密閉艙室超氧化鉀氧板的性能研究

密閉艙室超氧化鉀氧板的性能研究

超氧化鉀制氧技術(shù)是一種研究較早的化學技術(shù)。20世紀40年代，它被用于預防礦山事故、儲存氧氣、潛艇和飛機氧氣等項目。目前,多數(shù)個人呼吸器采用超氧化鉀制氧技術(shù),而在潛艇艙室等密閉空間,僅有俄羅斯及東歐的一些國家使用超氧化物供氧。我國超氧化物供氧技術(shù)主要應用于礦山自救器,其所采用的是超氧化鉀藥片,而在密閉空間內(nèi)的供氧技術(shù)由于受艙室環(huán)境等因素影響較大,研究較少。在救生艙等密閉空間內(nèi)超氧化鉀氧板由于其具有體積小、單位體積儲氧量大、使用過程無需外加動力消耗等特點作為救生艙的輔助供氧設備具有無可替代的優(yōu)點。但是超氧化鉀在密閉空間內(nèi)的釋放速率與二氧化碳濃度、溫濕度等環(huán)境相關(guān),為確定得到超氧化鉀在密閉空間內(nèi)的使用特性,并滿足救生艙等密閉救援空間內(nèi)供氧及二氧化碳控制的關(guān)鍵救援指標,本文對救生艙用超氧化鉀藥板供氧性能進行了實驗研究。1堿金屬超氧化物的其特性超(過)氧化物在水蒸氣存在的條件下與CO2反應生成O2常作為空氣再生的方法,由于同時可以消耗一定量的CO2,故制取O2的過程即為空氣的再生過程。目前常用的堿金屬超氧化物主要是超氧化鈉(NaO2)和超氧化鉀(KO2)。本文所用超氧化鉀氧板是用95%的超氧化鉀和5%的石棉壓制而成的板狀藥片。當KO2暴露在空氣中時,與CO2作用生成K2CO3和O2;另外KO2極易吸潮與空氣中的H2O作用產(chǎn)生O2并伴生KOH。其主要反應式為式中,Q表示放熱反應。同時還存在一些水合反應與上述反應相競爭,即一般情況,m=3/4,1,2;n為1/2,3/2。2實驗2.1部體積及體積試驗在礦用密閉空間模擬艙(圖1)內(nèi)進行,艙體為雙層氣密門結(jié)構(gòu),內(nèi)部體積約8m3。艙內(nèi)超氧化鉀氧板供氧系統(tǒng)采用空氣再生裝置(圖2),環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用KJ70型煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng),可實時監(jiān)測艙內(nèi)、外環(huán)境參數(shù),包括氧氣、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫、甲烷、溫度等(圖3)。2.2實驗方法2.2.1水的氧化活性重復使用活性化合物理論上純超氧化鉀的有效氧含量為33.8%,而在實際中由于超氧化鉀藥片和藥板中有各種成型劑和催化劑等添加劑,會使其有效氧含量有所降低。所以實驗前先測定其有效氧的含量,以便計算理論上的藥劑用量。在1%硝酸鈷溶液的作用下,超氧化鉀與水發(fā)生反應見式(1)。硝酸鈷起防止過氧化氫的作用,釋放出的氧氣通過硅膠干燥管逸出,根據(jù)質(zhì)量減輕的量計算有效氧含量。實驗用氧板規(guī)格:長×寬×高為315mm×22mm×6mm,質(zhì)量為390g。實驗測定儀如圖4所示。實驗步驟:將潔凈干燥的儀器安裝好,各磨口瓶嚴密不漏,將脫水硅膠裝入硅膠干燥管中,硝酸鈷溶液裝入分液漏斗中,進行稱重。稱取樣品1~2g加入反應瓶中進行稱重。兩次稱重的質(zhì)量之差為樣品質(zhì)量。打開分液漏斗下部的旋塞將硝酸鈷溶液慢慢加入反應瓶中(注意硝酸鈷溶液不要直接滴到超氧化鉀上面),同時輕搖,冷卻至室溫在進行稱量,精確到0.0002g。第2次稱量與第3次稱量的質(zhì)量之差為有效氧的質(zhì)量。有效氧含量X的計算公式為式中,a為有效氧的質(zhì)量,g;m為樣品質(zhì)量,g。2.2.2影響二氧化碳co活性的測試(1)濕度的影響實驗:開啟艙內(nèi)加濕裝置,使試艙內(nèi)濕度保持在(70±2)%;選用1塊超氧化鉀藥板放置于空氣再生裝置上,同時根據(jù)人體輕度活動狀態(tài)下CO2代謝量,以0.4L/min的速率持續(xù)向艙內(nèi)通入CO2,開啟擾動風速,記錄數(shù)據(jù)。280min后停止通入CO2,繼續(xù)試驗直至氧板反應完全。分別將濕度控制在80%,90%,重復以上實驗步驟,記錄試驗數(shù)據(jù)。(2)CO2體積分數(shù)的影響實驗:將艙內(nèi)濕度保持在(90±2)%,選用1塊超氧化鉀藥板放置于空氣再生裝置上,在不通CO2的情況下進行試驗,并記錄各數(shù)據(jù)。第2次向艙內(nèi)通入定量CO2,使其體積分數(shù)達到0.56%,第3次采用持續(xù)通入CO2,重復以上步驟進行試驗,并記錄數(shù)據(jù)。