ЗАСОБИ ІНДИВІДУАЛЬНОГО ЗАХИСТУ ОРГАНІВ ДИХАННЯ

6.1 Основні характеристики сорбційних процесів

Перша фаза регенерації видихаємого повітря в регенеративних дихальних апаратах полягає в його очистці від вуглекислого газу. Цей процес відбувається в регенеративному патроні внаслідок фізико-хімічного процесу сорбціїї (від лат. sorbeo – поглинаю).

В загальному випадку сорбція – це поглинання газоподібних або розчинених речовин сорбентами – твердими або рідкими тілами. Мають місце наступні види процесів сорбції: адсорбція, абсорбція, капілярна конденсація та хемосорбція. Поглинання газів і парів твердими сорбентами, як правило, відбувається за наявності двох або більше із цих процесів, але один з них є основним, визначальним.

Перші три види сорбції – фізичні процеси, дія яких зумовлена силами взаємного тяжіння молекул сорбенту та речовини, яка поглинається. Адсорбція – поглинання речовини силами поверхні поглиначу (адсорбенту); абсорбція – поглинання, яке супроводжується дифузією поглиненої речовини у середину поглиначу (абсорбенту) з утворенням розчину, тобто відбувається поглинання усім об’ємом поглиначу. В деяких випадках, окрім адсорбції, поглинання газу відбувається внаслідок капілярної конденсації його в порах твердого тіла.

Хемосорбція - процес сорбції, під час якого речовина, що поглинається, та поглинач (хемосорбент) взаємодіють внаслідок хімічної реакції з утворенням нового хімічного сполучення.

Сорбенти, що застосовуються для очистки повітря від шкідливих газів в засобах індивідуального захисту органів дихання, - це тверді гранульовані або роздроблені тіла. Найбільш поширеними типами адсорбентів є активоване вугілля, силікагель, алюмогель, ціоліти. Типи хемосорбентів розглянемо нижче.

Із загальних фізичних властивостей сорбентів найбільш важливою є їх пориста структура. Макро- та мікропори пронизують гранули сорбенту у всіх напрямках і забезпечують велику поверхню його зіткнення з повітрям, яке очищується. Має місце значна поверхня пор у адсорбентів: питома поверхня їх у активованого вугілля дорівнює 300-500 м2/г, у силікагелю 300-700 м2/г; діаметр пор складає 10-6 – 10-4 мм. Невелика пористість у хемосорбентів. Так, наприклад, питома поверхня пор у найбільш поширеного вапняного хімпоглиначу складає 8-12 м2/г.

Завдяки самій природі фізичного процесу адсорбції та великій активній поверхні адсорбенту, він поглинає газ майже миттєво. Адсорбція – зворотній процес: уся поглинена речовина може бути вилучена в результаті зворотного процесу десорбції. У зв’язку з цим, адсорбенти легко регенеруються. Процес адсорбції екзотермічний, але кількість тепла, яка виділяється при цьому, незначна та близька до рівня теплоти конденсації.

Процес хемосорбції лине повільніше, ніж адсорбції, тому що контакт між газом, котрий поглинається, і активною поверхнею хемосорбенту ускладнюється плівкою, яка утворюється з продуктів реакції. Крім того і сама поверхня пор менша, ніж у адсорбенту. Хемосорбент у процесі поглинання газу виділяє більшу кількість тепла, що призводить до значного нагріву як поглиначу, так і очищуваного повітря. Теплота реакції поглинання деяких сорбентів (наприклад, надперекисів лужних металів) настільки велика, що може призвести в деяких випадках до стікання і навіть плавлення гранул.

Найбільш поширений тип поглинаючого патрона з проходженням через нього повітря, яке очищується, вздовж осі. Елементарний шар поглиначу на вході в патрон називають “лобовим”, а аналогічний шар в кінці патрона – замикаючим. В теорії сорбції існує поняття “працюючий шар поглиначу”. Цей шар сорбенту активно поглинає газ. На початку працюючого шару сорбент максимально насичений поглиненим газом, за ходом потоку ступінь його насиченості зменшується, а в кінці шару процес сорбції тільки починається.

