密閉空間內(nèi)空氣調(diào)節(jié)裝置的研究

趙磊 周佩玲 朱明

探索最優(yōu)的O2制取，通過(guò)實(shí)驗(yàn)明確低濃度CO2的去除，采用模擬艙監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)定艙內(nèi)CO2濃度，并繪制曲線，找出最高濃度值，結(jié)合工業(yè)常見(jiàn)的CO去除方法和實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)實(shí)際情況，確定合適的實(shí)驗(yàn)方案。

1. 選題背景

煤礦事故的頻繁發(fā)生，事故死亡率高的現(xiàn)狀已經(jīng)成了制約我國(guó)煤礦行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要影響因素。當(dāng)煤礦事故發(fā)生后，井下缺少可供呼吸的氧氣，充斥著各種有毒有害氣體，由于現(xiàn)有自救器無(wú)法提供有效的、長(zhǎng)時(shí)間的防護(hù)，因此目前煤礦事故的死亡率極高。提供一個(gè)有效的避難空間對(duì)于減少煤礦事故傷亡有著十分重要的意義。在南非礦山，可移動(dòng)式救生艙應(yīng)用的SurvivAir-E型生氧過(guò)濾器是一種具有生氧與過(guò)濾CO2雙重功效的裝置，曾在國(guó)際礦業(yè)展覽會(huì)上獲得金獎(jiǎng)?？諝庹{(diào)節(jié)系統(tǒng)將氧氣供給和二氧化碳去除一體化，在密閉空間的環(huán)境里可以滿足人體的正常呼吸需求，同時(shí)不至于產(chǎn)生各種有毒有害氣體，為災(zāi)后創(chuàng)造一個(gè)良好的生存環(huán)境。此系統(tǒng)應(yīng)用于密閉空間內(nèi)，可有效地提高氧氣的使用率。在礦井下、深海里等各種極端、惡劣的密閉環(huán)境里可有效地保護(hù)人員的生命安全，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的社會(huì)效益。而目前隨著人民生活水平的提高，對(duì)于氧艙療養(yǎng)的興趣日益增大，其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也不可估量。

2. 方案論證

2.1 氧氣生成

選用過(guò)（超）氧化物作為供氧劑，并且根據(jù)井下不同勞動(dòng)情形下的呼吸空氣量和氧氣消耗量來(lái)計(jì)算供氧劑的理論用量：

在井下救生艙中工人是不需要?jiǎng)趧?dòng)的，可認(rèn)為是處于休息狀態(tài)，那么每人一天需要氧氣的量為288L～576L, 約12.9mol～25.8mol(0.41kg～0.83kg)，地面上成年人每天需氧量約為0.9kg。

如果采用過(guò)氧化氫溶液制取氧氣，假設(shè)艙內(nèi)容納5個(gè)人（5個(gè)人對(duì)氧氣的需求狀況基本相同），則每天需過(guò)氧化氫的量為4.4kg～8.8kg。

如果采用過(guò)(超）氧化物制取氧氣，如超氧化鉀，則每天需超氧化鉀的量為6.1kg～12.2kg，同時(shí)也可以吸收部分二氧化碳?xì)怏w。

最后，在制氧技術(shù)方面我們還聯(lián)想到目前各國(guó)使用的壓風(fēng)自救系統(tǒng)，如果將其與井下救生艙相連，便可在礦井發(fā)生災(zāi)變時(shí)及時(shí)向艙內(nèi)輸送新鮮空氣。壓風(fēng)自救系統(tǒng)作為一種新型的自救措施，現(xiàn)在已經(jīng)普遍使用。由于單獨(dú)使用該系統(tǒng)會(huì)有許多缺陷，我們考慮如果將其與礦用可移動(dòng)式救生艙相連接會(huì)產(chǎn)生很好的效果。不過(guò)，對(duì)于礦井發(fā)生煤塵與瓦斯爆炸后的氣體管道是否會(huì)受到損壞這一問(wèn)題，還具有不確定性。而且這個(gè)系統(tǒng)在中國(guó)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)救人的目的，但這個(gè)思路確實(shí)很有前途。

