ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ СОСТАВ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ КИСЛОРОДА Российский патент 1996 года по МПК C01B13/02 

Изобретение относится к получению газообразного кислорода из твердых пиротехнических источников типа кислородной свечи, генерирующих кислород за счет самораспространяющейся химической реакции между компонентами в режиме горения. Кислород может быть использован для дыхания в замкнутых системах, например, в самолетах, подводных аппаратах, шахтах, убежищах, или в технике, например, для получения тока в электрохимических генераторах.

Известен состав [1] в котором в качестве перхлоратного кислородоносителя используется перхлорат лития. Состав включает 8-93% LiClO₄, 4-8% BaO₂ в качестве катализатора, 3-5% бора и железа в качестве горючего и 3-4% стекловаты как связки. Выход кислорода у этого состава 337 л/кг, что на 20-25% выше, чем у хлоратных источников. Однако, этот состав имеет высокую температуру горения выше 800^оС.

Наиболее близким к изобретению является состав [2] включающий перхлорат лития 85% пероксид лития 4% и марганец 11% Выход кислорода у этого состава 323 л/кг. Температура в зоне горения много выше 700^оС. Основной недостаток состава прототипа это образование большого количества пыли в ходе генерации кислорода и высокая температура в зоне горения. Эти недостатки взаимосвязаны. Низкая температура плавления исходного компонента LiClO₄ (247,5^о) и продукта горения хлорида лития (610^оС) в сочетании с высокой температурой в зоне реакции приводит к появлению большого объема жидкой фазы, капли которой увлекаются выделяющимся газом и застывая, превращаются в пыль.

Изобретение решает задачу улучшения эксплуатационных характеристик состава за счет снижения температуры в зоне горения и понижения содержания пыли при сохранении высокого выхода кислорода.

Это достигается путем состава, содержащего в качестве кислородоносителя перхлорат натрия, в качестве горючего порошок магния, пероксидный катализатор, включающий пероксид натрия и/или надпероксид натрия, и дополнительно оксид переходного металла, оксид никеля (II) и оксид кобальта (III), оксид железа (III).

Компоненты состава берут в следующем соотношении, мас. NaClO₄ 84,5-92,5; магний 2,5-6,5; Na₂O₂ и/или NaO₂ 3,5-5,5; оксид переходного металла (Co₂O₄ и/или NiO и/или Fe₂O₃) 1,5-3,5. Состав обеспечивает выход кислорода от 320 до 345 л/кг, температуру в зоне горения от 550 до 650^оС и количество пыли не более 0,1 мг/л.

Уменьшение количества жидкой фазы вблизи зоны горения достигается благодаря замене LiClO₄ (т. пл. 247,5^оС) на более тугоплавкий NaClO₄ (т.пл. 480^оС). Конечный продукт распада перхлората натрия, NaCl, также имеет более высокую температуру плавления (801^оС), чем LiCl (610^оС). Однако состав, содержащий NaClO₄, магний и любой пероксидный катализатор Li₂O₂ или NaO₂, не обеспечивает в полной мере желаемый эффект, поскольку пероксидный катализатор катализирует преимущественно распад перхлората, и в гораздо меньшей степени действует на промежуточный продукт распада перхлората хлорат, в результате чего вблизи горячей зоны накапливается NaClO₃ в количестве, соизмеримом с количеством NaClO₄. Хлорат и перхлорат натрия образуют между собой легкоплавкую эвтектику (т.пл. 222^оС, содержание NaClO₄ 24 мол.), что существенно увеличивает объем жидкой фазы в зоне горения.

Дополнительное введение в состав оксида переходного металла, действующего преимущественно на хлорат натрия приводит к резкому сокращению доли NaClO₃ в реагирующей системе и соответственно к уменьшению количества жидкой фазы до допустимого предела и к общему понижению температуры горения. Более сильный каталитический эффект двухкомпонентного катализатора позволил уменьшить содержание горючего (металла) в составе по сравнению с прототипом, что также способствовало снижению температуры горения и уменьшению количества жидкой фазы. В результате температура горения снизилась на 150-200^оС и содержание пыли в кислороде не превышает 0,1 мг/л, в то время как в прототипе оно выше 10 мг/л.

