CC BY
14
УДК 614.89
Комарова А.Д., Грунский В.Н.
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ВЫСОКОПОРИСТЫХ БЛОЧНО-ЯЧЕИСТЫХ РЕГЕНЕРАТИВНЫХ ПРОДУКТОВ ДЛЯ СРЕДСТВ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ОРГАНОВ ДЫХАНИЯ
Комарова Алла Дмитриевна - магистрант 2-го года обучения кафедры общей химической технологии РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва, 125047, Миусская пл. д. 9, e-mail: alla.komarova@me.com
Грунский Владимир Николаевич - профессор, д.т.н., заведующий кафедрой общей химической технологии
РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва, e-mail: oxt2011@mail.ru
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Исследование материалов для матриц регенеративного продута, для применения в средствах индивидуальной защиты органов дыхания. Создание опытных образцов керамических высокопористых матриц регенеративного продукта, на основе надпероксида калия. Анализ массовой доли активного кислорода керамических матриц с нанесенным супероксидом калия.
Ключевые слова: регенеративный продукт; надпероксид калия; керамические высокопористые блочно-ячеистые матрицы; средства защиты органов дыхания.
PERSPECTIVES OF THE USE OF CERAMIC HIGHLY POROUS BLOCK-CELLULAR REGENERATIVE PRODUCTS FOR PERSONAL RESPERATORY PROTECTOVE EQUIPMENT
Komarova A.D., Grunsky V.N.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Investigation of materials for matrices of a regenerative product, for use in personal respiratory protective equipment. Creation of prototypes of ceramic matrices of a regenerative product, based on potassium superoxide. Analysis of the mass fraction of oxygen of ceramic matrices with potassium superoxide.
Keywords: regenerative product; potassium superoxide; ceramic highly porous block-cellular matrices; respiratory protective equipment.
Для эффективной защиты человека при воздействии неблагоприятных факторов химической и биологической природы используется комплекс технических средств (средства индивидуальной и коллективной защиты), химическую основу которых составляют надпероксиды щелочных металлов [1]. Надперексиды примечательны тем, что реагируют с влагой и углекислым газом с выделением кислорода и поглощением эквивалентного количества С02, и поэтому представляют интерес как возможные регенераторы кислорода воздуха в условиях замкнутого цикла [2].
Целью работы было изготовление перспективных объемных носителей нового класса для получения регенеративных материалов. Основные задачи для выполнения поставленной цели: изучение регенеративного материала и матриц, используемых в настоящее время; изготовление лабораторных образцов объемного носителя для
регенеративного материала; анализ массовой доли активного кислорода лабораторных образцов.
В отличие от регенерирующих систем с применением сжатого кислорода, широкое применение в составе комплексных систем жизнеобеспечения получили устройства для регенерации воздуха по кислороду и диоксиду углерода химическим путем. Регенеративный материал, являющийся по сути хемосорбентом, поглощает углекислый газ и выделяет в процессе реакции химически связанный кислород. Наиболее распространенный регенеративный материал - это надпероксид калия (К02).
В начале хемосорбент для регенерации воздуха изготавливали в виде плоских пластин, а затем регенеративный продукт стали производить в виде гранул неправильной формы, блоков, цилиндров, таблеток.
Рис. 1. Регенеративный продукт: а) - гранулы неправильной формы; б) - таблетки; в) - блоки
Надперекись калия реагирует с влагой и углекислым газом с выделением кислорода и поглощением эквивалентного количества С02. Такая реакция применяется для регенерации состава воздуха в замкнутом цикле. Реакции в общем виде выглядит следующим образом:
2К02+С02^К2С0з+1,502 +43,1 ккал/моль.
На смену гранулированным продуктам разработаны регенеративные материалы, нанесенные на пористую стеклокристаллическую матрицу, позволяющие повысить степень использования в реакции хемосорбции пероксидных соединений, распределенных по внутренней поверхности носителя.
Растворы пероксосоединений являются сильными окислителями и легко разлагаются с выделением большого количества тепла при попадании в них даже незначительного количества примесей, поэтому к материалу для матрицы регенеративного продукта предъявлялись следующие требования [1]:
— химическая стойкость к пероксиду водорода и его производным;
— высокая пористость, гигроскопичность;
— термостойкость свыше 200°С;
— негорючесть, в контакте с кислородосодержащим веществом.
В результате исследований коллег из ОАО « Корпорация «Росхимзащита» установлено, что в качестве матрицы для регенеративного материла КО2 целесообразно применять неорганические полимерные материалы на основе стеклянного волокна, хотя в силу своих структурных особенностей это вещество удовлетворяет не всем потребительским требованиям регенеративного продукта.
Достоинства стекловолокнистых матриц: легкий материал; хорошая гигроскопичность; высокая емкость по содержанию регенеративного вещества. Но у таких матриц имеется и ряд недостатков: хрупкость материала с продуктом; плохая ударная прочность на изгиб; высокая плотность; материал спекается после отработки продукта.
