РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПРОДУКТ ДЛЯ ИЗОЛИРУЮЩИХ ДЫХАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Российский патент 2015 года по МПК A62D9/00 B01J20/04 B01D53/62 

Регенеративный продукт для изолирующих дыхательных аппаратов.

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.

Использование продуктов для регенерации воздуха в патронах изолирующих дыхательных аппаратов (ИДА) основано на выделении ими необходимого для дыхания человека кислорода при взаимодействии с парами воды и диоксидом углерода выдыхаемого человеком воздуха. Данный процесс можно схематически описать уравнениями следующих реакций:

$$2Me{O}_2+H_{2}O\to 2MeOH+1,5O_2+Q\left(\text{1}\right)$$

$$2MeOH+C{O}_2\to M{e}_{2}C{O}_3+H_{2}O+Q\left(\text{2}\right)$$

Продукт для регенерации воздуха в системах жизнеобеспечения человека (СЖО) должен удовлетворять следующим основным требованиям:

- высокая стехиометрическая емкость по кислороду и CO₂;

- высокая кинетика поглощения паров воды и CO₂, обеспечивающая достаточную степень использования стехиометрической емкости;

- разветвленная структура транспортных пор, обеспечивающая высокую диффузию газов внутрь гранул сорбента;

- стабильность пористой структуры в процессе работы;

- минимальные объемные изменения в процессе эксплуатации;

- минимальные тепловые эффекты;

- минимальная токсическая опасность для пользователя. 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 изолирующего дыхательного аппарата до 50-70% и приводит к увеличению аэродинамического сопротивления дыханию человека. Под степенью отработки регенеративного продукта понимается отношение количества выделенного кислорода и поглощенного в реальных условиях диоксида углерода к стехиометрическим величинам.

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

Повышение эффективности работы продукта для регенерации воздуха и улучшение его эксплуатационных характеристик осуществляется изменением конструкции изолирующих дыхательных аппаратов или модификацией регенеративного продукта (изменение химического состава, размера и плотности гранул продукта и др.). Часто это выполняют параллельно.

Традиционно продукт для изолирующих дыхательных аппаратов изготавливают путем механического смешения необходимых компонентов и последующего формования полученной шихты в насадки различной формы (гранулы, таблетки, блоки и др.). Такие насадки размещают в патроне дыхательного аппарата, через который циркулирует регенерируемый воздух.

Для повышения степени отработки регенеративного продукта в реальных условиях в его состав вводят различные добавки и катализаторы, улучшающие условия диффузии паров воды и диоксида углерода внутрь гранул продукта и приводящие к равномерному выделению кислорода и поглощению диоксида углерода на протяжении всего времени работы изделия.

Известен регенеративный продукт на основе надпероксида калия [заявка ФРГ №1546513, Кл. 61b, 1/02, 1970 г.], способ получения которого заключается в смешении надпероксида калия и от 2 до 10% асбеста. Полученную шихту формуют в блоки, затем дробят и рассеивают для получения гранул нужной фракции. Полученный продукт для регенерации воздуха имеет более высокую степень отработки и обеспечивает невысокую температуру на вдохе пользователя при его эксплуатации в патроне изолирующего дыхательного аппарата.

Однако данный способ получения продукта для регенерации воздуха не устраняет все недостатки, возникающие при эксплуатации продукта в изолирующем дыхательном аппарате. Так 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 изолирующим дыхательным аппаратом, снаряженным таким продуктом для регенерации воздуха, уже в начальный момент эксплуатации возрастает аэродинамическое сопротивление дыханию пользователя.

Кроме того, асбест растворяется в жидких средах организма и обладает заметным канцерогенным эффектом. Поэтому с конца XX века была начата кампания по замене асбеста на более безопасные материалы. В данный момент в странах Европы использование асбеста полностью запрещено. Вследствие этого возникла проблема замены асбеста в качестве инертной добавки в регенеративных продуктах на экологически безопасную.

