ПРОДУКТ ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ ВОЗДУХА Российский патент 2008 года по МПК A62D9/00 

Изобретение относится к составам химических веществ, используемых в системах регенерации воздуха и в изолирующих дыхательных аппаратах на химически связанном кислороде, и может быть использовано в производстве продуктов для регенерации воздуха на основе надпероксида калия или натрия.

Использование продуктов для регенерации воздуха в патронах изолирующих дыхательных аппаратов (ИДА) основано на выделении ими кислорода при взаимодействии с водой и диоксидом углерода выдыхаемого человеком воздуха. 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 гранул продукта для регенерации воздуха. Это снижает степень отработки продукта для регенерации воздуха в патроне индивидуального дыхательного аппарата до 50-70% и приводит к увеличению аэродинамического сопротивления дыханию человека.

Перечисленные выше недостатки приводят к неоправданному росту массогабаритных характеристик изделий и ограничивают круг потенциальных пользователей (индивидуальными дыхательными аппаратами, работающими на таких регенеративных продуктах, не могут пользоваться дети, люди, страдающие заболеваниями дыхательных путей и др.).

Повышение эффективности работы продукта для регенерации воздуха и улучшение его эксплуатационных характеристик осуществляется как изменением конструкции регенеративного патрона, 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 продукт для регенерации воздуха на основе надпероксида калия [патент ГДР №61761, Кл. 61а, 29/22, 1968 г.], в состав которого для исключения контакта между зернами продукта введен инертный наполнитель, представляющий собой пористое тело различной формы - керамические шарики, кольца Рашига, осколки керамики, крошка диотомита и др. Данное техническое решение частично исключает контакт гранул продукта для регенерации воздуха друг с другом, что приводит к увеличению поверхности контакта гранулы продукта для регенерации воздуха с водяным паром и диоксидом углерода.

Однако данный состав продукта для регенерации воздуха не обеспечивает высокую степень отработки продукта для регенерации воздуха. Это происходит за счет того, что в процессе работы продукта для регенерации воздуха вследствие тепловых эффектов протекающих реакций происходит оплывание поверхности гранул продукта для регенерации воздуха, что затрудняет условия диффузии газов внутрь гранул. Кроме того, не исключено слипание инертного наполнителя с гранулами продукта, что приводит к уменьшению контакта газ - твердое тело и, как следствие, к неравномерности отработки продукта для регенерации воздуха. Следует также учитывать, что введение объемного 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 продукту является продукт для регенерации воздуха, содержащий в качестве основного вещества надпероксид калия, в качестве структурообразующей добавки - оксиды кальция или магния, в качестве катализатора - оксохлорид меди [патент ЕПВ №0086138, МПК, С01В 15/02, 1983 г.]. Введение в состав продукта для регенерации воздуха данной структурообразующей добавки позволяет повысить температуру плавления смеси продуктов реакций надпероксида калия с влагой и диоксидом углерода выдыхаемого человеком воздуха, что уменьшает возможность спекания и плавления продукта в патроне дыхательного аппарата. Соответственно, улучшатся условия диффузии паров воды и диоксида углерода внутрь гранул продукта. Катализаторы используют для интенсификации выделения кислорода (особенно в начальный период работы дыхательного аппарата).

Однако данный состав продукта для регенерации воздуха характеризуется неравномерным выделением кислорода и поглощением диоксида углерода, а также недостаточно высокой динамической емкостью по диоксиду углерода и кислороду, что обусловлено осложненной диффузией газов в объем 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 выделению кислорода. Все это не позволяет максимально рационально использовать ресурс продукта для регенерации воздуха.

Кроме того, при работе в реальном патроне изолирующего дыхательного аппарата продукта для регенерации воздуха этого состава за счет интенсивного каталитического разложения надпероксида калия сильно увеличивается температура регенерированного воздуха, циркулирующего в системе. Это приводит к оплыванию поверхности гранул продукта для регенерации воздуха и их спеканию и, как следствие этого, возрастает аэродинамическое сопротивление дыханию пользователя, что создает определенные трудности для пользователя индивидуального дыхательного аппарата.

Задачей изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик продукта для регенерации воздуха при его работе в патроне изолирующего дыхательного аппарата.

Технический результат заключается в разработке состава продукта для регенерации воздуха, имеющего высокую емкость по кислороду и диоксиду углерода, обеспечивающего равномерное поглощение СО₂ и выделение кислорода, снижение сопротивления дыханию и температуры регенерируемого воздуха при работе продукта в патроне дыхательного аппарата.

Технический результат достигается тем, что продукт для регенерации воздуха на основе надпероксида калия содержит в качестве структурообразующих добавок оксид кальция и силикат кальция в виде волокнистого материала волластанита (как природного, так и искусственного происхождения). Соотношение компонентов в составе продукта для регенерации воздуха следующее, мас.%:

надпероксид калия (КО₂)75-85оксид кальция (СаО)10-20волластонит (CaSiO₃)1-5

Оксид кальция выступает в качестве структурообразующей добавки, препятствующей оплыванию гранул продукта для регенерации воздуха и плавлению смеси веществ, образующихся при работе продукта для регенерации воздуха в патроне дыхательного аппарата. Смесь не до конца прореагировавших исходных компонентов, продуктов взаимодействия КО₂ и СаО с водой и диоксидом углерода 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 патроне существуют пористые твердые фазы переменного состава. Это улучшает условия диффузии паров воды и диоксида углерода в объем гранул продукта для регенерации воздуха.

