Индикаторный патрон к промышленному фильтрующему противогазу Российский патент 2025 года по МПК A62B19/00 A62B18/08 A62B23/02 G01N31/22 

Изобретение относится к области устройств для спасения жизни, а именно к техническим средствам пассивной хромогенной индикации окончания срока службы средств индивидуальной защиты органов дыхания фильтрующего типа. Назначение заявленного индикаторного патрона состоит в предупреждении о необходимости замены фильтрующе-поглощающей коробки (ФПК) противогаза, применяемого в горнодобывающей, нефтегазовой, химической и других отраслях промышленности.

Для фильтрующих противогазов существует проблема своевременности замены ФПК по окончании ресурса их защитного действия, когда вследствие истощения сорбента возникает уменьшение его поглощающих свойств и проскок опасных химических веществ (ОХВ) под лицевую часть [4].

Из существующего уровня техники пассивной хромогенной индикации истощения сорбента известно использование бумаги, пропитанной различными реактивами, изменяющими цвет после химического взаимодействия с токсикантами. Индикаторную бумагу располагают в стенке корпуса ФПК на полупроницаемой по отношению к сорбенту подложке [13]. Указанная схема общеизвестна, аналогичный принцип индикации реализован в коммерчески доступных в настоящее время респираторных фильтрах, способных выявлять насыщение сорбента кислыми (хлороводород, фтороводород, оксиды серы, сероводород) и щелочными (аммиак, метил- и этиламин) газами, парами ртути [6, 8].

Известна малосерийная ФПК отечественного производства в корпусе из оптически прозрачной пластмассы, в которой для улавливания аммиака и сероводорода применен поглотитель из ионообменной смолы. Последняя модифицирована импрегнацией комплексообразующими металлами и поэтому меняет цвет по мере насыщения [5].

Известны респираторные фильтры для органических паров со встроенным во внешнюю стенку корпуса детектирующим микропористым полимером [14]. При насыщении полимера происходит изменение его интерференционных свойств и возникает окрашивание. Недостатком рассматриваемых фильтров следует считать их специфичность только для органических паров, что исключает их использование в остальных случаях.

Известны ФПК с частично или полностью прозрачным корпусом, в котором размещены хромогенные химические индикаторы, адсорбированные на матрице (носителе), отличной от бумаги, например, на силикагеле [10, 15].

Рассмотренные выше прототипы представлены моделями со встроенным в ФПК индикатором (детектором). Недостатком перечисленных моделей можно считать то, что реактивы, используемые в качестве индикаторов, как правило, имеют меньший срок годности по сравнению с фильтрами. Таким образом, применение рассмотренных моделей будет способствовать более частой замене ФПК с индикатором по сравнению с устройствами без индикаторов. Кроме того, разные индикаторы имеют различные сроки годности, что неизбежно приведет к усложнению плановой замены фильтров по истечению гарантийного срока службы.

Модели предшествующего уровня техники характеризуются расположением индикаторных элементов не только в составе ФПК.

Известна компоновка маски противогаза индикатором с внутренней стороны очкового узла [16]. Недостатком такого подхода является высокая вероятность возникновения детекторного сигнала уже после достижения опасной концентрации вредных веществ в подмасочном пространстве.

Известен индикаторный патрон, который располагают перед ФПК [11]. Основной недостаток конструкции заключен в том, что она, несмотря на заявленную функцию, не позволяет судить о проскоке токсиканта. Так как последняя расположена между ФПК и окружающей средой, она может выполнять лишь функцию средства химического контроля попадания в зараженную атмосферу.