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 магния или кальция, в качестве катализатора - оксохлорид меди [патент ЕПВ №0086138, МПК, С01В 15/02, 1983 г.]. Введение в состав продукта для регенерации воздуха такой 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 эксплуатации в патроне изолирующего дыхательного аппарата полученного по известному способу продукта для регенерации воздуха сильно увеличивается температура циркулирующей газовоздушной смеси и растет аэродинамическое сопротивление дыханию пользователя. Это не только создает существенные трудности для пользователя изолирующих дыхательных аппаратов и накладывает ограничения на круг лиц, способных пользоваться такими индивидуальными дыхательными аппаратами (такими аппаратами не могут пользоваться дети, люди, страдающие легочными заболеваниями, и др.), но и в случае получения травмы при чрезвычайной ситуации (ушиб грудной клетки и т.д.) может привести к гибели человека.

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 CO₂ и выделение кислорода при работе продукта в патроне дыхательного аппарата.

Технический результат достигается тем, что продукт для регенерации воздуха на основе надпероксида калия дополнительно содержит сульфат магния и диоксид кремния, синтезированный из хризотилового асбеста. Соотношение компонентов в составе продукта для регенерации воздуха следующее, мас.%:

надпероксид калия (КО₂) 88 сульфат магния (MgSO₄) 6-10 диоксид кремния (SiO₂) 6-2

Применение диоксида кремния, синтезированного из хризотилового асбеста, в составе продукта для регенерации воздуха на основе надпероксида калия, обусловлено необходимостью создания диффузионных каналов, в качестве которых выступают волокна SiO₂, по которым вода и диоксид углерода поступают во внутренние слои продукта, приводя к более полной его отработке.

Кроме того, диоксид кремния вступает в реакцию с гидроксидом калия, образующимся в результате взаимодействия надпероксида калия с водой, с образованием ортосиликата калия, который в свою очередь способен взаимодействовать с диоксидом углерода, снижая, таким образом, его концентрацию на вдохе. Данный процесс можно схематически описать уравнениями следующих реакций:

$$Si{O}_2+4KOH\to K_{4}Si{O}_4+2H_{2}O\left(\text{3}\right)$$

$$K_{4}Si{O}_4+2C{O}_2\to Si{O}_2+2K_{2}C{O}_3\left(\text{4}\right)$$

Ортосиликат щелочного металла, образующийся в процессе работы регенеративного продукта, выступает также в качестве структурообразующей добавки, препятствующей оплыванию поверхности продукта и плавлению смеси соединений, образующихся при работе регенеративного продукта. Это улучшает условия диффузии паров воды и диоксида углерода в объем гранул регенеративного продукта на протяжении всего времени работы дыхательного аппарата, что позволяет более эффективно использовать ресурс регенеративного продукта и за счет этого увеличить время защитного действия дыхательного аппарата при неизменности его массогабаритных характеристик.

Смесь не до конца прореагировавших исходных компонентов, продуктов взаимодействия КО₂ с водой и диоксидом углерода, диоксида кремния с гидроксидом калия 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 также улучшает условия диффузии паров воды и диоксида углерода в объем гранул продукта для регенерации воздуха.

Сульфат магния в составе продукта для регенерации воздуха выступает в роле ингибитора разложения надпероксида калия, при этом количество выделяющегося кислорода и поглощенного диоксида углерода полностью соответствует требованиям, предъявляемым к работе регенеративных продуктов в изолирующих дыхательных аппаратах. 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 (по сравнению с необходимым для дыхания пользователя) выделению кислорода. За счет замедления скорости реакции разложения надпероксида калия увеличивается время защитного действия регенеративного продукта.

Способ получения регенеративного продукта осуществляют следующим образом. Исходные компоненты (надпероксид калия, сульфат магния, диоксид кремния (синтезированный из хризотилового асбеста)) в необходимом соотношении перемешивают в любом промышленном смесителе сыпучих материалов до получения однородной шихты.

Диоксид кремния, используемый в продукте для регенерации воздуха, синтезируют путем обработки хризотилового асбеста в несколько последовательных стадий. На первой стадии 1 весовую часть хризотилового асбеста заливают 5 весовыми частями 18%-ным раствором соляной кислоты. Вторая стадия - выщелачивание, залитый раствором кислоты хризотиловый асбест выдерживают в течение 12 суток в закрытой емкости, перемешивая содержимое 1 раз в сутки. В результате 2-й стадии из асбеста вымываются соли магния и разрушается волокнистая структура асбеста.

