РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПРОДУКТ ДЛЯ ИЗОЛИРУЮЩИХ ДЫХАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Российский патент 2008 года по МПК A62D9/00 

Изобретение относится к составам химических веществ, используемых в изолирующих дыхательных аппаратах на химически связанном кислороде, и может быть использовано в производстве регенеративных продуктов на основе надпероксида калия (KO₂).

Использование регенеративных продуктов на базе надпероксидов щелочных металлов в изолирующих дыхательных аппаратах (ИДА) основано на выделении ими необходимого для дыхания кислорода при взаимодействии с водой и диоксидом углерода выдыхаемого человеком воздуха. Данный процесс можно схематически описать уравнениями следующих химических реакций:

2МеO₂+Н₂O→2МеОН+1,5O₂+Q

2МеОН+CO₂→Ме₂СО₃+Н₂O+Q

При этом возникающие в процессе эксплуатации индивидуального дыхательного аппарата условия (образование новых химических соединений, имеющих больший молекулярный объем, нежели исходные вещества, частичное плавление исходных компонентов и продуктов реакции вследствие экзотермического характера протекающих процессов и др.) часто приводят к изменению структуры транспортных пор регенеративного продукта (возможна их частичная или даже полная блокировка). Это в дальнейшем затрудняет диффузию паров воды и диоксида углерода в объем его гранул или делает данный процесс невозможным. Перечисленные выше факторы снижают степень отработки регенеративного продукта в патроне индивидуального дыхательного аппарата до 50-60% и приводят к увеличению аэродинамического сопротивления дыханию человека.

Повышение эффективности работы регенеративного продукта и улучшение его эксплуатационных характеристик осуществляется как изменением конструкции регенеративного патрона, так и изменением химического состава регенеративного продукта и формы его насадки. Часто это выполняют параллельно.

Традиционно регенеративный продукт 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 регенеративного продукта в процессе его работы (что приводит к повышению степени отработки регенеративного продукта) в состав продукта вводят различные структурообразующие добавки.

Известен регенеративный продукт 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 регенеративного продукта друг с другом, что приводит к увеличению поверхности контакта гранулы регенеративного продукта с водяным паром и диоксидом углерода.

Однако данный состав регенеративного продукта не обеспечивает высокую степень отработки регенеративного продукта. Это происходит за счет того, что в процессе работы регенеративного продукта вследствие тепловых эффектов протекающих реакций происходит оплывание поверхности гранул регенеративного продукта, 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 регенеративного продукта. Следует также учитывать, что введение объемного инертного наполнителя приводит к увеличению массогабаритных параметров индивидуальных дыхательных аппаратов без увеличения времени защитного действия изделия.

Известен регенеративный продукт, состоящий из надпероксида калия и асбеста (от 2 до 10% весовых), выполняющего роль структурообразующей добавки [заявка ФРГ №1546513, кл. 61b 1/02, 1970 г.]. Данный регенеративный продукт имеет более высокую степень отработки, достигаемую за счет того, что диффузия паров воды и диоксида углерода обеспечивается вдоль волокон асбеста к центру гранул продукта на протяжении всего времени его эксплуатации в патроне ИДА.

Однако данный состав регенеративного продукта не устраняет все недостатки, возникающие при эксплуатации продукта в индивидуальном дыхательном аппарате. Регенеративный продукт по этому способу получают путем смешения исходных компонентов, прессования полученной шихты в блоки, их последующего дробления и отсева требуемой фракции. 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, снаряженным таким регенеративным продуктом, уже в начальный момент эксплуатации возрастает аэродинамическое сопротивление дыханию пользователя.

Кроме того, все асбесты являются канцерогенными веществами, представляющими опасность для здоровья пользователя.