Наиболее близок к заявленному изобретению картридж-индикатор окончания срока службы, который располагают между ФПК и маской [12]. При этом в качестве индикаторного элемента использован реактив, нанесенный на матрицу в виде силикагеля. Недостатками описанного решения можно считать отсутствие сорбционного ресурса после возникновения детекторного сигнала, обеспечивающего наличие резервного времени для замены ФПК. Таким образом прототип нарушает рекомендацию при разработке подобных устройств, регламентирующую необходимость формирования сигнала о замене при наличии резервной емкости, дающей время на безопасное выполнение процедуры. Так, Национальный институт охраны труда и здоровья США считает необходимой остаточную емкость 10-20% [9].

Помимо перечисленного рассматриваемые модели рассчитаны на использование с одним типом индикатора, что в условиях неопределенной химической обстановки снижает их ценность. Например, при использовании на объекте, имеющем в производственных циклах широкий перечень токсикантов различной природы и классов опасности.

Таким образом, можно заключить, что предыдущий уровень сопряжен с рядом технических проблем и недостатков: невозможностью независимой от основного фильтра замены индикаторного элемента, отсутствием временного резерва между возникновением индикаторного сигнала и поступлением ОХВ в подмасочное пространство, исключающим безопасную замену ФПК, а также неопределенностью в выборе химического детектора под конкретные задачи.

Для обнаружения в воздухе индивидуальных соединений из числа ОХВ предложено большое количество цветовых индикаторов. Так, известен перечень методов изготовления индикаторных рецептур и нанесения их на гранулированные матрицы, например, силикагель [7]. К достоинствам рассматриваемых рецептур следует отнести установленную чувствительность, обеспечивающую выявление ОХВ в концентрации около разовой предельно допустимой, специфичность, продолжительные сроки хранения, а использование гранулированной матрицы, что будет способствовать низкому сопротивлению тока воздуха на вдохе. Предложенные составы уже используют в индикаторных трубках для приборов химической разведки. Вместе с тем большинство из них может быть применено и в качестве хромогенных элементов, отражающих проскок токсикантов через ФПК, и как следствие – окончание срока службы. Таким образом, анализ средств пассивной оценки истощения сорбционной емкости ФПК и индикаторных составов на матрице позволяет предположить, что их реализация возможна в единой конструкции.

В основе изобретения лежит задача создания индикаторного патрона к промышленному фильтрующему противогазу, обеспечивающего различный охват целевых аналитов и гарантированную резервную емкость.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что индикаторный патрон к промышленному фильтрующему противогазу включает корпус и насыпную шихту, при этом корпус патрона выполнен из оптически прозрачной цилиндрической стенки, дна, крыши, разделительного шихтового вкладыша и соединительных заклепок, формирующих от одного до шести индикаторных окна, при этом шихта патрона размещена вертикально – по развернутому типу и включает индикаторный слой с нанесенными на него хромогенными реактивами и сорбционно-поглотительный слой в виде смеси активированного угля и хлорида кальция.

На силикагель нанесен хромогенный реактив, выбранный из числа рецептур, представленных в таблице 1 (см. в графич. части). Индикатор содержит в составе примесь окислителя, выбранного из перманганатов, хроматов, дихроматов, хлоратов, перхлоратов, броматов, йодатов, перйодатов и пероксидов металлов. Индикаторным слоем служит материал, выбранный из отличных от КСМГ марок силикагеля, диоксида кремния, оксида алюминия, полимерных гранул, керамических гранул и стеклянных гранул. Сорбционно-поглотительный слой состоит из сорбента, выбранного из числа химически модифицированных углей-катализаторов, и водопоглотителя из числа неорганических гидратируемых солей. Индикаторный патрон к промышленному фильтрующему противогазу оснащен разборным корпусом, укомплектован набором ампул с индикаторными силикагелями и сорбентно-поглотительной смесью и формализованным бланком с информацией о цвете и рецептуре индикаторов.