Отличительной особенностью полученного таким образом SiO₂ является форма частиц в виде волокон длиной до 8 мкм и диаметром 30-100 нм с хорошо развитой пористой структурой (в кристаллическом диоксиде кремния отсутствуют поры и волокна, а частица представляет собой форму куба, тетраэдра и др.). Кроме того, в отличие от хризотилового асбеста, диоксид кремния имеет более расширенную систему каналов и короткие волокна (длина волокон хризотилового асбеста достигает 100 мкм), вследствие чего в регенеративном продукте отсутствует «ворс» или «лохматость », и, как следствие, снижается аэродинамическое сопротивление дыханию при работе в изолирующем дыхательном аппарате.

Полученную шихту формуют в блоки, таблетки, гранулы и др. в зависимости от конструкции изделия, в котором регенеративный продукт предложенного состава будет эксплуатироваться. После формования изделие (блоки, таблетки, гранулы и др.) подвергают термообработке при температуре 100±10°C в течение 4-6 часов.

Примеры составов регенеративных продуктов приведены в таблице 1.

Таблица 1 Регенеративный продукт Состав продукта, % КО₂ MgSO₄ SiO₂ По примеру 1 88 6 6 По примеру 2 88 7 5 По примеру 3 88 8 4 По примеру 4 88 9 3 По примеру 5 88 10 2

Примечание: регенеративные продукты могут содержать до 3% примесей, принципиально не влияющих на свойства продукта.

Продукт для регенерации воздуха, полученный по заявляемому способу, испытан в патроне серийного изолирующего дыхательного аппарата СПИ-20 (ТУ 6-16-30-93) на установке "Искусственные легкие" (ИЛ) при следующих условиях:

легочная вентиляция 35±1 дм³/мин объемная подача CO₂ 1,33±0,03 дм³/мин частота дыхания 20±0,5 мин^-1 температура окружающей среды 20-25°C

Объемы кислорода и диоксида углерода указаны при 10°C и 101,3 кПа, легочная вентиляция - при 37°C и 101,3 кПа.

Для сравнения с регенеративными продуктами различного состава по примерам 1-5 из таблицы 1 в тех же условиях испытывался регенеративный продукт, специально изготовленный по способу, описанному в патенте ЕПВ №0086138, МПК, СО1В 15/02, 1983 г. Все регенеративные продукты имели форму гранул одинакового размера и плотности. Время защитного действия изолирующего дыхательного аппарата определяли как время от начала его работы до того момента, когда концентрация СО₂ в потоке газовоздушной смеси на линии "вдоха" установки «Искусственные легкие» достигала 3%. Результаты испытаний представлены в таблице 2 и на фиг.1-3.

Таблица 2 Результаты испытаний регенеративных продуктов на установке «Искусственные легкие». Состав прод
укта Масса продукта, г Время защитного действия, мин Количество поглощенного СO₂, л Количест Макси Макси Макси во выделенного O₂, л мальная темпера
тура на вдохе, °C мальное сопроти
вление дыханию на линии вдоха, мм вод. ст. Мальное сопротивление дыханию на линии выдоха, мм вод. ст. По примеру 1 325 26,4 33,0 42,9 44 65 53               По примеру 2 328 26,6 33,1 43,0 43 67 52               По примеру 3 326 26,8 34,2 45,5 45 65 53               По примеру 4 328 28,2 36,2 46,6 43 67 53               По примеру 5 326 31,1 38,3 48,5 44 67 52               Продукт по патенту ЕВП №0086138 329 21,0 25,0 36,5 52 94 78                                                                      

На фиг.1 представлена зависимость аэродинамического сопротивления дыханию пользователя от времени работы в патроне изолирующего дыхательного аппарата на линии вдоха.

На фиг.2 представлена зависимость аэродинамического сопротивления дыханию пользователя от времени работы в патроне изолирующего дыхательного аппарата на линии выдоха.

Кривая 1 на фиг.1 и 2 характеризует изменение аэродинамического сопротивления при работе изолирующего дыхательного аппарата, снаряженного продуктом для регенерации воздуха по патенту ЕВП №0086138.

Поскольку для всех регенеративных продуктов, изготовленных по примерам 1-5, изменение аэродинамического сопротивления дыханию пользователя на линиях вдоха и выдоха при работе индивидуального дыхательного аппарата не превышает 5%, кривая 2 на фиг.1 и фиг.2 характеризует изменение среднего значения этого параметра.

