密闭舱室超氧化钾氧板的性能研究

密闭舱室超氧化钾氧板的性能研究

超氧化钾制氧技术是一种研究较早的化学技术。20世纪40年代，它被用于预防矿山事故、储存氧气、潜艇和飞机氧气等项目。目前,多数个人呼吸器采用超氧化钾制氧技术,而在潜艇舱室等密闭空间,仅有俄罗斯及东欧的一些国家使用超氧化物供氧。我国超氧化物供氧技术主要应用于矿山自救器,其所采用的是超氧化钾药片,而在密闭空间内的供氧技术由于受舱室环境等因素影响较大,研究较少。在救生舱等密闭空间内超氧化钾氧板由于其具有体积小、单位体积储氧量大、使用过程无需外加动力消耗等特点作为救生舱的辅助供氧设备具有无可替代的优点。但是超氧化钾在密闭空间内的释放速率与二氧化碳浓度、温湿度等环境相关,为确定得到超氧化钾在密闭空间内的使用特性,并满足救生舱等密闭救援空间内供氧及二氧化碳控制的关键救援指标,本文对救生舱用超氧化钾药板供氧性能进行了实验研究。1碱金属超氧化物的其特性超(过)氧化物在水蒸气存在的条件下与CO2反应生成O2常作为空气再生的方法,由于同时可以消耗一定量的CO2,故制取O2的过程即为空气的再生过程。目前常用的碱金属超氧化物主要是超氧化钠(NaO2)和超氧化钾(KO2)。本文所用超氧化钾氧板是用95%的超氧化钾和5%的石棉压制而成的板状药片。当KO2暴露在空气中时,与CO2作用生成K2CO3和O2;另外KO2极易吸潮与空气中的H2O作用产生O2并伴生KOH。其主要反应式为式中,Q表示放热反应。同时还存在一些水合反应与上述反应相竞争,即一般情况,m=3/4,1,2;n为1/2,3/2。2实验2.1部体积及体积试验在矿用密闭空间模拟舱(图1)内进行,舱体为双层气密门结构,内部体积约8m3。舱内超氧化钾氧板供氧系统采用空气再生装置(图2),环境监测系统采用KJ70型煤矿安全生产监控系统,可实时监测舱内、外环境参数,包括氧气、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、甲烷、温度等(图3)。2.2实验方法2.2.1水的氧化活性重复使用活性化合物理论上纯超氧化钾的有效氧含量为33.8%,而在实际中由于超氧化钾药片和药板中有各种成型剂和催化剂等添加剂,会使其有效氧含量有所降低。所以实验前先测定其有效氧的含量,以便计算理论上的药剂用量。在1%硝酸钴溶液的作用下,超氧化钾与水发生反应见式(1)。硝酸钴起防止过氧化氢的作用,释放出的氧气通过硅胶干燥管逸出,根据质量减轻的量计算有效氧含量。实验用氧板规格:长×宽×高为315mm×22mm×6mm,质量为390g。实验测定仪如图4所示。实验步骤:将洁净干燥的仪器安装好,各磨口瓶严密不漏,将脱水硅胶装入硅胶干燥管中,硝酸钴溶液装入分液漏斗中,进行称重。称取样品1~2g加入反应瓶中进行称重。两次称重的质量之差为样品质量。打开分液漏斗下部的旋塞将硝酸钴溶液慢慢加入反应瓶中(注意硝酸钴溶液不要直接滴到超氧化钾上面),同时轻摇,冷却至室温在进行称量,精确到0.0002g。第2次称量与第3次称量的质量之差为有效氧的质量。有效氧含量X的计算公式为式中,a为有效氧的质量,g;m为样品质量,g。2.2.2影响二氧化碳co活性的测试(1)湿度的影响实验:开启舱内加湿装置,使试舱内湿度保持在(70±2)%;选用1块超氧化钾药板放置于空气再生装置上,同时根据人体轻度活动状态下CO2代谢量,以0.4L/min的速率持续向舱内通入CO2,开启扰动风速,记录数据。280min后停止通入CO2,继续试验直至氧板反应完全。分别将湿度控制在80%,90%,重复以上实验步骤,记录试验数据。(2)CO2体积分数的影响实验:将舱内湿度保持在(90±2)%,选用1块超氧化钾药板放置于空气再生装置上,在不通CO2的情况下进行试验,并记录各数据。第2次向舱内通入定量CO2,使其体积分数达到0.56%,第3次采用持续通入CO2,重复以上步骤进行试验,并记录数据。