Общие признаки прототипа и заявляемого решения ограничены независимостью патрона от ФПК, местом его расположения в составе противогаза и использованием в качестве матрицы силикагеля. Технический результат решения имеет ряд отличий от прототипа, обусловленных тем, что предлагаемое изобретение имеет:

- индикаторный и сорбционно-поглотительный слои шихты, обеспечивающие резервную сорбционную емкость и заблаговременное предупреждение пользователя о необходимости замены ФПК;

- компоновку по типу «развернутой шихты», повышающую эксплуатационные характеристики;

- несколько индикаторов и возможность выбора конкретных из них в зависимости от поставленных задач, что позволяет выявлять широкий перечень токсикантов и использовать патрон с разными марками ФПК;

- конкретные химические рецептуры, которые уже валидированы при использовании в составе индикаторных трубок и поэтому обладают известным уровнем диагностической ценности получаемого сигнала;

- гранулированную шихту, уменьшающую динамическое сопротивление потоку воздуха;

- водопоглощающую добавку к сорбенту, увеличивающую срок службы индикаторных элементов.

Конструктивно патрон унифицирован в отношении отечественных промышленных противогазов, состоит из корпуса с индикаторными окнами и шихты. Шихта состоит из 2 слоев: индикаторного, в виде нескольких адсорбированных на матрице химических детекторов, и сорбционно-поглотительного. Последний обеспечивает остаточную сорбционную емкость, составляющую 10-20% от емкости совместно используемой крупногабаритной ФПК.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, на которых изображен вариант патрона к промышленному фильтрующему противогазу с 3 индикаторными окнами:

на фиг. 1 – общий вид собранного корпуса индикаторного патрона;

на фиг. 2 – аксональное изображение патрона, детали разнесены вдоль оси;

на фиг. 3 – сагиттальное сечение патрона;

на фиг. 4 – аксональное сечение патрона, детали разнесены вдоль оси;

на фиг. 5 – оснащение промышленного противогаза индикаторным патроном.

Корпус патрона (1) представлен цилиндрической стенкой из оптически прозрачного полиметилметакрилатного оргстекла (2), дна (3), крыши (4), разделительного шихтового вкладыша (5) и соединительных заклепок (6) из композитного полимера.

На дне патрона расположена внутренняя навинтованная горловина (7) для последовательной герметичной коммуникации с фильтрующе-поглощающей коробкой (8), на крыше – внешняя (9), для соединения с гофрированной трубкой (10) или с лицевой частью противогаза в виде шлем-маски (11). Горловины соответствуют ГОСТ Р 12.4.214-99 [3].

Слои шихты размещают по развернутому типу в следующей последовательности по ходу воздуха (обозначен пунктирными стрелками на фиг. 3): индикаторный слой (12) в виде матрицы с нанесенными на нее индикаторными реактивами и сорбционно-поглотительный слой (13) в виде смеси гранулированного активированного угля и хлорида кальция в соотношении 4:1. Слои шихты разделены противопыльным нетканым материалом с полиамидными волокнами (14) на армирующей сетке. Перегородка (15) и внутренняя сетка (16) вкладыша отделяют шихту от окружающего воздуха. Внешняя сетка вкладыша (17) и дна коробки (18) отделяют индикаторный слой от сорбционно-поглотительного и окружающей среды.

Индикаторные гранулы размещают в отсеках, латеральная стенка которых формируется внешними перегородками (19), наружная – оптически прозрачной стенкой (2), внутренняя – сетками дна и вкладыша (17, 18) с нетканым материалом (14), верхняя – крышей (4), нижняя – дном (3). В области такого индикаторного окна на наружную поверхность внешней перегородки (19) наносят изначальный цвет каждого индикатора – референсную маркировку.

Несущими ребрами жесткости конструкции патрона служат внешняя циркулярная стенка, ободки дна (20) и крыши (21), внешние (19) и внутренние (22) перегородки, внутренняя (16) и внешняя армированная сетка вкладыша (17) и дна (18). Отсеки с индикатором и референсной маркировкой при рассмотрении с внешней стороны представляют индикаторные окна корпуса патрона (23). При сборке деталей корпуса используют термосварное соединение. Таким образом детали в составе конструкции и их соединение обеспечивают повышенную устойчивость патрона к механическому воздействию. При хранении патрона во внутреннюю горловину ввинчивают заглушку, на внешнюю – крышку.