Следует также отметить, что все регенеративные продукты на основе надпероксида калия имеют несколько общих существенных недостатков. Во-первых, при низких температурах эксплуатации индивидуальных дыхательных аппаратов, снаряженных такими продуктами, в начальный момент эксплуатации процесс регенерации воздуха происходит крайне медленно, что представляет существенную проблему для пользователя (недостаток кислорода и повышенное содержание диоксида углерода в регенерируемом воздухе). Для устранения данного негативного фактора требуется дополнительный подвод тепла или добавление катализатора. Каталитическое разложение надпероксида калия, приводящее к увеличению скорости выделения кислорода, необходимо лишь в начальный период работы регенеративного продукта, а в дальнейшем это приводит к избыточному (по сравнению с необходимым для дыхания пользователя) выделению кислорода. Все это не позволяет максимально рационально использовать ресурс регенеративного продукта.

Во-вторых, введение в состав регенеративных продуктов структурообразующих добавок, катализаторов и дополнительных источников тепловой энергии приводит к снижению суммарного содержания активного кислорода (кислорода, способного генерироваться из продукта в процессе регенерации воздуха) в системе.

Наиболее близким из разработанных в настоящее время к заявляемому продукту является регенеративный продукт, полученный на основе смеси надпероксидов калия и натрия [патент ФРГ №1287934, С01В 13/02, 1969 г.]. Присутствие в регенеративном продукте надпероксида натрия, во-первых, повышает содержание активного кислорода на единицу массы продукта (KO₂ содержит в своем составе 33% массовых активного кислорода, a NaO₂ - 43,6% массовых) и, во-вторых, способствует нормальному функционированию изделия, снаряженного регенеративным продуктом предложенного состава, при низких температурах без введения катализатора и дополнительного подвода тепла. Это происходит за счет того, что надпероксид натрия более реакционноспособен по отношению к водяному пару, нежели надпероксид калия (энергия решетки NaO₂≈190,9 ккал/моль, KO₂≈177,1 ккал/моль,) и теплота его реакции с водой составляет ≈16 ккал/моль, в то время как для надпероксида калия данная величина ≈12 ккал/моль.

Хотя регенеративный продукт предложенного состава и имеет высокие стехиометрические емкости по диоксиду углерода и кислороду и вследствие большей реакционной способности надпероксида натрия к водяному пару регенерация происходит с достаточной скоростью и при низких температурах, он не лишен основного недостатка - низкой степени отработки в патроне реального аппарата. Это обусловлено тем, что в процессе эксплуатации такого продукта в патроне ИДА из-за протекающих физико-химических процессов (за счет тепловых эффектов химических реакций, протекающих в процессе регенерации воздуха, по эвтектоидной схеме происходит плавление смеси исходных компонентов и продуктов взаимодействия надпероксидов калия и натрия с водяным паром и диоксидом углерода) происходит блокировка транспортных пор, что делает невозможным диффузию паров воды и СО₂ внутрь гранул регенеративного продукта. По этой же причине растет аэродинамическое сопротивление дыханию пользователя.

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

Технический результат заключается в разработке состава регенеративного продукта, имеющего высокую емкость по кислороду и диоксиду углерода, снижение сопротивления дыханию пользователя и температуры на вдохе пользователя при работе продукта в патроне дыхательного аппарата.

Технический результат достигается тем, что регенеративный продукт, содержащий надпероксид калия и надпероксид натрия, в качестве структурообразующей добавки дополнительно содержит силикат кальция в виде волокнистого материала волластанита. Волластанит может быть как природного, так и искусственного происхождения. Соотношение компонентов в составе регенеративного продукта следующее, мас.%:

надпероксид калия (КО₂)75-90надпероксид натрия (NaO₂)5-20волластанит (CaSiO₃)1-5

Волластанит выступает в качестве добавки, улучшающей условия диффузии газов внутрь гранул регенеративного продукта. 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. Волластанит. 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 регенеративного продукта в патроне индивидуального дыхательного аппарата вдоль волокнистых кристаллов волластонита пары воды и диоксид углерода могут диффундировать в любую точку объема гранулы регенеративного продукта. 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 регенеративного продукта внутри каждой его гранулы сохраняется неизменный газопроницаемый каркас. Это существенно облегчает диффузию паров воды и диоксида углерода в объем гранул регенеративного продукта на протяжении всего времени работы индивидуального дыхательного аппарата, что, в свою очередь, приводит к увеличению степени отработки регенеративного продукта и снижению аэродинамического сопротивления дыханию пользователя.