Волластанит выступает в качестве добавки, улучшающей условия диффузии газов внутрь гранул продукта для регенерации воздуха. Это происходит за счет того, что кристаллы как природного, так и синтетического волластонита, относящиеся либо к моноклинной, либо к триклинной сингонии, имеют спутанно-волокнистую игольчатую или удлиненно-таблитчатую (дощатую) форму, вытянутую параллельно оси b. За счет этого кристаллы волластонита обладают высокой газопроницаемостью. При этом длина кристаллов волластонита колеблется в пределах 5-20 мм. (В.А.Тюльнин, В.Р.Ткач, В.И.Эйрих, Н.П.Стародубцев. Волластонит. Уникальное минеральное сырье многоцелевого назначения. // - М.: Руда и металлы, - 2003, - с.144.). Температура плавления волластонита составляет 1540°С. Перечисленные выше уникальные свойства волластонита приводят к тому, что при работе продукта для регенерации воздуха в патроне ИДА вдоль волокнистых кристаллов волластонита пары воды и диоксид углерода могут диффундировать в любую точку объема гранулы продукта для регенерации воздуха. При этом возникающие в процессе регенерации воздуха условия (температура, химический состав и др.) не влияют на первоначальную структуру волластонита. Таким образом, на протяжении всего времени работы продукта для регенерации воздуха внутри каждой его гранулы сохраняется неизменный газопроницаемый каркас. Это существенно облегчает диффузию паров воды и диоксида углерода в объем гранул продукта для регенерации воздуха на протяжении всего времени работы индивидуального дыхательного аппарата, что, в свою очередь, приводит к увеличению степени отработки продукта для регенерации воздуха и снижению аэродинамического сопротивления дыханию пользователя.

Продукт для регенерации воздуха готовят обычным смешиванием компонентов в требуемых соотношениях в любом промышленном смесителе сыпучих материалов с последующим формованием полученной шихты в таблетки, гранулы, блоки и др. или их композиции в зависимости от конструкции патрона дыхательного аппарата и условий его эксплуатации.

Примеры составов продуктов для регенерации воздуха приведены в таблице 1.

Таблица 1.Регенеративный продуктСостав продукта, %KO₂CaOволластонитПо примеру 175205По примеру 279192По примеру 383134По примеру 485141По примеру 585105Примечание: регенеративные продукты могут содержать до 3% примесей, принципиально не влияющих на свойства продукта.

Продукт для регенерации воздуха предлагаемого состава испытан 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 по примерам 1-5 из таблицы 1 в тех же условиях испытывался специально изготовленный продукт для регенерации воздуха - аналог по химическому составу продукта по патенту ЕПВ №0086138. Все регенеративные продукты 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 "ИЛ" достигала 3%. Результаты испытаний представлены в таблице 2 и на фиг.1-2.

Таблица 2Состав продуктаМасса продукта, гВремя защитного действия, минКоличество поглощенного СО₂, лКоличество выделенного
O₂, лМаксимальная температура на вдохе, °СМаксимальное сопротивление дыханию на линии вдоха, мм вод. ст.Максимальное сопротивление дыханию на линии выдоха, мм вод. ст.По примеру 19036195112386041По примеру 29016399124396242По примеру 390068106143426141По примеру 490164100130406545По примеру 590067105142426241Продукт по патенту ЕПВ №008613890255861395210575

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 рисунках 1 и 2 характеризует изменение данного параметра при работе изолирующего дыхательного аппарата, снаряженного продуктом для регенерации воздуха по патенту ЕПВ №0086138. Поскольку для всех продуктов для регенерации воздуха, имеющих химический состав по примерам 1-5 из таблицы 1, 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).

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, составы продуктов для регенерации воздуха, полученных по изобретению, обеспечивают при работе в патроне изолирующего дыхательного аппарата большее время защитного действия при меньших массогабаритных характеристиках в сравнении с регенеративным продуктом по патенту ЕПВ №0086138.

Улучшение параметров продукта для регенерации воздуха (по сравнению с продуктом по патенту ЕПВ №0086138) достигаются за счет того, что в качестве структурообразующих добавок в состав продукта для регенерации воздуха входят оксид кальция и волластонит. Это улучшает условия диффузии паров воды и диоксида углероду внутрь гранул продукта для регенерации воздуха, что 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 и более низкую температуру газовоздушной смеси, поступающей на вдох пользователю. Это обеспечивает более комфортные условия при эксплуатации изолирующих дыхательных аппаратов и расширяет круг лиц, имеющих физическую возможность пользоваться ИДА.

Изобретение относится к составам химических веществ, используемых в изолирующих дыхательных аппаратах. Продукт для регенерации воздуха содержит надпероксид калия в количестве 75-85 мас.%, оксид кальция в количестве 10-20 мас.% и волластонит в количестве 1-5 мас.%. Предложенный состав обеспечивает равномерное поглощение диоксида углерода и выделение кислорода, снижение сопротивления дыханию и температуры регенерируемого воздуха при работе продукта в патроне дыхательного аппарата. 2 ил., 2 табл.

Продукт для регенерации воздуха для изолирующих дыхательных аппаратов, включающий надпероксид калия и оксид кальция, отличающийся тем, что дополнительно содержит силикат кальция в виде волокнистого материала волластонита при следующем соотношении компонентов, мас.%:

надпероксид калия (KO₂)75-85оксид кальция (СаО)10-20волластонит (CaSiO₃)1-5