Довжина працюючого шару за інших рівних умов залежить від швидкості процесу сорбції. В поглинальному патроні з адсорбентом вона може бути менша, ніж загальна довжина робочої частини патрона від лобового до замикаючого шару сорбенту. Коли процес в патроні установиться, в ньому мають місце три зони: зона з повністю відпрацьованим поглиначем, працюючий шар, який пересувається в напрямку руху потоку газоповітряної суміші, та зона, в якій поглинання ще не відбувається. В момент, коли працюючий шар досягне замикаючого шару патрона, починається проскок газу, що поглинається тобто має місце неповне його поглинання. Така робота сорбенту в патроні називається “пошаровою схемою його відпрацювання”.

Істотною особливістю хемосорбентів, в порівнянні з адсорбентами, є їх висока здатність поглинати, оскільки в патроні з хемосорбентом зона з повністю відпрацьованим поглиначем не створюється, збільшується довжина працюючого шару протягом всього допроскокового періоду, який при цьому не “відривається” від лобового шару. В момент, коли фронт працюючого шару патрона досягне замикаючого, починається проскок газу, що поглинається.

Але і в цей момент лобовий шар не є насиченим поглиненим газом. Повне його насичення може відбутися, якщо патрон довгий час буде працювати в проскоковому режимі. Така робота сорбенту в патроні називається схемою роботи всієї маси поглиначу.

Таким чином, під час роботи сорбенту в поглинаючому патроні існують два періоди: допроскоковий та проскоковий. Тривалість роботи в проскоковому періоді обмежується гранично допустимим проскоком, розмір якого задається нормативними документами. За обох схем до кінця допроскокового періоду в патроні залишається деяка кількість неповністю відпрацьованого сорбенту. В проскоковому періоді ця кількість зменшується. Тобто чим більша загальна довжина шару сорбенту в патроні за інших рівних умов, тим менша доля невідпрацьованої його частини по відношенню до всієї маси сорбенту, вище коефіцієнт його корисного використання і більше тривалість робіт (або час захисної дії.). В той же час збільшення загальної довжини шару поглиначу призводить до збільшення опору патрона потоку повітря, що проходить крізь нього.

Внаслідок цього при розробці регенеративних патронів однією з основних умов є вибір оптимальної (раціональної) довжини шару поглиначу. Суттєвою відзнакою хемосорбентів, в порівнянні з адсорбентами, є їх висока поглинаюча здатність. Через це для очистки видихуваного повітря від вуглекислого газу в регенеративних дихальних апаратах застосовують тільки хемосорбенти.

До їх складу входить основна речовина, яка вступає в хімічну реакцію поглинання вуглекислого газу, та добавки, які надають відповідні фізичні якості та активізують реакцію. Сорбційні якості окремого типу хемосорбенту характеризуються трьома показниками: стехіометричною, статичною та динамічною активностями, які вимірюються кількістю речовини, що поглинається (в об’ємних або масових одиницях) на одиницю маси сорбенту.

Стехіометричною активністю називається максимальна, теоретично можлива кількість речовини, яку поглинає одиниця маси активної частини хемосорбенту, тобто основної речовини (без добавок та технологічних домішок).Вона визначається з рівняння хімічної реакції.

Статичною активністю називається кількість речовини, яку поглинає одиниця маси хемосорбенту до моменту досягнення сорбційної рівноваги, за якої подальше поглинання зупиняється.

Статичну активність визначають експериментально при визначених рівнях концентрації газу, котрий поглинається, у повітрі та при температурі. Її розмір завжди менше стехіометричної.

