ЗАСОБИ ІНДИВІДУАЛЬНОГО ЗАХИСТУ ОРГАНІВ ДИХАННЯ

6.4 Основи регенерації повітря в ізолюючих апаратах

Визначення придатності препарату, що містить хімічно пов’язаний кисень, для використання в ізолюючих апаратах базується на ряді показників, основним з яких є коефіцієнт регенерації:

 (6.5)

де Vо2 - об’єм кисню, що виділяє препарат, внаслідок реакції поглинання вуглекислого газу;

Vсо2- об’єм поглиненого препаратом вуглекислого газу.

Коефіцієнт регенерації Kp показує можливість препарату з виділення кисню під час поглинання визначеної кількості вуглекислого газу. При цьому, оскільки дихальний (1.1) коефіцієнт Kдих  (співвідношення між об’ємами виділеного під час дихання вуглекислого газу та поглиненого людиною кисню) при різних навантаженнях не є постійним, для забезпечення процесу легеневої вентиляції необхідно, щоб коефіцієнт Kp регенерації розраховувався за мінімальною величиною дихального коефіцієнта Kдих  , яка в середньому дорівнює 80%. Таким чином, для забезпечення нормального газообміну можна використовувати тільки такі препарати, що регенерують повітря, які здатні при поглинанні 0,8 моля вуглекислого газу виділяти не менше 1 моля кисню. Тобто, коефіцієнт регенерації препарату, що містить хімічно пов’язаний кисень, повинен бути:

 (6. 6)

До таких препаратів відносяться надперекиси лужних металів, які мають Kp=1,5. До речі, як було відмічено у першому розділі, , але і в цьому випадку .

Найбільше поширення у якості препаратів, що містять хімічно пов’язаний кисень, набули надперекиси калію та натрію, які, окрім високого коефіцієнта регенерації, мають також інші необхідні для практичного застосування фізико-хімічні, експлуатаційні та економічні показники. Термін “надперекиси” введено до наукової номенклатури у 1948 році. Він вказує на наявність іон-радикалу. На відміну від відповідних перекисів, які не мають неспарених електронів, надперекиси мають непарну кількість електронів, що підтверджує їх радикальну структуру.

Надперекиси лужних металів активно взаємодіють з вологою та вуглекислим газом повітря. При цьому створюються луги та відповідні карбонати. Вони легко окислюють органічні речовини, можуть визвати їх запалення та бурхливе горіння. Усі надперекисні (перекисні) сполучення характеризуються наявністю так званого “активного” кисню, який може виділятися в молекулярному виді під час реакції взаємодії надперекису з водою або вуглекислим газом. Наприклад:

2NaO2+H2 O →2NaOH+1,5O2  , (6.7)

  (6.8)

де 1,5 – кількість молей кисню, який виділяється при реакції (6. 7);

32 – молекулярна вага кисню;

2 – кількість молів надперекису, що бере участь в реакції;

55 – молекулярна вага надперекису.

Технічний надперекис натрію (новооксид) являє собою порошок жовтоватого кольору, який містить до 90% чистого надперекису натрію. При зберіганні в герметично закритій тарі він стійка до 650С. Помітний термічний розпад надперекису починається при 100¸ 1200С і повністю відбувається при 2500 С з утворенням перекису натрію та виділенням надперекисного кисню:

 (6.9)

В свою чергу, розпад перекису натрію протікає при температурі вище 4000С і при температурі 5400 С повністю закінчується з утворенням окису натрію. При взаємодії з водою при 15¸ 200 С надперекис натрію повністю виділяє свій “активний” кисень. Теплота реакції складає 15,9± 0,7 ккал/моль.

Взаємодія з водяним паром за кімнатної температури також супроводжується виділенням усього “активного” кисню та утворенням моногідрату гідроокису натрію. При низьких температурах (0 ¸ -10 0С) взаємодія з парами води відбувається з виділенням надперекисного кисню та утворенням кристалогідратів перекису натрію:

 (6.10)

Взаємодія надперекису натрію з сухим вуглекислим газом не спостерігається до 1000С. Присутність водяних парів вже при 250С призводить до утворення вуглекислого натрію та виділенню всього “активного” кисню:

  (6.11)

При температурі нижче 100С надперекис натрію реагує з вуглекислим газом тільки в присутності пару води з виділенням надперикисного кисню та утворенням пероксидікарбонату натрію

