СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОДУКТА ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ ВОЗДУХА Российский патент 2010 года по МПК B01D53/00 A62D9/00 

Изобретение относится к способам получения продуктов для регенерации воздуха на основе надпероксида калия, используемых в 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 для систем жизнеобеспечения человека (особенно для индивидуальных дыхательных аппаратов) 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 скорость диффузии газов внутрь гранул сорбента;

- стабильность пористой структуры в процессе работы;

- минимальные объемные изменения в процессе эксплуатации;

- высокая прочность формованного продукта;

- минимальная токсическая опасность для пользователя.

При эксплуатации продуктов для регенерации воздуха в системах жизнеобеспечения человека из-за протекающих физико-химических процессов (образование новых химических соединений, вызывающие объемные изменения гранул продукта для регенерации воздуха, частичное плавление исходных компонентов и продуктов реакций вследствие экзотермического характера протекающих процессов и др.) часто происходит уменьшение удельной поверхности транспортных пор сорбента, что в дальнейшем осложняет диффузию паров воды и диоксида углерода в объем продукта для регенерации воздуха и снижает кинетику хемосорбционного процесса. Это снижает степень отработки продукта для регенерации воздуха в системах жизнеобеспечения до 40-50% и приводит к увеличению гидравлического 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 в системах жизнеобеспечения, 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 регенеративном патроне, через который циркулирует регенерируемый воздух.

Для оптимизации работы продукта для регенерации воздуха в его состав вводят различные структурообразующие добавки, способствующие устранению перечисленных выше недостатков.

Известен способ получения продукта 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, крошка диатомита 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.

Но продукт для регенерации воздуха, полученный данным способом, не обладает высокой степенью отработки при его эксплуатации в составе изделия. Это происходит за счет того, что в ходе работы изделия из-за тепловых эффектов протекающих процессов происходит плавление смеси исходных компонентов и продуктов реакций, протекающих в процессе хемосорбции, и, как следствие этого, 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 поверхности контакта газ - твердое тело и, как следствие, к снижению степени отработки продукта для регенерации воздуха. Следует также учитывать, что введение объемного инертного наполнителя приводит к увеличению массогабаритных параметров изделия без увеличения времени защитного действия изделия.

Известен способ получения продукта для регенерации воздуха путем смешения надпероксида калия и асбеста (от 2 до 10% весовых), выполняющего роль структурообразующей добавки, с последующим формованием смеси [заявка ФРГ №1546513, кл. 61b, 1/02, 1970 г.]. Продукт для регенерации воздуха, полученный этим способом, 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 изолирующего дыхательного аппарата.

Однако данный способ получения продукта для регенерации воздуха не устраняет все недостатки, возникающие при эксплуатации продукта в индивидуальном дыхательном аппарате. Продукт для регенерации воздуха 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 гидравлическое сопротивление дыханию пользователя.

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

Наиболее близким к заявляемому способу получения продукта для регенерации воздуха в системах жизнеобеспечения человека из разработанных в настоящее время является способ получения продукта для регенерации воздуха [патент Франции №2521034, МПК B01J 20/04, 1983 г.], по которому его основу - надпероксид калия (KO₂) в количестве до 85% смешивают с оксидом кальция или магния (до 30%), выступающих в качестве структурообразующих добавок, 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.

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 продукт для регенерации воздуха, полученный данным способом, также имеет существенные недостатки. 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. Кроме того, при работе в реальном патроне изолирующего дыхательного аппарата продукта для регенерации воздуха, полученного данным способом, за счет интенсивного каталитического разложения надпероксида калия сильно увеличивается температура регенерированного воздуха, циркулирующего в системе. Это приводит к оплыванию поверхности формованного продукта для регенерации воздуха и их спеканию и, как следствие этого, возрастает гидравлическое сопротивление дыханию человека, что создает определенные трудности для пользователя индивидуального дыхательного аппарата. Это не позволяет максимально рационально использовать ресурс продукта для регенерации воздуха.