Рис. 2 а) внешний вид образца из стекловолокна; б) внешний вид пластины регенеративного продукта на матрице из стекловолокна
Общая тенденция в развитии технологии регенеративных продуктов, направленная на увеличение их доступной объемной поверхности за счет использования пористых матриц. Повышение механической прочности, снижение
газодинамического сопротивления, улучшение условий тепло- и массообмена, подтверждает обоснованность выбора и перспективность применения для этих целей керамических высокопористых блочно-ячеистых носителей (ВПЯН). На сегодняшний день на кафедре Общей химической технологии РХТУ им. Д.И. Менделеева разработаны полифункциональные керамические ВПЯН для сорбционно-каталитических процессов. Эксплуатационные и технологические
характеристики ВПЯН соответствуют
вышеперечисленным требованиям по выбору матриц.
Высокая эффективность ВПЯМ в различных процессах обусловлена, в первую очередь, их уникальными структурными характеристиками. Их сетчато-ячеистая структура с большой доступной внешней поверхностью обеспечивает интенсивное диспергирование и перемешивание реакционных потоков, позволяя эффективно проводить массообменные процессы с высокой удельной нагрузкой, объемным расходом жидкостей и газов в широком интервале концентраций реагирующих веществ в высокотемпературных и химически агрессивных средах. Высокий коэффициент внешней диффузии улучшает условия тепло- и массопередачи.
Основным направлением исследования выбрано создание керамических высокопористых блочно-ячеистых носителей с удовлетворяющими характеристиками для синтеза регенеративных продуктов с повышенной сорбционной способностью по диоксиду углерода и максимальным выделением кислорода путем нанесения на их развитую поверхность активной композиции пероксида калия.
Изготовленные образцы имеют ряд достоинств: термическая и химическая стойкость; высокая пористость (до 95%); малообъемность;доступной внешней объемной поверхностью (до 2000 м' /м3); высокая механическая прочность; возможность регенерации после отработки продукта.
С такими преимуществами данный материал может быть использован как альтернатива матрицы для синтеза регенеративных продуктов.
Рис. 3 Внешний вид образцов ВПЯН
Синтез регенеративного продукта надпероксида калия на керамической матрице осуществлялся в 2 этапа. I этап - приготовление и нанесение щелочного раствора на керамическую матрицу. Состав щелочного раствора был разработан в ОАО « Корпорация «Росхимзащита», в его состав входят: 50%-ая Н2О2, мв804*7ы20, КОН(тв) 85-90%. Образцы ВПЯН помещали в щелочной раствор пероксида водорода, обеспечивая полное смачивание.
II этап - синтез регенеративного продукта на матрице. В горизонтальном положении пропитанный образец помещали в сушильную камеру на фторопластовую перфорированную пластину избегая стекания раствора. Камеру закрывали, включали вакуум-насос и электронагреватели; по окончанию синтеза образцы регенеративного материала вытаскивали и упаковывали в герметичный полимерный пакет.
Анализ массовой доли активного кислорода в полученных образцах показал, что доля активного продукта, полученная на матрице после синтеза, зависит от плотности образца. Для исследования было выбрано 3 образца с различным диаметром пор - Я45, Я60, Я80. Как видно из рисунка 4 образец R60 имеет самое высокое содержание доли активного продукта, это связано с тем, что диаметр пор матрицы Я60 и его плотность оптимальны для данного процесса. У образца матрицы Я45 поры крупнее, а плотность больше и во время синтеза часть продукта стекает с матрицы и доля активного компонента резко уменьшается. Образец Я80 наоборот имеет диаметр пор меньше, а плотность больше чем у образца Я45, из-за таких
характеристик во время пропитки распределение продукта будет неравномерным и после синтеза доля активного компонента снизится.
50,00 45,00
• 45 • 60
1 5 35,00 та 30,00 2 25,00 20,00 15,00 20С
%
; ......... Линейная (80)
1
о
,00 250,00 300,00 350,00 400,00 450,00 500,00 550,00 600,00 650,00
Рис. 4 Зависимость массовой доли активного продукта от плотности керамической матрицы
Таким образом, были изготовлены лабораторные образцы матриц на основе керамического высокопористого блочно-ячеистого материала, изучены методы приготовления и нанесения регенеративного материала на матрицы и проведен анализ массовой доли активного кислорода в продукте.
Список литературы
1. Гладышева Т. В., Гладышев Н. Ф., Дворецкий С. И. Нанокристаллический регенеративный продукт. Синтез. Свойства. Применение. - М.: Издательский дом «Спектр», 2014. - 120 с.
2. И.И. Вольнов Перекисные соединения щелочных металлов, М: Наука, 1980. - 160с.