(3)表面噴濕的影響實驗:選用1塊超氧化鉀藥板放置于空氣再生裝置上,一人進艙,進艙人員每隔10min向超氧化鉀藥板噴20mL水,記錄實驗數(shù)據(jù);一人進艙,但是不向超氧化鉀氧板噴水,其余步驟相同,記錄試驗數(shù)據(jù)。2.2.3材料與實驗方法由于超氧化鉀氧板吸收CO2的速率有限,達不到國家標準要求,為了增加CO2吸收速率,保證艙內(nèi)人員生命安全,選用超氧化鉀氧板與CO2吸收劑配比進行真人生存試驗。4名試驗人員進艙,完成4人4h生存試驗。選用2kgCO2吸收劑作為輔助吸收,試驗中前2h用2塊氧板,后2h再放入2塊氧板,同時每隔10min向氧板噴30mL的水。3結(jié)果與分析3.1有效硅含量的測定結(jié)果通過實驗測定的KO2有效氧含量為29.5%,即所用氧板理論產(chǎn)氧量應為80L。3.2影響評價氧氣的因素3.2.1氧板產(chǎn)氧速率及co吸收速率由圖5(a)可知,超氧化鉀氧板產(chǎn)氧量和產(chǎn)氧速率隨著濕度的增加而增加,反應也越完全。由圖5(b)可知,隨著濕度的增加,超氧化鉀氧板對CO2的吸收速率降低,總吸收量也減小。其原因是超氧化鉀吸濕性極強,會與水激烈反應生成O2及KOH,因此隨著環(huán)境濕度的增大,生成的氧氣量增加。同時由于反應生成的KOH一部分和CO2繼續(xù)反應,而另一部分和水發(fā)生了水合反應,從而降低了對CO2的吸收量。氧板產(chǎn)氧速率及CO2吸收速率見表1。從表1可知,在相同時間內(nèi),不同濕度情況下,超氧化鉀氧板隨著濕度的增加,產(chǎn)氧量及產(chǎn)氧速率增加了1.2~1.5倍,但同時CO2吸收量減為原來的70%~80%。試驗完全結(jié)束后,濕度70%情況下,一塊超氧化鉀氧板產(chǎn)氧量為65.7L,CO2吸收量為69.3L;濕度80%情況下,產(chǎn)氧量69.7L,CO2吸收量52.6L;濕度90%情況下,產(chǎn)氧量為72L,CO2吸收量為45.4L。3.2.2持續(xù)通入co期從表2可以看出,超氧化鉀氧板在不通入CO2的情況下產(chǎn)氧量最快,其次是定量通入CO2,最后是持續(xù)通入CO2。在持續(xù)通入CO2情況下,艙內(nèi)CO2體積分數(shù)最高,產(chǎn)氧量最低。通過試驗得出超氧化鉀氧板對CO2的吸收能力較弱,達不到人體呼對CO2吸收的要求,并且隨著CO2體積分數(shù)的增加,其產(chǎn)氧量不斷降低。3.2.3吸水法分離氧板產(chǎn)氧速率由圖6(a)可知,給超氧化鉀噴水后產(chǎn)氧速率得到了很大的提高。在噴水的試驗中,4h后氧板反應完全,反應結(jié)束后艙內(nèi)氧氣體積分數(shù)為21%,與起始體積分數(shù)相同,說明在噴水的情況下,一塊氧板恰好可供1個人的4h的呼吸用氧。實驗結(jié)束后,噴水試驗比無噴水試驗的氧氣體積分數(shù)高0.5%,即多產(chǎn)生O245L。通過計算得到噴水后產(chǎn)氧速率為0.4L/min(艙內(nèi)濕度為70%),相較于一人進艙且不進行表面噴濕的情況,氧板產(chǎn)氧速率提高了5倍。由圖6(b)可知,試驗中艙內(nèi)CO2一直在升高,不能滿足人體對CO2的去除要求。因此,在用氧板作為輔助供氧措施中應添加CO2去除藥劑與超氧化鉀配套使用。3.3塊氧板可維持4人2h呼吸量的情況,在噴濕情況下,2塊氧板可持續(xù)放氧后呼吸量設計方案2,2塊氧板可維持2人2h的呼吸量,2塊氧板的呼吸量可維持2個月內(nèi)由圖7(a)可知,在前2h內(nèi),O2體積分數(shù)略有下降,但幅度不大。再加入2塊氧板后,艙內(nèi)O2體積分數(shù)呈先升高后下降的趨勢,這是由于前2塊氧板在2h后繼續(xù)放氧,加上后2塊氧板的放氧,使艙內(nèi)O2含量升高,在反應完全后,只有后2塊氧板參與反應且已反應了一部分,放氧速率減慢,使艙內(nèi)O2體積分數(shù)呈下降趨勢。通過試驗說明,在噴濕情況下,2塊氧板即可維持4人2h的呼吸量。由圖7(b)可知,在2kgCO2吸收劑的輔助作用下,艙內(nèi)CO2體積分數(shù)完全可以達到人體健康的要求。4超氧化鉀氧板對co呼吸速率的影響(1)超氧化鉀氧板理論產(chǎn)氧量為80L,有效含氧量為29.5%。(2)超氧化鉀產(chǎn)氧速率隨著環(huán)境濕度的增加而增大,濕度從70%增加到90%,其產(chǎn)氧速率增加為原來的1.7倍。(3)超氧化鉀對CO2的吸收量隨著環(huán)境濕度的增加而減少,濕度從70%增加到90%,CO2吸收量減少為原來的60%。(4)超氧化鉀氧板產(chǎn)氧速率受濕度影響大,在對其表面噴濕