(3)表面喷湿的影响实验:选用1块超氧化钾药板放置于空气再生装置上,一人进舱,进舱人员每隔10min向超氧化钾药板喷20mL水,记录实验数据;一人进舱,但是不向超氧化钾氧板喷水,其余步骤相同,记录试验数据。2.2.3材料与实验方法由于超氧化钾氧板吸收CO2的速率有限,达不到国家标准要求,为了增加CO2吸收速率,保证舱内人员生命安全,选用超氧化钾氧板与CO2吸收剂配比进行真人生存试验。4名试验人员进舱,完成4人4h生存试验。选用2kgCO2吸收剂作为辅助吸收,试验中前2h用2块氧板,后2h再放入2块氧板,同时每隔10min向氧板喷30mL的水。3结果与分析3.1有效硅含量的测定结果通过实验测定的KO2有效氧含量为29.5%,即所用氧板理论产氧量应为80L。3.2影响评价氧气的因素3.2.1氧板产氧速率及co吸收速率由图5(a)可知,超氧化钾氧板产氧量和产氧速率随着湿度的增加而增加,反应也越完全。由图5(b)可知,随着湿度的增加,超氧化钾氧板对CO2的吸收速率降低,总吸收量也减小。其原因是超氧化钾吸湿性极强,会与水激烈反应生成O2及KOH,因此随着环境湿度的增大,生成的氧气量增加。同时由于反应生成的KOH一部分和CO2继续反应,而另一部分和水发生了水合反应,从而降低了对CO2的吸收量。氧板产氧速率及CO2吸收速率见表1。从表1可知,在相同时间内,不同湿度情况下,超氧化钾氧板随着湿度的增加,产氧量及产氧速率增加了1.2~1.5倍,但同时CO2吸收量减为原来的70%~80%。试验完全结束后,湿度70%情况下,一块超氧化钾氧板产氧量为65.7L,CO2吸收量为69.3L;湿度80%情况下,产氧量69.7L,CO2吸收量52.6L;湿度90%情况下,产氧量为72L,CO2吸收量为45.4L。3.2.2持续通入co期从表2可以看出,超氧化钾氧板在不通入CO2的情况下产氧量最快,其次是定量通入CO2,最后是持续通入CO2。在持续通入CO2情况下,舱内CO2体积分数最高,产氧量最低。通过试验得出超氧化钾氧板对CO2的吸收能力较弱,达不到人体呼对CO2吸收的要求,并且随着CO2体积分数的增加,其产氧量不断降低。3.2.3吸水法分离氧板产氧速率由图6(a)可知,给超氧化钾喷水后产氧速率得到了很大的提高。在喷水的试验中,4h后氧板反应完全,反应结束后舱内氧气体积分数为21%,与起始体积分数相同,说明在喷水的情况下,一块氧板恰好可供1个人的4h的呼吸用氧。实验结束后,喷水试验比无喷水试验的氧气体积分数高0.5%,即多产生O245L。通过计算得到喷水后产氧速率为0.4L/min(舱内湿度为70%),相较于一人进舱且不进行表面喷湿的情况,氧板产氧速率提高了5倍。由图6(b)可知,试验中舱内CO2一直在升高,不能满足人体对CO2的去除要求。因此,在用氧板作为辅助供氧措施中应添加CO2去除药剂与超氧化钾配套使用。3.3块氧板可维持4人2h呼吸量的情况,在喷湿情况下,2块氧板可持续放氧后呼吸量设计方案2,2块氧板可维持2人2h的呼吸量,2块氧板的呼吸量可维持2个月内由图7(a)可知,在前2h内,O2体积分数略有下降,但幅度不大。再加入2块氧板后,舱内O2体积分数呈先升高后下降的趋势,这是由于前2块氧板在2h后继续放氧,加上后2块氧板的放氧,使舱内O2含量升高,在反应完全后,只有后2块氧板参与反应且已反应了一部分,放氧速率减慢,使舱内O2体积分数呈下降趋势。通过试验说明,在喷湿情况下,2块氧板即可维持4人2h的呼吸量。由图7(b)可知,在2kgCO2吸收剂的辅助作用下,舱内CO2体积分数完全可以达到人体健康的要求。4超氧化钾氧板对co呼吸速率的影响(1)超氧化钾氧板理论产氧量为80L,有效含氧量为29.5%。(2)超氧化钾产氧速率随着环境湿度的增加而增大,湿度从70%增加到90%,其产氧速率增加为原来的1.7倍。(3)超氧化钾对CO2的吸收量随着环境湿度的增加而减少,湿度从70%增加到90%,CO2吸收量减少为原来的60%。(4)超氧化钾氧板产氧速率受湿度影响大,在对其表面喷湿