Regenerative Material with Improved Characteristics for the Smoke Protective Hood

Full Text

Введение

Дымозащитный капюшон (ДЗК) – изделие изолирующего типа, предназначенное для индивидуальной защиты головы и органов дыхания экипажа от огня и дыма при аварийном задымлении кабины и/или салона самолета гражданской авиации. Необходимый для дыхания кислород образуется путем взаимодействия выдыхаемых человеком паров воды и диоксида углерода с регенеративным материалом на основе надпероксида калия. В аппарате использована маятниковая схема циркуляции газовой дыхательной смеси (ГДС). Такая схема характеризуется двукратным прохождением ГДС через регенеративный материал на фазах вдоха и выдоха и обеспечивает высокую степень очистки ГДС от диоксида углерода. Кроме того, она проста в эксплуатации за счет отсутствия дополнительных газоходов и перепускных элементов в конструкции ДЗК.

В состав ДЗК входят капюшон 1 с обзорным окном 2, шейная мембрана (обтюратор), исключающая проникновение дыма под капюшон 3, устройство для коммуникации 4, позволяющее вести переговоры, патрон с регенеративным материалом 5, система крепления и индивидуальной подгонки 6, пусковое устройство 7, предназначенное для обеспечения кислородом в первые минуты использования ДЗК, соединительные шланги 8, дыхательный мешок с клапаном избыточного давления 9 (рис. 1) [1, 2].

При включении человека в ДЗК органы дыхания и зрения изолируются от окружающей среды. Газовая дыхательная смесь от пользователя по соединительным шлангам попадает в патрон с регенеративным материалом, где происходят процессы поглощения диоксида углерода и влаги, сопровождающиеся выделением кислорода.

 

Рис. 1. Схема (а) и внешний вид (б) дымозащитного капюшона

 

Из патрона ГДС поступает в дыхательный мешок. При вдохе обогащенная кислородом и очищенная от диоксида углерода ГДС из дыхательного мешка по соединительным шлангам возвращается в органы дыхания. Избыток ГДС из дыхательного мешка при выдохе стравливается через клапан избыточного давления [3]. Процесс поглощения диоксида углерода и влаги в патроне сопровождается выделением тепла. Поэтому при работе происходит нагрев проходящей через патрон дыхательной смеси. Признаком окончания работы регенеративного материала является прекращение выделения кислорода, при котором происходит уменьшение наполнения дыхательного мешка.

Дымозащитный капюшон работоспособен в интервале окружающих температур от –15 до +55 °С, обеспечивает подачу кислорода для каждого члена экипажа продолжительностью 15 мин при полете на барометрической высоте 2438 м, при сопротивлении вдоху или выдоху 750 Па при легочной вентиляции 30 дм³/мин. В любой момент времени может быть достигнут объемный расход кислорода для дыхания, равный 80 дм³/мин, в течение 30-секундного периода. Объемная доля диоксида углерода во вдыхаемой ГДС не более 4 % (допускается увеличение объемной доли диоксида углерода до 5 % на период, не превышающий 2 мин). Время приведения в рабочее состояние не более 10 с. Лицевая часть обеспечивает общее поле зрения не менее 70 % от поля зрения человека без лицевой части. В дымозащитном капюшоне имеется возможность коммуникации через терминалы связи бортпроводников и переносной мегафон, а также возможность переговоров между людьми, надевшими ДЗК, на расстоянии не менее 4 м.

Регенерация воздуха перекисными соединениями щелочных и щелочноземельных металлов

Широкое применение перекисных соединений щелочных металлов в качестве регенеративного материала в изолирующих дыхательных аппаратах и установках регенерации воздуха коллективного типа основано на их способности поглощать диоксид углерода и пары воды, а также выделять кислород, тем самым обеспечивая жизнедеятельность человека при его изоляции от окружающей атмосферы.

Наибольшее распространение получили надпероксиды калия и натрия, при этом первый из них, за счет более простой технологии получения, нашел применение в массовых средствах и системах регенерации, а надпероксид натрия, за счет более высокого содержания кислорода, – в специализированных средствах и системах жизнеобеспечения.