На фиг.3 представлена зависимость температуры газовоздушной смеси на вдохе пользователя от времени работы патрона изолирующего дыхательного аппарата, снаряженного продуктом для регенерации воздуха по патенту ЕВП №0086138 (кривая 1) и среднее изменение температуры на вдохе для патронов, снаряженных регенеративными продуктами, по примерам 1-5 (кривая 2). Поскольку для всех регенеративных продуктов по примерам 1-5 из таблицы 1 изменение температуры на вдохе при работе в патроне не превышает 5%, на фиг.3 представлено изменение среднего значения этого параметра.

Одним из основных эксплуатационных показателей изолирующих дыхательных аппаратов, во многом определяющихся составом и свойствами продукта для регенерации воздуха, является аэродинамическое сопротивление газовоздушной смеси на вдохе и выдохе пользователя. Снижение значения данного параметра создает более комфортные условия для пользователя и существенно увеличивает круг лиц, способных пользоваться изолирующими дыхательными аппаратами (дети, люди, страдающие легочными заболеваниями, и др.).

Вторым, не менее важным эксплуатационным показателем изолирующих дыхательных аппаратов является температура газовоздушной смеси на вдохе пользователя, которая также как и аэродинамическое сопротивление определяется составом и свойствами регенеративного продукта. Увеличение этого показателя выше 50°C недопустимо по соображениям безопасности дыхания человека. Соответственно, снижение данного показателя до температур, близких к температуре окружающей среды, создает более безопасные и комфортные условия для пользователей изолирующих дыхательных аппаратов.

Как видно из представленных табличных и графических данных, составы продуктов для регенерации воздуха, полученных по изобретению, обеспечивают 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 по патенту ЕВП №0086138.

Улучшение параметров продукта для регенерации воздуха (по сравнению с продуктом по патенту ЕПВ №0086138) достигается за счет введения в состав диоксида кремния, синтезированного из хризотилового асбеста, волокна которого имеют расширенную систему диффузионных каналов, по которым вода и диоксид углерода поступают во внутренние слои продукта, приводя к более полной его отработке. Образующийся в процессе работы регенеративного продукта ортосиликат щелочного металла связывает поступающий в систему диоксид углерода, снижая его концентрацию на вдохе, а также играет роль структурообразующей добавки, препятствующей оплыванию поверхности продукта и плавлению смеси соединений, образующихся при работе регенеративного продукта. Последнее улучшает условия диффузии паров воды и диоксида углерода в объем гранул продукта для регенерации воздуха на протяжении всего времени работы, 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.

Решающую роль в увеличении времени защитного действия продукта для регенерации воздуха играет введение в состав сульфата магния, выступающего в роле ингибитора разложения надпероксида калия, позволяющего более равномерно выделять кислород и поглощать диоксид углерода.

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 изолирующим дыхательным аппаратом.

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. Продукт для регенерации воздуха имеет следующий состав, мас.%: надпероксид калия 88; сульфат магния 6-10; диоксид кремния, синтезированный из хризотилового асбеста, 6-2. Регенеративный продукт данного состава обеспечивает высокое поглощение диоксида углерода и равномерное выделение кислорода на единицу массы на протяжении всего времени работы продукта в патроне изолирующего дыхательного аппарата, а также высокую степень отработки при его эксплуатации в изолирующем дыхательном аппарате по сравнению с аналогами за счет улучшения условий диффузии паров воды и диоксида углерода в объем гранул продукта. Это позволяет увеличить время защитного действия изолирующего дыхательного аппарата при тех же массогабаритных характеристиках. Кроме того, изолирующий дыхательный аппарат, снаряженный предложенным регенеративным продуктом, при эксплуатации имеет более низкую температуру циркулирующего воздуха на вдохе и значительно меньшее аэродинамическое сопротивление дыханию пользователя. Это обеспечивает более комфортные условия для пользователя и позволяет существенно расширить круг лиц, которые могут пользоваться данными дыхательными аппаратами. 3 ил., 2 табл., 5 пр.

Регенеративный продукт для изолирующих дыхательных аппаратов, включающий надпероксид калия, отличающийся тем, что дополнительно содержит сульфат магния и диоксид кремния, синтезированный из хризотилового асбеста, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
надпероксид калия (KO₂) 88 сульфат магния (MgSO₄) 6-10 диоксид кремния (SiO₂) 6-2