Динамічною активністю називається кількість речовини, яку поглинає одиниця маси сорбенту до моменту появи проскоку в динамічних умовах, тобто в реальному регенеративному патроні, через який проходить реальний потік повітря, що містить визначену кількість вуглекислого газу. В окремих випадках динамічну активність виражають, як час захисної дії патрона до виникнення проскоку речовини, що поглинається. Але в практиці найбільше поширення отримала така характеристика хемосорбенту, яку називають “питомою сорбційною ємністю в динамічних умовах”.

Питома сорбційна ємність – об’єм газу, який поглинає одиниця маси хемосорбенту під час роботи в динамічних умовах до рівня проскоку газу, що встановлено нормативними документами для даного регенеративного патрона або регенеративного дихального апарата. Її розмір завжди менше статичної активності і є основною характеристикою хемосорбенту під час його роботи в конкретних динамічних умовах.

На величину питомої сорбційної ємності впливають три групи факторів, які визначаються відповідно характеристиками хемосорбенту, регенеративного патрона та навантаження, тобто потоку повітря, яке містить вуглекислий газ. Більшу сорбційну ємність має хемосорбент з високими показниками стехіометрії і статичної активності та з більшою поверхнею пор. Зменшення розміру гранул також призводить до збільшення сорбційної ємності, але не за рахунок збільшення її поверхні, а у зв’язку зі збільшенням швидкості дифузії речовини, що сорбується, до середини гранул. Збільшенню питомої сорбційної ємності сприяє більша довжина шару хемосорбенту в патроні, а також рівномірний розподіл потоку повітря по перерізу патрона. Зменшенню питомої сорбційної ємності сприяє збільшення середньої або миттєвої швидкості потоку повітря.

До хемосорбентів вуглекислого газу пред’являють наступні основні технічні вимоги:

  • висока питома сорбційна ємність;

  • опір потоку повітря, що проходить крізь них, повинен бути щонайменшим;

  • збільшення тепловмісту повітря, яке очищується, повинно бути невеликим;

  • міцність на скресання;

  • не повинні виділятись речовини, які б подразнювали органи дихання;

  • тривале зберігання поглинаючих властивостей;

  • виготовлення з недефіцитного та дешевого матеріалу.

Технічні вимоги до регенеративних патронів повинні відповідати вимогам, що пред’являються до сорбентів. Крім того, одна з найважливіших вимог полягає у відповідності захисної здатності регенеративного патрона запасу стиснутого кисню, який витрачається на забезпечення дихання. Тобто регенеративний патрон повинен мати таку здатність поглинати вуглекислий газ, яка дорівнює часу захисної дії регенеративного дихального апарата в хвилинах. Оскільки в регенеративних дихальних апаратах зі стиснутим киснем є індикатор витрати запасу кисню (манометр), а індикатор закінчення захисної здатності хемосорбенту відсутній, з’являється небезпека, що захисна здатність регенеративного патрона закінчиться раніше, ніж запас кисню в балоні. Внаслідок цього загальну поглинаючу здатність патрона збільшують на 10%.

В регенеративних дихальних апаратах зі стиснутим киснем застосовують два види хемосорбентів вуглекислого газу: вапняний на базі гідроокису кальцію Ca(OH)2 та лужний на основі гідроокису натрію NaOH. Відомий також літієвий хемосорбент LiOH, який має відчутні переваги перед вищезгаданими. Його застосовують, наприклад, для забезпечення роботи автономних систем життєзабезпечення космонавтів з метою поглинання вуглекислого газу. Реакція поглинання має вид:

 2LiOH+СO2= Li2CO3+ H2 O  + q.  (6. 1)

Але через дефіцитність та високу вартість сировини в пожежній охороні літієвий хемосорбент не використовується.

Окреме місце серед хемосорбентів займає киснемістячий продукт на основі надперекисів лужних металів NaO2 або KO2 , які, внаслідок хімічної реакції поглинання вуглекислого газу, виділяють кисень у кількості, яка є достатньою для повної регенерації видихуваного повітря.

© 2004 Академия гражданской защиты Украины