 (6. 11)

    (6. 12)

Але при подальшому нагріванні регенеративного продукту вище 1000С пероксидікарбонат натрію в присутності вологи розкладається з виділенням перекисного кисню

 (6.13)

Надперекис натрію погано пресується у великі, міцні блоки або гранули. Для усунення цього недоліку до складу регенеративного препарату додають гідрат окису кальцію. Реальний препарат (табл. 6.2), яким комплектують регенеративні патрони апаратів на хімічно пов’язаному кисні, виготовляють шляхом змішування 85% технічного надперекису натрію та 15% гідроокису кальцію. Ця суміш пресується, а отримані куски роздрібнюються та розсіваються на фракції. Приблизний склад наведено у таблиці 6.2.

Таблиця 6.2 - Приблизний склад регенеративного препарату

Найменування продуктів

Хімічна формула

Склад, %

Надперекис натрію

NaO2

70,6

Перекис натрію

Na2O2

11,0

Гідроокис натрію

NaOH

3,0

Карбонат натрію

Na2CO3

0,4

Гідроокис кальцію

Ca(OH)2

15,0

Гідроокис кальцію, який введено до препарату, покращує також і хемосорбційні властивості препарату до вуглекислого газу, особливо при понижених температурах. Крім того, введення гідроокису кальцію зменшує процес, коли гранули під впливом вологи при високій температурі розпливаються та спікаються з утворення конгломератів.

Основні реакції, що відбуваються в процесі роботи реального препарату в ізолюючому апараті на хімічно пов’язаному кисні, мають вид:

 2NaO2+H2 O →2NaOH•1,5O2   + q ;  (6.14)

 2NaO2+СO2  →Na2СO3+1,5O2   + q ;   (6.15)

2NaOH+СO2  →Na2СO3+H2 O + q ;   (6.16)

NaOH+0,75H2O  →NaOH+ 0,75H2 O + q ;   (6 17)

   NaOH+2H2 O →NaOH•2H2 O  + q ;   (6.18)

Na2O2+СO2 →Na2СO3+ 0,5O2  ;   (6.19)

Сa(OH)2+СO2 →CaСO3+ H2 O  + q  .   (6.20)

Ці реакції протікають з досить високою швидкістю, коли температура середовища вище 200С. При температурі нижче 200С вони відбуваються повільно. Особливо це помітно, враховуючи екзотермічний характер реакцій (6.14) – (6.20) в початковий (пусковий) період. (До речі, перед закінченням часу захисної дії робота надперекисних сполучень лужних металів також не повністю підпадає під наведені рівняння). В пусковий період в холодному продукті на базі надперекису відбувається утворення бікарбонату лужного металу, що призводить до зменшення коефіцієнта регенерації. Тривалість роботи продукта в такому режимі тим більше, чим нижче температура навколишнього середовища та менше величина дихального навантаження..

Через це для усунення небезпеки, що пов’язана з недостачею кисню в повітрі, яке поступає для дихання газодимозахиснику на початковому етапі роботи регенеративного дихального апарата, необхідно заповнити дихальний мішок киснем від стороннього джерела. Кажучи взагалі, за нормальної температури навколишнього середовища регенеративний патрон з надперекисом лужного металу можливо “роздихати” і без пускового пристосування, але це вимагає від газодимозахисника спеціальних навичок. Тому до складу регенеративного патрона входить спеціальний пусковий пристрій. Його головне призначення - забезпечити розігрів регенеративного препарату під час запуску подачі кисню. В ньому кисень виділяється в результаті хімічної реакції розклад активної маси. Тепло та волога, які виділяються при цій реакції, сприяють нагріву продукту, який містить хімічно пов’язаний кисень, і, відповідно, активізації його роботи.