Следует особо отметить, что все перечисленные выше способы получения продуктов для регенерации воздуха на основе надпероксида калия обладают общим недостатком - уменьшение объема продукта для регенерации воздуха при его эксплуатации в системах жизнеобеспечения человека примерно на 11-13%. Это происходит за счет того, что в процессе регенерации воздуха при температуре около 125°С (а при регенерации воздуха за счет тепловых эффектов протекающих процессов температура в зоне реакции может достигать 400°С) происходит полиморфное превращение α-КО₂, относящейся к тетрагональной сингонии, в β-КО₂, имеющей кубическую гранецентрированную элементарную ячейку, чем и обусловлено уменьшение объема продукта для регенерации воздуха независимо от формы его насадки [Фирсова Т.П., Молодкина А.Н., Морозова Т.Г. О температуре плавления надперекиси калия. // Изв. АН СССР. ОХН. 1965. №9. С.1678-1683]. При этом движение регенерируемого воздуха происходит не через продукт для регенерации воздуха, а через образовавшиеся пустоты (т.е. по пути минимального сопротивления) и процесс регенерации воздуха как таковой прекращается. По этой причине продукт для регенерации воздуха может отработать только на 30-40% от своего теоретического ресурса.

Задачей изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик продукта для регенерации воздуха при его эксплуатации в системах жизнеобеспечения человека.

Технический результат заключается в разработке способа получения продукта для регенерации воздуха, обладающего при работе в патроне изолирующего дыхательного аппарата высокой степенью отработки и не меняющего в процессе эксплуатации свои объемные характеристики.

Указанный технический результат достигается изобретением, согласно которому в способе получения продукта для регенерации воздуха для систем жизнеобеспечения человека, включающем смешение надпероксида калия с оксидом кальция или оксидом магния, или их смесью и формование полученной шихты, дополнительно осуществляют перед смешением термообработку надпероксида калия при температуре от 140 до 160° в течение 4-6 часов.

Заявляемое изобретение позволяет улучшить эксплуатационные характеристики продукта для регенерации воздуха по следующим обстоятельствам. Во-первых, оксиды кальция и магния выступают 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 KO₂, СаО, и MgO 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 формованного продукта для регенерации воздуха. Во-вторых, при термообработке надпероксида калия в указанном температурном интервале в течение 4-6 часов происходит полиморфное превращение α-КО₂, относящееся к тетрагональной сингонии, в β-КО₂, имеющей кубическую гранецентрированную элементарную ячейку. При этом данный энантиотропный фазовый переход сопровождается выделением небольшого количества кислорода, образующегося в результате реакции надпероксида калия и освобождающейся адсорбированный воды [Фирсова Т.П., Молодкина А.Н., Морозова Т.Г. О температуре плавления надперекиси калия. // Изв. АН СССР. ОХН. 1965. №9. С.1678-1683]. За счет перечисленных процессов происходит уменьшение объема исходного надпероксида калия примерно на 10-13%. Проведение термообработки надпероксида калия до его смешения с оксидом кальция и формования полученной в результате этого шихты в насадку необходимой формы позволяет получить формованный продукт для регенерации воздуха, объемные характеристики которого уже практически не меняются в процессе его эксплуатации в системах жизнеобеспечения человека.

Способ получения продукта для регенерации воздуха осуществляют следующим образом. Исходный надпероксид калия подвергают термообработке в течение 4-6 часов при температуре 140-160°С, после чего в необходимом количестве добавляют оксид кальция или оксид магния или их смесь и 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 будет эксплуатироваться.

Пример 1

8400 г надпероксида калия помещают в металлический контейнер, снабженный клапаном избыточного давления, и подвергают термообработке в течение 4 часов при температуре 140°С, после чего добавляют 1600 г оксида кальция и перемешивают любым известным способом до получения однородной шихты. Полученную таким образом шихту формуют в блоки, таблетки, гранулы и др. Полученный продукт для регенерации воздуха готов к эксплуатации в индивидуальном дыхательном аппарате.

Пример 2

9000 г надпероксида калия помещают в металлический контейнер, снабженный клапаном избыточного давления, и подвергают термообработке в течение 5 часов при температуре 150°С, после чего добавляют 1000 г оксида кальция и перемешивают любым известным способом до получения однородной шихты. Далее, как в примере 1.