Взаимодействие надпероксида калия с диоксидом углерода в присутствии водяного пара описывается уравнением [4]

KO₂ + CO₂ = K₂CO₃ + 1,5CO₂. (1)

При этом первичным актом в процессе регенерации является взаимодействие KО₂ с водяным паром по уравнению [5]

2KO₂ + 3H₂O = 2KOH × 2H₂O + 1,5O₂.  (2)

Затем идет образование карбоната или бикарбоната калия соответственно по уравнениям реакций:

2KOH + CO₂ = K₂CO₃ + H₂O; (3)

KOH + CO₂ = KHCO₃. (4)

Пары воды связываются гидроксидом и карбонатом калия, образуя гидратные соединения типа: KOH × 0,75H₂O; KOH × H₂O; KOH × 2H₂O; K₂CO₃ × 0,5H₂O; K₂CO₃ × 1,5H₂O, которые также могут обратно разлагаться под воздействием высоких температур.

В чистом виде надпероксиды калия и натрия не применяются вследствии возможности их плавления, а также плавления продуктов реакции, образующихся под воздействием высоких температур, достигающих 300 °С, образования пористых оболочек с закрытой структурой, состоящих из смеси гидратов продуктов реакций, препятствующих диффузии реагентов к исходному надпероксиду.

Решение данных проблем, а также технологических проблем, связанных с изготовлением регенеративного материала, достигают введением функционализирующих и структурообразующих добавок, влияющих на его химические и физические свойства [6]. Например, применяют соединения меди, железа и другие в качестве катализатора выделения кислорода, средне- и длинноволокнистый хризотиловый асбест – в качестве армирующего компонента пластин, соединения кальция – в качестве структурообразующих добавок, уменьшающих оплывание регенеративного продукта.

Традиционная технология производства регенеративного материала включает стадии производства надпероксида щелочного металла в виде порошка, смешения с функционализирующими и структурообразующими добавками, прессования блоков, таблеток, готового исполнения или дробления и рассева при производстве гранул неправильной формы, измельчения отходов и возврата их на стадию смешения.

В АО «Росхимзащита» разработана технология производства регенеративного продукта в виде пористых пластин на основе надпероксида калия РПК-П ТУ 2123-265-05807954-2011. Технология основана на взаимодействии гидроксида калия и пероксида водорода с образованием жидкой фазы, содержащей в основном дипероксогидрат пероксида калия, и последующим диспропорционированием в вакууме с подводом тепла в виде ИК-излучения. Реакция диспропорционирования K₂О₂ · 2Н₂О₂ экзотермична. В зависимости от окружающих условий может протекать по двум направлениям: по реакции (5), основным продуктом которой является KО₂, либо по реакции (6), где основной продукт – KОН, при этом активный кислород выделяется в атмосферу:

K₂O₂ × 2H₂O₂ = 2KO₂ + 2H₂O;  (5)

K₂O₂ × 2H₂O₂ = 2KOH + 2H₂O + 1,5O₂.  (6)

В состав регенеративного продукта РПК-П входит гидроксид калия (около 20 масс. %), образующийся по уравнению реакции (6). Применение гидроксида калия обеспечивает при недостатке паров воды (при низких окружающих температурах) реакционную воду, необходимую для разложения надпероксида калия, однако при этом, как правило, возникает ее избыток. При избытке реакционной воды образуются гидраты, что приводит к разрушению пористой структуры хемосорбента и соответственно торможению процесса поглощения диоксида углерода и паров воды.

Регенеративный материал с улучшенными эксплуатационными характеристиками

Для уменьшения негативного фактора гидрализации продуктов реакции разработан технологический процесс производства регенеративного материала, состоящего из надпероксида калия и пероксида кальция РМКК-П, ТУ 20.12.1-325-05807954-2017.

Пероксид кальция, входящий в состав регенеративного материала, под воздействием тепла и воды реагирует по уравнениям реакций:

CaO₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂O₂;  (7)

CaO₂ × nH₂O + xH₂O = Ca(OH)₂ + 0,5O₂ + (n + x – 1) H₂O;  (8)

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O.  (9)

Пероксид кальция, разлагаясь и поглощая избыточную воду, образует гидроксид кальция, который, реагируя с диоксидом углерода, образует карбонат. Карбонат кальция, в отличие от карбоната калия, практически не гидрализуется. В результате, сохраняется пористая структура хемосорбента и не происходит торможение процесса поглощения диоксида углерода и паров воды, возникающее из-за разрушения пор сорбента при гидрализации.

