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(xué)技術(shù)。20世紀(jì)40年代，它被用于預(yù)防礦山事故、儲(chǔ)存氧氣、潛艇和飛機(jī)氧氣等項(xiàng)目。目前,多數(shù)個(gè)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(guó)家使用超氧化物供氧。我國(guó)超氧化物供氧技術(shù)主要應(yīng)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(chǔ)氧量大、使用過程無需外加動(dòng)力消耗等特點(diǎn)作為救生艙的輔助供氧設(shè)備具有無可替代的優(yōu)點(diǎn)。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(biāo),本文對(duì)救生艙用超氧化鉀藥板供氧性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(yīng)生成O2常作為空氣再生的方法,由于同時(shí)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(dāng)KO2暴露在空氣中時(shí),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(yīng)式為式中,Q表示放熱反應(yīng)。同時(shí)還存在一些水合反應(yīng)與上述反應(yīng)相競(jìng)爭(zhēng),即一般情況,m=3/4,1,2;n為1/2,3/2。2實(shí)驗(yàn)2.1部體積及體積試驗(yàn)在礦用密閉空間模擬艙(圖1)內(nèi)進(jìn)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(cè)系統(tǒng)采用KJ70型煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng),可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)驗(yàn)方法2.2.1水的氧化活性重復(fù)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(shí)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(huì)使其有效氧含量有所降低。所以實(shí)驗(yàn)前先測(cè)定其有效氧的含量,以便計(jì)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(yīng)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(jì)算有效氧含量。實(shí)驗(yàn)用氧板規(guī)格:長(zhǎng)×寬×高為315mm×22mm×6mm,質(zhì)量為390g。實(shí)驗(yàn)測(cè)定儀如圖4所示。實(shí)驗(yàn)步驟:將潔凈干燥的儀器安裝好,各磨口瓶嚴(yán)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(jìn)行稱重。稱取樣品1~2g加入反應(yīng)瓶中進(jìn)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(yīng)瓶中(注意硝酸鈷溶液不要直接滴到超氧化鉀上面),同時(shí)輕搖,冷卻至室溫在進(jìn)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(jì)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(cè)試(1)濕度的影響實(shí)驗(yàn):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(shí)根據(jù)人體輕度活動(dòng)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(dòng)風(fēng)速,記錄數(shù)據(jù)。280min后停止通入CO2,繼續(xù)試驗(yàn)直至氧板反應(yīng)完全。分別將濕度控制在80%,90%,重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)步驟,記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。(2)CO2體積分?jǐn)?shù)的影響實(shí)驗(yàn):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(jìn)行試驗(yàn),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?jǐn)?shù)達(dá)到0.56%,第3次采用持續(xù)通入CO2,重復(fù)以上步驟進(jìn)行試驗(yàn),并記錄數(shù)據(jù)。(3)表面噴濕的影響實(shí)驗(yàn):選用1塊超氧化鉀藥板放置于空氣再生裝置上,一人進(jìn)艙,進(jìn)艙人員每隔10min向超氧化鉀藥板噴20mL水,記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);一人進(jìn)艙,但是不向超氧化鉀氧板噴水,其余步驟相同,記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。2.2.3材料與實(shí)驗(yàn)方法由于超氧化鉀氧板吸收CO2的速率有限,達(dá)不到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行真人生存試驗(yàn)。4名試驗(yàn)人員進(jìn)艙,完成4人4h生存試驗(yàn)。選用2kgCO2吸收劑作為輔助吸收,試驗(yàn)中前2h用2塊氧板,后2h再放入2塊氧板,同時(shí)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(cè)定結(jié)果通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定的KO2有效氧含量為29.5%,即所用氧板理論產(chǎn)氧量應(yīng)為80L。3.2影響評(píng)價(jià)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(yīng)也越完全。由圖5(b)可知,隨著濕度的增加,超氧化鉀氧板對(duì)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(qiáng),會(huì)與水激烈反應(yīng)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(shí)由于反應(yīng)生成的KOH一部分和CO2繼續(xù)反應(yīng),而另一部分和水發(fā)生了水合反應(yīng),從而降低了對(duì)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(shí)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(shí)CO2吸收量減為原來的70%~80%。試驗(yàn)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?jǐn)?shù)最高,產(chǎn)氧量最低。通過試驗(yàn)得出超氧化鉀氧板對(duì)CO2的吸收能力較弱,達(dá)不到人體呼對(duì)CO2吸收的要求,并且隨著CO2體積分?jǐn)?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(yàn)中,4h后氧板反應(yīng)完全,反應(yīng)結(jié)束后艙內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)為21%,與起始體積分?jǐn)?shù)相同,說明在噴水的情況下,一塊氧板恰好可供1個(gè)人的4h的呼吸用氧。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,噴水試驗(yàn)比無噴水試驗(yàn)的氧氣體積分?jǐn)?shù)高0.5%,即多產(chǎn)生O245L。通過計(jì)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(jìn)艙且不進(jìn)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(yàn)中艙內(nèi)CO2一直在升高,不能滿足人體對(duì)CO2的去除要求。因此,在用氧板作為輔助供氧措施中應(yīng)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(shè)計(jì)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(gè)月內(nèi)由圖7(a)可知,在前2h內(nèi),O2體積分?jǐn)?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?jǐn)?shù)呈先升高后下降的趨勢(shì),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(yīng)完全后,只有后2塊氧板參與反應(yīng)且已反應(yīng)了一部分,放氧速率減慢,使艙內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)。通過試驗(yàn)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?jǐn)?shù)完全可以達(dá)到人體健康的要求。4超氧化鉀氧板對(duì)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(duì)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(duì)其表面噴濕