Габаритные размеры заявленного индикаторного патрона: внешний диаметр корпуса – 108 мм, толщина стенок корпуса – 3 мм, высота корпуса (без горловины) – 40 мм, высота горловины – 15 мм, высота внешнего ободка крыши – 3 мм, диаметр внешней навинтованной горловины – 40 мм, высота внешней ободки дна – 3 мм, диаметр внутренней навинтованной горловины – 40 мм.

Наполнитель патрона перемещается свободно. Масса сорбента составляет 70–90 г, что обеспечивает сорбционный резерв не менее 10% от емкости крупногабаритной ФПК. Наличие водопоглащающей добавки к сорбенту обеспечивает продление срока службы индикатора в условиях высокой влажности.

Вариантом матрицы для индикаторов может быть технический гранулированный мелкопористый силикагель марки КСМГ с размером зерен 1,0-2,0 мм по ГОСТ 3956-76 [2]. Подготовку такого носителя осуществляют следующим образом. Зерна силикагеля помещают в колбу с обратным холодильником и кипятят с 6 н. раствором соляной кислоты в течение 1 ч. Кислоту сливают, зерна силикагеля промывают деионизированной водой с удельным сопротивлением 18,5 МОм×см до отрицательной реакции на ион хлора, сушат в сухожаровом шкафу при 100°С, прокаливают в течение 1 ч в муфельной печи при 600°С. Очищенный и активированный таким образом силикагель хранят в эксикаторе и применяют для нанесения индикаторов после остывания до комнатной температуры.

Индикаторные растворы готовят и наносят на матрицу в соответствии с таблицей 1 (см. в графич. части). Далее силикагель выкладывают на подставку и сушат при температуре 60°С в сушильном шкафу до остаточной влажности 20-30%.

Набор индикаторов в составе патрона формируют в зависимости от планируемой к совместному использованию марки ФПК по ГОСТ 12.4.235-2019 [1]. Например, комбинированный фильтр марки A₃B₃E₂К₂AxHg (подстрочным указан класс защиты) может быть оснащен патроном с 6 индикаторами: KIO₃, H₂SO₄ – для индикации соединений группы А; Na₂Cr₂O₇, H₂SO₄ – для А, АХ; AgNO₃ – для А, Е, К; конго красный – для В, Е; бромфеноловый синий, NH₂OH×HCl, С₂H₅OH – для АХ; CuSO₄×5H₂O, KI – для Hg.

Таким образом, заявленный индикаторный патрон имеет простую конструкцию, унифицирован к составляющим противогаза с резьбой 40 мм и функцию независимой замены. По сравнению с прототипом, использованное техническое решение наделяет патрон резервной сорбционной емкостью, обеспечивающей заблаговременное предупреждение пользователя о необходимости замены ФПК, повышенными эксплуатационными характеристики, увеличенным сроком службы индикаторных элементов, низким динамическим сопротивлением потоку воздуха, возможностью выявлять широкий перечень токсикантов и использовать патрон с разными марками ФПК. Несомненное преимущество используемых в составе патрона индикаторных рецептур – известный уровень диагностической ценности получаемого сигнала.

Использовать индикаторный патрон необходимо следующим образом.

Хранение патрона и переноску его совместно с противогазом в «походном» положении осуществляют в герметизированном состоянии. При приведении протогаза в положение «наготове» с патрона снимают колпачок и заглушку, проверяют герметичность, отсутствие существенных повреждений, соответствие марки используемой ФПК и расцветки детекторов референсу. Осуществляют последовательную коммуникацию ФПК, индикаторного патрона, соединительной гофрированной трубкой и лицевой части противогаза, ввинчивая их до упора. Прямое соединение индикаторного патрона с лицевой частью осуществляют только в случае наличия прямой видимости всех индикаторов при надетой маске (шлем-маске) и суммарном весе патрона с ФПК менее 500 г.