Регенеративный продукт 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 регенеративных продуктов приведены в таблице 1.

Таблица 1.Регенеративный продуктСостав продукта, %KO₂NaO₂волластанитПо примеру 175205По примеру 280173По примеру 385141По примеру 485114По примеру 586122По примеру 69055Примечание: регенеративные продукты могут содержать до 3% примесей, принципиально не влияющих на свойства продукта.

Регенеративный продукт предлагаемого состава испытан в патроне изолирующего дыхательного аппарата на установке "Искусственные легкие" (ИЛ) при следующих условиях:

- легочная вентиляция 35,0±1 л/мин

- объемная подача диоксида углерода 1,57±0,03 л/мин

- влажность газовоздушной смеси, % 96-98

- частота дыхания 20±0,5 мин^-1

- температура окружающей среды 20-25°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 регенеративный продукт - аналог по химическому составу продукта по патенту ФРГ №1287934 (продукт содержал 60% KO₂ и 40% NaO₂). Все регенеративные продукты имели форму гранул одинакового размера и плотности. Время защитного действия определяли как время от начала работы регенеративного продукта 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 и 2.

Таблица 2.Состав продуктаМасса продукта, гВремя защитного действия ИДА, минТеоретическая емкость продукта по СО₂, л/кгТеоретическая емкость продукта по O₂, л/кгСтепень отработки по СО₂, %Максимальная температура на вдохе, °СМаксимальное сопротивление дыханию на линии вдоха, мм вод. ст.Максимальное сопротивление дыханию на линии выдоха, мм вод. ст.По примеру 170075159,0238,575,5443036По примеру 270277160,8241,276,62433137По примеру 370371162,6243,969,86422935По примеру 470174156,5234,775,65403036По примеру 57057516024075,0413036По примеру 670468152,2228,271,48382834Продукт по патенту ФРГ №128793470552176,1264,247,245310575

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 регенеративным продуктом по патенту ФРГ №1287934. Поскольку для всех регенеративных продуктов, 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% от среднего значения, на фиг.1 и 2 представлено изменение среднего значения этого параметра (кривая 2).

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

Как видно из представленных табличных и графических данных, составы регенеративных продуктов, полученных по изобретению, обеспечивают при работе в патроне изолирующего дыхательного аппарата при аналогичных значениях массы большее время защитного действия в сравнении с регенеративным продуктом по патенту ФРГ №1287934.

Улучшение параметров регенеративного продукта (по сравнению с продуктом по патенту ФРГ №1287934) достигается за счет того, что в состав продукта входят надпероксиды калия и натрия и волластанит. Присутствие волластанита качестве структурообразующей добавки улучшает условия диффузии паров воды и диоксида углероду внутрь гранул регенеративного продукта, что позволяет более эффективно использовать ресурс регенеративного продукта 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 дыханию пользователя и более низкую температуру газовоздушной смеси, поступающей в дыхательные пути человека. 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 на химически связанном кислороде, и может быть использовано в производстве продуктов для регенерации воздуха на основе надпероксида калия. Регенеративный продукт содержит 75-90 мас.% надпероксида калия, 5-20 мас.% надпероксида натрия и 1-5 мас.% волластонита. Регенеративный продукт предложенного состава по таким критериям, как поглощение диоксида углерода и выделение активного кислорода на единицу массы во время работы продукта в патроне изолирующего дыхательного аппарата, превосходит серийно выпускаемые продукты. Кроме того, изолирующий дыхательный аппарат, снаряженный предложенным регенеративным продуктом, при эксплуатации имеет меньшее аэродинамическое сопротивление дыханию пользователя и более низкую температуру газовоздушной смеси, поступающей в дыхательные пути человека. 2 ил., 2 табл.

Регенеративный продукт для изолирующих дыхательных аппаратов, содержащий надпероксид калия и надпероксид натрия, отличающийся тем, что дополнительно содержит силикат кальция в виде волокнистого материала волластонита при следующем соотношении компонентов, мас.%:

надпероксид калия (КО₂) 75-90надпероксид натрия (NaO₂) 5-20волластонит (CaSiO₃) 1-5