Для прикладу розглянемо роботу пускового пристрою ізолюючих протигазів на хімічно пов’язаному кисні ІП-4, ІП-5,ІП-46 та інших, які застосовуються у збройних силах. В них виділення кисню з пускового брикета відбувається протягом однієї хвилини за кімнатної температури та 80 секунд - за температури – 300С. Запуск пускового брикета здійснюється 38%-ним водним розчином сірчаної кислоти, який не замерзає до температури – 50 0С. Основою пускового пристрою служить пусковий брикет, який містить 61% надперекису калію, 36% гідрату окису алюмінію та 3% алюмінієвої пудри. Основні реакції, які відбуваються в пусковому брикеті, мають наступний вид:

2KO2+H2SO4 →K2SO4+ H2 O  +1,5O2 +q   ; (6.21)

2KO2+H2O →2KOH +1,5O2 +q   ; (6.22)

KOH+Al(OH3) →KAlO2 +2H2O +q   ; (6.23)

2Al+1,5O2 →Al2 O3 +q   . (6.24)

Поряд з наведеними складами регенеративних препаратів та пускових брикетів можуть використовуватись й інші. Так, наприклад, основні реакції, які відбуваються на борту космічних кораблів Російської Федерації, з метою регенерації повітря в кабіні, мають вид:

  2KO2+H2O →2KOH+1,5O2+q   ; (6.25)

 2KOH+CO2 →K2CO3+H2O+q   ; (6.26)

 K2CO3+H2O+CO2 →2KHCO3 . (6.27)

Здебільшого надперекиси калію використовуються й в конструкціях шахтних саморятівників. Таким чином видно, що, оскільки тільки надперекиси лужних металів мають властивості, які в основному задовольняють вимогам до вмісту “активного” кисню, головні зусилля направлені на створення рецептур на їх основі. Вдосконалення регенеруючих препаратів на сучасному етапі проводиться, головним чином, в напрямках відшукання препаратів, які мають підвищену термостабільність, зменшену вологоємність, підвищену пористість і стійкість до спікання та ін.

Оскільки продукт, який містить хімічно пов’язаний кисень, дуже активно поглинає вологу та вуглекислий газ із навколишнього повітря, спорядження ним регенеративних патронів відбувається тільки в заводських умовах. Патрони з надперекисами лужних металів – одноразового використання. Після повного або часткового відпрацювання їх знімають з апарату та, у зв’язку з пожежонебезпечністю надперекисів лужних металів, знищують (спалюють або закопують), дотримуючись вимог спеціальної інструкції. У зв’язку з підвищеною пожежонебезпечністю, необхідно дотримуватись певних правил. Так, не допускається попадання в продукт органічних речовин, наприклад, масел.

Регенеративні патрони, які містять хімічно пов’язаний кисень, можуть бути прямоточного типу (див. рис. 6.1а) або з радіальним напрямком руху очищуваного повітря (див. рис. 6.1б). Але конструкція внутрішньої частини їх принципово відрізняється від патронів з вапняним сорбентом. Для виключення спікання надперекисів лужних металів, яке відбувається в результаті їх нагріву та опливання гранул і призводить до суттєвого збільшення опору дихання, безпосередньо в патроні у шарі продукту розміщують металевий теплорозподільник (-ки).

В регенеративних дихальних препаратах на хімічно пов’язаному кисні застосовують як кругову, так і маятникову схему циркуляції повітря. Як відмічалося раніше (див. розділ 2), особливостями маятникової схеми є додаткове поглинання вуглекислого газу під час вторинного проходу повітря через регенеративний патрон та збільшення шкідливого простору повітропровідної системи по мірі відпрацювання верхнього шару сорбенту. Це два фактори мають різнонаправлений вплив на вміст вуглекислого газу у вдихуваному повітрі: перший сприяє зниженню вмісту СО2, а другий – його підвищенню. В результаті експериментальних досліджень винайшли, що якщо маса продукту в регенеративному патроні менше 1 кг, то маятникова схема циркуляції повітря забезпечує менший вміст вуглекислого газу на вдиху в порівнянні з круговою схемою.

Питома сорбційна ємність за вуглекислим газом для всіх типів продуктів на базі надперекисів лужних металів нижче, ніж у вапняних та лужних хемосорбентів. Та співставлення цих величин неправомірно, оскільки використання надперекисів лужних металів забезпечує повну регенерацію видихуваного повітря. Вже створені ізолюючі апарати з часом захисної дії до 6 годин, які мають меншу масу та кращі мікрокліматичні умови дихання, ніж апарати зі стиснутим киснем. Не дивлячись на вищу вартість продукту, який містить хімічно пов’язаний кисень, ніж у лужного і, тим більше, вапняного поглиначу СО2, наведені апарати в перспективі можуть широко застосовуватися в пожежній охороні, особливо при виконанні робіт легких та середньої ваги.

© 2004 Академия гражданской защиты Украины