При использовании собранного противогаза патрон совместно с ФПК находится в сумке противогаза. Поступаемый воздух проходит очистку ФПК, переходит в патрон, проходя в его составе слой индикаторных гранул, сорбционно-поглотительный слой, попадает в подмасочное пространство лицевой части. При возникновении проскока ОХВ через основной фильтр возникает изменение цвета индикаторного слоя. Пользователь противогаза периодически визуально оценивает соответствие цвета индикатора референсу, доставая его из сумки. В случае изменения цвета хотя бы одного из индикаторов с учетом остаточной емкости системы выполняют замену ФПК и индикаторного патрона в зоне, свободной от неблагоприятного химического фактора.

Список литературы:

1. ГОСТ 12.4.235-2019. Система стандартов безопасности труда. Средства индивидуальной защиты органов дыхания. Фильтры противогазовые комбинированные. Общие технические требования. Методы испытаний. Маркировка. М.: Стандартинформ, 2019. – 20 с.

2. ГОСТ 3956-76. Силикагель технический. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2008. – 12 с.

3. ГОСТ Р 12.4.214-99. Система стандартов безопасности труда. Средства индивидуальной защиты органов дыхания. Резьба для лицевых частей. Стандартное резьбовое соединение. Калуга: Калужская типография стандартов, 2000. – 6 с.

4. Капцов В.А. и др. Замена фильтров противогазов по расписанию (обзор литературы) // Токсикологический вестник. – 2022. – Т. 30. – № 1. – С. 38–44.

5. Миронов Л.А. Социально-экономическая обоснованность применения новых СИЗ // Справочник специалиста по охране труда. – 2005. – № 2. – С. 82–84.

6. Патент № RU2560706C2. Структурированный химический датчик, включающий инертный барьерный слой. МПК G01N21/78, A62B7/10, A62B 23/02. Опубл. 20.08.2015, бюл. № 23.

7. Перегуд Е.А. и др. Быстрые методы определения вредных веществ в воздухе – М.: Химия, 1970. – 358 с.

8. Favas G. End of service life indicator (ESLI) for respirator cartridges. Part I: Literature review. Victoria [Australia]: Defence Science Technology Organisation, 2005. – 40 p.

9. NIOSH: Respiratory protective devices a rule by the health and human services department, and the public health service. – Электронный ресурс // CDC Web Archive [вебсайт]. 2020. URL: https://www.cdc.gov/niosh/docs/ 96-101/ default.html. Дата обращения: 08.03.2023.

10. Patent № US2961303. Window canister assembly. IPC A62B23/00. Publication date 22.11.1960; Patent №. EP0042736. Cartridge respirator with service life indicator. IPC A62B18/088. Publication date 30.12.1981.

11. Patent № US4088461. Combination of a supplementary filter and respirator filter. IPC B01D53/26. Publication date 09.05.1978.

12. Patent № WO0222237. Respirator cartridge with service life indicator. IPC B01D53/0454. Publication date 21.03.2002.

13. Patent №. US1537519. Indicating gas-mask canister. IPC A62B18/088. Publication date 12.05.1925.

14. Patent №. US20140007887A1. Sensor comprising a masking layer adhesive. IPC G01N21/78, B01D46/0086, A41D13/1161. Publication date 09.01.2014.

15. Patent №. US4365627. Filter-type respirator canister. IPC A62B 7/00. Publication date 28.12.1982; Patent №. US 20070137491A1. End of service and residual life indicator. IPC B01D 46/00. Publication date 21.07.2007.

16. Patent №. US5323774. Breathing mask with an indicator signalling penetration of a toxic substance into the mask. IPC A62B18/088. Publication date 30.04.1992.