В результате добавления пероксида кальция сохраняется пористая структура хемосорбента, что позволяет получать регенеративный материал в виде пластин меньших размеров, чем пластины, получаемые без применения добавки пероксида кальция. При этом сорбционная емкость материала РМКК-П по диоксиду углерода составляет 174,1 дм³/кг, аналогичный показатель для РПК-П составляет 139,4 дм³/кг. Соответственно, за счет более высокой степени отработки регенеративного материала с добавкой пероксида кальция имеется возможность получить регенеративный материал в виде пластин с меньшими массогабаритными характеристиками, чем серийные регенеративные продукты, получаемые методом прессования-дробления [7]. Была разработана технология получения регенеративных пластин РМКК-П с размерами до 450 ´ 430 мм, толщиной от 5 до 8 мм и удельным весом от 250 до 350 кг/м³. Для сравнения пластины РПК-П имеют размеры 140 ´ 220 мм.

Результаты испытаний и обсуждение

Результаты испытаний ДЗК с пластинами разработанного регенеративного материала РМКК-П на установке «Искусственные легкие» (ИЛ) при температурах–15, +24 и +55 °С и легочной вентиляции 30 дм³/мин представлены на рис. 2.

 

Рис. 2. Зависимость объемной доли кислорода (а) и углекислого газа (б) на вдохе от времени при температурах, °С: 1 – +55; 2 – +24; 3 – минус 15

 

Как видно из графиков рис. 2, а, выделение кислорода при работе ДЗК регенеративным материалов РМКК-П практически не зависит от температуры окружающей среды. Поглощение углекислого газа (рис. 2, б) незначительно зависит от температуры окружающей среды. С повышением окружающей температуры до +55 °С скорость поглощения СО₂ несколько снижается, что отражается в более быстром росте величины объемной доли СО₂. Последнее вызвано более активным плавлением регенеративного материала. При температуре испытания –15 °С и +24 °С процесс поглощения СО₂ имеет схожий характер.

Для сравнения в таблице 1 представлены характеристики основных средств индивидуальной защиты органов дыхания, применяемых в гражданской авиации. Разработанный ДЗК, использующий регенеративный материал РМКК-П, удовлетворяет показателям, предъявляемым к подобного рода средствам индивидуальной защиты органов дыхания, и является конкурентно способным изделием для применения в гражданской авиации.

 

Таблица 1

Характеристики ДЗК и аналогов

Наименование (фирма и страна производитель)	Источник кислорода	Время защитного действия, мин	Масса, кг	Время приведения в рабочее состояние, с	Срок службы, лет
PBE 15-40F-11, L`Air Liquide (Франция)	Тороидальный баллон со сжатым кислородом	15	1,5	8	10
Protective breathing equipment (PBE), Essex industries, Inc. (США)	Баллон со сжатым кислородом		1,44	15
Oxycrew, B/E Aerospace, Inc. (США)	Регенеративный продукт на основе надпероксида калия		2,5
ДЗК (Россия)	Регенеративный продукт на основе надпероксида калия с добавкой пероксида кальция		1,3	10

 

Заключение

Добавление пероксида кальция в регенеративный материал позволяет сохранить пористую структуру хемосорбента и исключить торможение процесса поглощения диоксида углерода и паров воды, возникающее из-за разрушения пор сорбента при гидрализации, то есть получить регенеративный материал РМКК-П в виде пластин меньших размеров, в сравнении с пластинами, получаемыми без применения добавки пероксида кальция РПК-П. При этом на 25 % увеличивается сорбционная емкость материала РМКК-П по диоксиду углерода по сравнению с материалом РПК-П. В результате, за счет более высокой степени отработки регенеративного материала с добавкой пероксида кальция, в производственных условиях получен регенеративный материал в виде пластин с меньшими массогабаритными характеристиками, чем серийные регенеративные продукты, получаемые методом прессования-дробления. Испытания материала РМКК-П в составе изделия ДЗК-15 на установке «Искусственные легкие» в различных режимах подтвердило эффективность его применения в средствах индивидуальной защиты органов дыхания, в частности, в дымозащитных капюшонах при чрезвычайных ситуациях на самолетах гражданской авиации.

About the authors

V. A. Eskov

Tambov State Technical University; JSC Rokhimzashchita

Author for correspondence.
Email: panpost@yandex.ru

аспирант кафедры «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность», ФГБОУ ВО «ТГТУ»; старший научный сотрудник АО «Росхимзащита»

Russian Federation, Tambov; Tambov

R. V. Dorokhov

JSC Rokhimzashchita

Email: panpost@yandex.ru

кандидат технических наук, начальник лаборатории

Russian Federation, Tambov

A. N. Pakhomov

Tambov State Technical University

Email: panpost@yandex.ru

доктор технических наук, доцент кафедры «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность»

Russian Federation, Tambov

References

Supplementary files