53/02, 30.10.2001; US 6106593, B01D 53/04, 22.08.2000). Однако такой метод решения проблемы ведет к существенному усложнению технологической схемы процесса. Аналогичная система разработана и для процесса короткоцикловой безнагревной адсорбции (US 5656064, B01D 53/02, 12.08.1997). Следует отметить также, что многостадийность процесса делает его неприменимым в условиях функционирующего наркозного аппарата.

В патенте (ЕР 1084743, B01D 53/02, 21.03.200)1 для удаления CO₂ из газовых смесей предлагают использовать оксид алюминия, допированный небольшими добавками щелочных металлов (до 7,25 мас.% K₂O и/или Na₂O). Достоинством данного метода удаления CO₂ является то, что активное вещество находится в порах матрицы и не вызывает коррозии оборудования, а сам поглотитель может выпускаться в виде гранул любого размера и формы или блоков. В то же время небольшое содержание оксидов щелочных металлов не обеспечивает высокой емкости поглотителя.

В патенте (US 3865924, B01D 53/02, 11.02.1975) описан регенерируемый поглотитель CO₂, представляющий собой механическую смесь порошков оксида алюминия и карбоната калия. Такой поглотитель предлагают применять для удаления диоксида углерода в системах жизнеобеспечения, например, подводных лодок. Поглощение CO₂ осуществляется по реакции:

K₂CO₃+H₂O+CO₂=2KHCO₃

Наиболее близким к предложенному нами способу удаления диоксида углерода из газонаркозных смесей является способ удаления CO₂ пористыми материалами (активированный уголь, оксид алюминия, цеолит, кизельгур или их смесь), на которые нанесен гидрат карбоната калия и/или натрия (JP 08040715, A2, 13.02.1996). Регенерацию сорбента производят паром. Активным компонентом поглотителя, обеспечивающим его высокую емкость, является диспергированный в порах матрицы карбонат щелочного металла. В то же время это соединение, способное вступать в необратимые химические взаимодействия с некоторыми носителями. Это приводит к уменьшению сорбционной емкости поглотителя в многоцикловом режиме эксплуатации.

Авторы патента (РФ №2244586, B01D 53/02, 20.01.2005) показали, что предпочтительным носителем для карбоната калия является оксид алюминия. Поглотитель с матрицей из оксида алюминия обладал наиболее высокой скоростью сорбции CO₂. Следует отметить, что в процессе использования указанного поглотителя происходит уменьшение количества сорбируемого диоксида углерода от цикла к циклу из-за образования смешанной неактивной фазы состава KAl(ОН)₂CO₃. Для регенерации этой фазы требуются высокие температуры - 300, 350°С, что ведет к удорожанию используемых материалов и повышает энергозатраты. В патенте (РФ №2493906, B01J 20/30, 27.09.13) в качестве носителя предложен оксид иттрия, однако данный материал обладает высокой стоимостью.

Настоящее изобретение решает задачу очистки газонаркозных смесей от диоксида углерода с использованием многоразового сорбента.

Задача решается способом очистки газонаркозных смесей от диоксида углерода в аппаратах с реверсивным контуром, в котором для удаления CO₂ используют термически регенерируемый поглотитель, очистку осуществляют периодически с процессом регенерации сорбента, а также составом используемого поглотителя, представляющим собой карбонат калия, закрепленный в порах волластонита.

Термически регенерируемый поглотитель диоксида углерода имеет состав K₂CO₃ - 1-50 мас.%., CaSiO₃ (волластонит) - остальное. Использоваие волластонита в качестве носителя для карбоната калия позволяет поддерживать высокую скорость сорбции диоксида углерода. Щелочная природа волластонита препятствует образованию неактивной фазы носителя и активного компонента, в результате чего динамическая емкость поглотителя постоянна на протяжении сотен циклов очистки/регенерации. Кроме того, волластонит является относительно дешевым материалом, что увеличивает экономическую целесообразность процесса. Низкая химическая активность карбоната калия по сравнению с компонентами натронной извести делает сорбент инертным по отношению к наркотизирующим компонентам газонаркозной смеси (N₂O, галогеналканы и др.). Таким образом, данный поглотитель может быть использован в качестве регенерируемого сорбента в наркозных аппаратах с закрытым или полузакрытым контуром.

Очистку газонаркозной смеси осуществляют при температуре 20-40°С.

Регенерацию сорбента проводят продувкой горячим воздухом с температурой 150-300°С.

Описан регенерируемый поглотитель и способ удаления диоксида углерода из газонаркозных смесей в реверсивном дыхательном контуре этим поглотителем при температуре 20-40°С, с последующей регенерацией поглотителя CO₂ продувкой горячим воздухом с температурой 150-300°С.

Технический результат - использование 1 загрузки сорбента в течение нескольких тысяч циклов наркоз/регенерация (большой ресурс работы), устранение необходимости перезарядки картриджей поглотителя, стерильность поглотителя и сорбционного блока, экологичность обслуживания наркозного аппарата.

Таким образом, предложен поглотитель и способ очистки газонаркотических смесей от диоксида углерода, в котором очистка наркозно-дыхателыной смеси осуществляется периодически с процессом регенерации сорбента, что позволяет использовать 1 загрузку поглотителя для проведения нескольких сотен операций с применением наркозного аппарата с реверсивным контуром.