Изобретение относится к области устройств, аппаратов или способов для спасения жизни, а именно к техническим средствам пассивной химической детекции окончания срока службы средств индивидуальной защиты органов дыхания фильтрующего типа. Индикаторный патрон к промышленному фильтрующему противогазу содержит корпус и насыпную шихту, при этом корпус патрона выполнен из оптически прозрачной цилиндрической стенки, дна, крыши, разделительного шихтового вкладыша и соединительных заклепок, формирующих от одного до шести индикаторных окон, при этом разделительный шихтовой вкладыш выполнен с перегородкой, внутренней сеткой и внешней сеткой, дно выполнено с внутренней навинтованной горловиной, сеткой дна и внешними перегородками, а на крыше выполнена внешняя навинтованная горловина, причем шихты включают индикаторный слой с нанесенными на него хромогенными реактивами и сорбционно-поглотительный слой, причем в отсеках патрона, латеральная стенка которых сформирована внешними перегородками, наружная – оптически прозрачной стенкой, внутренняя – сеткой дна и сеткой вкладыша с нетканым материалом, верхняя – крышей, нижняя – дном, размещен индикаторный слой шихты, перегородка и внутренняя сетка вкладыша отделяют шихту от окружающего воздуха, а внешняя сетка вкладыша и сетка дна отделяют индикаторный слой от сорбционно-поглотительного слоя и окружающей среды. Технический результат заключается в создании индикаторного патрона к промышленному фильтрующему противогазу, обеспечивающему различный охват целевых аналитов и гарантированную резервную емкость. 5 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Индикаторный патрон к промышленному фильтрующему противогазу, содержащий корпус и насыпную шихту, отличающийся тем, что корпус патрона выполнен из оптически прозрачной цилиндрической стенки, дна, крыши, разделительного шихтового вкладыша и соединительных заклепок, формирующих от одного до шести индикаторных окон, при этом разделительный шихтовой вкладыш выполнен с перегородкой, внутренней сеткой и внешней сеткой, дно выполнено с внутренней навинтованной горловиной, сеткой дна и внешними перегородками, а на крыше выполнена внешняя навинтованная горловина, причем шихты включают индикаторный слой с нанесенными на него хромогенными реактивами и сорбционно-поглотительный слой, причем в отсеках патрона, латеральная стенка которых сформирована внешними перегородками, наружная – оптически прозрачной стенкой, внутренняя – сеткой дна и сеткой вкладыша с нетканым материалом, верхняя – крышей, нижняя – дном, размещен индикаторный слой шихты, перегородка и внутренняя сетка вкладыша отделяют шихту от окружающего воздуха, а внешняя сетка вкладыша и сетка дна отделяют индикаторный слой от сорбционно-поглотительного слоя и окружающей среды.

2. Индикаторный патрон к промышленному фильтрующему противогазу по п.1, отличающийся тем, что индикаторный слой выполнен из силикагеля.

3. Индикаторный патрон к промышленному фильтрующему противогазу по п.1, отличающийся тем, что индикаторный слой содержит в составе примесь окислителя, выбранного из перманганатов, хроматов, дихроматов, хлоратов, перхлоратов, броматов, йодатов, перйодатов и пероксидов металлов.

4. Индикаторный патрон к промышленному фильтрующему противогазу по п.1, отличающийся тем, что индикаторный слой выполнен из силикагеля, отличного от марок крупного силикагеля мелкопористого гранулированного, или диоксида кремния, или оксида алюминия, или полимерных гранул, или керамических гранул, или стеклянных гранул.

5. Индикаторный патрон к промышленному фильтрующему противогазу по п.1, отличающийся тем, что сорбционно-поглотительный слой состоит из сорбента, выбранного из числа химически модифицированных углей-катализаторов, и водопоглотителя из числа неорганических гидратируемых солей.

6. Индикаторный патрон к промышленному фильтрующему противогазу по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен разборным.