Пример 3

9500 г надпероксида калия помещают в металлический контейнер, снабженный клапаном избыточного давления, и подвергают термообработке в течение 6 часов при температуре 160°С, после чего добавляют 500 г оксида кальция и перемешивают любым известным способом до получения однородной шихты. Далее, как в примере 1.

Пример 4

9000 г надпероксида калия помещают в металлический контейнер, снабженный клапаном избыточного давления, и подвергают термообработке в течение 5 часов при температуре 150°С, после чего добавляют 1000 г оксида магния и перемешивают любым известным способом до получения однородной шихты. Далее как в примере 1.

Пример 5

9000 г надпероксида калия помещают в металлический контейнер, снабженный клапаном избыточного давления, и подвергают термообработке в течение 6 часов при температуре 140°С, после чего добавляют 500 г оксида кальция, 500 г оксида магния и перемешивают любым известным способом до получения однородной шихты. 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 вентиляция 35,0±1 л/мин - объемная подача диоксида углерода 1,57±,03 л/мин - влажность газо-воздушной 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, изготовленными по примерам 1-5, в тех же условиях испытывался продукт для регенерации воздуха, специально изготовленный по способу, описанному в патенте Франции №2521034. Все продукты для регенерации воздуха имели форму многоканальных блоков одинакового геометрического размера и плотности. Время защитного действия определяли как время от начала работы продукта для регенерации воздуха до того момента, когда концентрация СО₂ в потоке газо-воздушной смеси на линии "вдоха" установки искусственные легкие достигала 3%. Результаты испытаний представлены в таблице.

Состав продукта Масса продукта, г Время защитного действия, мин Количество поглощен-
ного СО₂, л Количество выделенного O₂, л Степень отработки по СО₂, % Степень отработки по O₂, % Изменение первоначального объема блока, % По примеру 1 540 41 65,6 78,2 61,8 72,9 2,0 По примеру 2 540 40 64 82,4 65,2 71,7 2,1 По примеру 3 540 39 62,4 81,2 68,0 66,9 2,2 По примеру 4 540 40 64 78,5 59.9 68,3 2,2 По примеру 5 540 41 65.6 82,9 64,0 73,0 2,1 Продукт по патенту Франции№ 2521034 540 27 43,2 56,7 43,6 54,8 10,3

Как видно из представленных табличных 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, изготовленным по патенту Франции №2521034.

Заявляемое изобретение позволяет создать продукт для регенерации воздуха, не меняющего свои объемные характеристики и имеющего разветвленную структуру транспортных пор, практически постоянную на протяжении всего процесса регенерации воздуха в системах жизнеобеспечения человека, что улучшает условия диффузии паров воды и диоксида углерода в объем формованного продукта для регенерации воздуха при его эксплуатации. Неизменность объема продукта для регенерации воздуха, достигнутая благодаря предварительной термообработке надпероксида калия, исключает возможность циркуляции потоков регенерируемого воздуха мимо слоя продукта в процессе 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.

Изобретение может быть использовано в системах жизнеобеспечения человека. Исходные компоненты: надпероксид калия и оксид кальция, или оксид магния, или их смесь перемешивают до получения однородной шихты. Перед смешением компонентов осуществляют термическую обработку надпероксида калия в течение 4-6 часов при температуре 140-160°С. Полученную шихту формуют в блоки, таблетки или гранулы. Технический результат - повышение степени отработки продукта для регенерации воздуха при эксплуатации за счет постоянства объемных характеристик и улучшения условий диффузии паров воды и диоксида углерода в объем формованного продукта, увеличение времени защитного действия изолирующего дыхательного аппарата. 1 табл.

Способ получения продукта для регенерации воздуха путем смешения надпероксида калия с оксидом кальция, или оксидом магния, или их смесью и формования полученной шихты, отличающийся тем, что перед смешением осуществляют термическую обработку надпероксида калия в течение 4-6 ч при температуре 140-160°С.