При этом цикл работы адсорбера наркозного аппарата разбивается на две стадии:

1. Очистка воздушно-наркозной смеси от избытка диоксида углерода на выдохе в течение операции (температура адсорбера 20-40°С).

2. Термическая регенерация поглотителя после окончания операции, при этом адсорбер продувается воздухом, а десорбированный CO₂ сбрасывается в атмосферу, одновременно достигается обеззараживание поглотителя.

Замена регенерируемого поглотителя производится не каждый раз после проведения наркоза, а после нескольких сотен циклов сорбции/регенерации.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами и илл.

Пример 1 (Сравнительный).

В проточный адсорбер-картридж засыпают 1 кг известкового нерегенерируемого поглотителя состава Ca(ОН)₂ - 80 мас.%, NaOH - 4 мас.%, H₂O - 16 мас.% (марки Sodasorb). В течение 2 ч через адсорбер продувают смесь насыщенного при 25°С парами воды воздуха с 5 об. % CO₂, с объемной скоростью подачи 10 л/мин. Концентрация диоксида углерода на выходе из адсорбера не превышает 0,06 об. % CO₂. После проведения испытания проводят перезарядку адсорбера новой порцией свежего нерегенерируемого поглотителя CO₂, отработанный поглотитель утилизируют.

Пример 2.

Гранулированный волластонит CaSiO₃ пропитывают по влагоемкости 40% раствором K₂CO₃ и высушивают в сушильном шкафу при температуре 200°С в течение 2 ч. Содержание K₂CO₃ в приготовленном регенерируемом сорбенте составляет ≈27 мас.%.

4 кг полученного регенерируемого сорбента загружают в проточный адсорбер.

Аналогично примеру 1 в течение 2 ч через адсорбер продувают смесь насыщенного при 25°С парами воды воздуха с 5 об. % CO₂, с объемной скоростью подачи 10 л/мин. Концентрация диоксида углерода на выходе из адсорбера не превышает 0,08 об. %. Затем проводят регенерацию поглотителя непосредственно в адсорбере. Для этого нагревают адсорбер до 200°С и продувают через него воздух в течение 30 мин (при этом достигается обеззараживание поглотителя). Повторяют циклы «очистка/регенерация» 20-30 раз. В течение последующих циклов уровень концентрации CO₂ на выходе из адсорбера на стадии очистки не превышает 0,08 об. %.

Пример 3.

3,6 кг регенерируемого поглотителя, полученного аналогично примеру 2, отличающегося составом (35 мас.% K₂CO₃), загружают в проточный адсорбер, на вход которого подают воздух, насыщенный парами воды при 30°С, с 4 об. % CO₂ с объемной скоростью подачи 15 л/мин в течение 2 ч.

Концентрация диоксида углерода на выходе из адсорбера не превышает 0,08 об. % CO₂. После 2 ч очистки продувку прекращают, поглотитель высыпают из адсорбера и регенерируют в течение 30 мин при температуре 300°С в сушильном шкафу. Далее регенерированный поглотитель снова засыпают в адсорбер для проведения дальнейшей очистки смеси. Повторяют описанный эксперимент 20-30 раз. В течение последующих циклов «очистка/регенерация» уровень концентрации CO₂ на выходе из адсорбера не превышает 0,08 об. %.

Пример 4.

100 г регенерируемого сорбента, полученного аналогично примеру 2, отличающегося составом (21 мас.% K₂CO₃), загружают в проточный адсорбер, на вход которого подают смесь насыщенного при 25°С парами воды воздуха с 5 об. % CO₂, объемная скорость подачи 150 нсм³/мин. В момент достижения концентрации CO₂ 0,08 об. % продувку газонаркотической смеси прекращают, затем сорбент регенерируют прокаливанием при 300°С в токе воздуха.

Количество десорбированного диоксида углерода CO₂ определяют с помощью капнографа на выходе из адсорбера.

Динамическую емкость определяют как отношение массы десорбированного CO₂ к массе сорбента. Проводят 27 адсорбционно-десорбционных циклов. Средняя емкость сорбента составляет около 40 мг/г. Изменение динамической емкости в ходе испытаний показано на Фиг.

1. Поглотитель диоксида углерода для очистки газонаркозных смесей, содержащий активный компонент - карбонат калия, нанесенный на носитель, отличающийся тем, что в качестве носителя он содержит пористую матрицу из волластонита CaSiO₃.

2. Поглотитель диоксида углерода по п. 1, отличающийся тем, что он имеет следующий состав: К₂СО₃ 1-50 мас. %, волластонит CaSiO₃ - остальное.

3. Способ очистки газонаркозных смесей от диоксида углерода в наркозных аппаратах с реверсивным контуром, отличающийся тем, что для удаления диоксида углерода CO₂ используют термически регенерируемый поглотитель диоксида углерода, представляющий собой карбонат калия, закрепленный в порах носителя - волластонита CaSiO₃, очистку осуществляют периодически с процессом регенерации поглотителя.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что термически регенерируемый поглотитель диоксида углерода имеет состав: К₂СО₃ 1-50 мас. %, волластонит CaSiO₃ - остальное.

5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что очистку осуществляют при температуре 20-40°C.

6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что регенерацию поглотителя проводят продувкой горячим воздухом с температурой 150-300°C.