Дополнительное преимущество изобретения состоит в улучшении экологических свойств твердых продуктов сгорания. При замене марганца на магний снизилось содержание вредных тяжелых металлов в твердом остатке в 5 раз по сравнению с прототипом (от 20% в прототипе до 3-5% в предлагаемом решении).

Примеры осуществления изобретения.

В работе используют технические реактивы без дополнительной очистки, изготовленные на предприятиях России. Составы готовят смешением компонентов в шаровой мельнице в течение часа. Цилиндрические блоки прессуют в стальной пресс-форме диаметром 30 мм под давлением 1500 кг/см². Испытания прессованных блоков проводят в камере сжигания, снабженной воспламенительным устройством с электрическим запалом и выходным отверстием для кислорода. Объем выделившегося газа измеряют с помощью газосчетчика ГСБ-400. Содержание хлора в кислороде определяют после пропускания газа через 10%-ный раствор иодистого калия. Количество пыли в кислороде определяют по изменению веса фильтра, установленного на выходе газа из камеры. Температуру во фронте горения измеряют термопарой, вставленной в блок на глубину 5 мм. Содержание тяжелых металлов в остатке определяют методом химического анализа.

П р и м е р. Прессованный блок, диаметром 30 мм и высотой 50 мм, содержащий 89,4 мас. NaClO₄, 2,7 мас. Mg, 5,2 мас. NaO₂ и 2,7 мас. NiO, горит с температурой во фронте горения 600^оС и выделяет кислород без примеси хлора. Выход кислорода составляет 340 л/г содержание пыли на фильтре 0,1 мг/л. В остатке содержится 4% никеля.

Результаты типичных испытаний с изменением содержания компонентов состава в сравнении с составом прототипа представлены в таблице. При уменьшенном количестве магния состав не горит. При увеличенном содержании магния и уменьшенном количестве NаClO₄ состав горит с высокой температурой, превышающей 800^оС, что приводит к резкому увеличению содержания пыли в кислороде и снижению выхода кислорода. При завышенном или заниженном содержании катализатора состав теряет работоспособность.

Из представленных в таблице данных следует, что изобретение позволяет снизить температуру горения до 580-640^оС при выходе кислорода 320-345 л/кг. Содержание пыли при этом не превышает 0,15 мг/л О₂, тяжелых металлов не более 4,6 мас. при отсутствии выделения газообразного хлора.

Использование: получение кислорода для дыхания в летательных и подводных аппаратах, шахтах, убежищах, генерация тока в электрохимических генераторах. Сущность изобретения: пиротехнический состав содержит, мас.%: перхлорат натрия 84,5 - 92,5; пероксид и/или надпероксид натрия 3,5 - 5,5; оксид переходного металла NiO, CO₂O₃, Fe₂O₃ 1,5 - 3,5; магний 2,5 - 6,5. Температура горения состава 580 - 640 ^oС, выход кислорода 320 - 345 л/кг, содержание пыли 0,08 - 0,1 мг/л O₂, содержание тяжелых металлов 3,0 - 4,8 мас.%. 1 табл.

ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ СОСТАВ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ КИСЛОРОДА, включающий перхлорат натрия, пероксидный катализатор и металл, отличающийся тем, что пероксидный катализатор содержит пероксид и/или надпероксид натрия, в качестве металла указанный состав содержит порошок магния, при этом указанный состав дополнительно содержит по меньшей мере один оксид из ряда, включающего оксид никеля (II), оксид кобальта (III), оксид железа (III), при следующем содержании компонентов, мас.

Перхлорат натрия 84,5 92,5
Пероксид и/или надпероксид натрия 3,5 5,5
Оксид переходного металла 1,5 3,5
Порошок магния 2,5 6,5