2.2 二氧化碳的吸收

我們首先想另辟蹊徑，不首先使用普遍的化學(xué)吸收方法，而是采用生物吸收法：

1仙人掌：現(xiàn)代科學(xué)發(fā)現(xiàn)，仙人掌的光合作用和普通植物不同。仙人掌一般白天是吸收氧氣放出CO2，到夜晚才吸收CO2吐出O2，正好能彌補(bǔ)夜晚居室的O2不足。

實(shí)驗(yàn)方案 ：制作小環(huán)境測(cè)量仙人掌一天CO2的吸收量，然后計(jì)算艙內(nèi)所需栽培的數(shù)量。

2.水綿：可大量繁殖，為河道污染物，在藍(lán)紫光和紅橙光照射情況下光合作用明顯。優(yōu)點(diǎn)：藻類植物生命力極強(qiáng)，繁殖快，且抑制其生長(zhǎng)方便，好控制；缺點(diǎn)：無(wú)法去除藻腥味，對(duì)人體舒適度有影響。

實(shí)驗(yàn)方案：可用魚缸作為容器，空氣循環(huán)裝置選用魚缸內(nèi)的造氣裝置進(jìn)行室內(nèi)循環(huán)。這種生物吸收法可以說(shuō)是一種很大膽的嘗試，但不可以作為主流方法，也不可以大量使用，否則會(huì)對(duì)人體正常生理狀況造成不良影響。經(jīng)反復(fù)討論，最終決定仍采用化學(xué)吸收法，吸收劑選用鈉石灰，該試劑具有吸收效果好，廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，并且可以直接在模擬救生艙內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.3一氧化碳的吸收

目前，關(guān)于工業(yè)產(chǎn)生的一氧化碳?xì)怏w的吸收有許多種方法。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)，一氧化碳低溫催化氧化在實(shí)際生活中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，方法也比較簡(jiǎn)單。所選用的催化劑主要分為貴金屬催化劑、非貴金屬催化劑、以分子篩為載體的催化劑等。選用不同催化劑吸收一氧化碳的實(shí)驗(yàn)條件不同，吸收效率也不同，本實(shí)驗(yàn)選用最簡(jiǎn)單的銅催化劑：

Cu催化劑 Huang等認(rèn)為氧化銅物種的催化活性可以根據(jù)相變和轉(zhuǎn)移晶格氧的能力來(lái)闡述。Cu2O有改變化學(xué)價(jià)態(tài)的傾向，并具備奪取或釋放表面晶格氧的能力，催化活性比Cu或CuO高。還原過(guò)程中生成非化學(xué)計(jì)量比Cu物種具有優(yōu)良的轉(zhuǎn)移表面晶格氧的能力，催化活性高于CuO。

該方案在常溫下便可正常進(jìn)行，具有一定的可行性。

3. 研究方法

3.1 氧氣生成

確定氧氣最佳制取方法，結(jié)合井下密閉空間實(shí)際情況確定最佳供氧方案。

3.2 二氧化碳的吸收

方案設(shè)計(jì)如下：本實(shí)驗(yàn)在礦用模擬救生艙進(jìn)行，吸收劑選用鈉石灰。實(shí)驗(yàn)前先記錄實(shí)驗(yàn)初始數(shù)據(jù)，如風(fēng)機(jī)參數(shù)、艙內(nèi)二氧化碳濃度、艙內(nèi)溫度等。模擬艙內(nèi)安裝有氣體傳感器，可以實(shí)時(shí)測(cè)定艙內(nèi)各種氣體的體積分?jǐn)?shù)，如O2、CO、CO2、H2S等，如右圖所示：

然后在艙內(nèi)鋪好藥品，接通風(fēng)機(jī)電源，打開(kāi)CO2氣瓶，調(diào)節(jié)流速。并以四人正常呼出的CO2的量為參照標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)節(jié)CO2流速為：1.6L/min，以后保持每次實(shí)驗(yàn)流速不變，最后根據(jù)模擬艙監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體曲線。（注：艙內(nèi)CO2濃度達(dá)到1%時(shí)會(huì)報(bào)警）

3.3 一氧化碳的吸收

3.3.1 一氧化碳吸收液的制備

稱取54gCuCl和60gNH4Cl，加入200ml蒸餾水中，攪拌成混濁液，加入濃氨水?dāng)嚢柚寥芤撼吻澹缓髮⑵涔嗳胛掌?，在配制溶液時(shí)可能發(fā)生氧化作用，溶液如呈黑色或綠黑色，就不能用，應(yīng)先用Cu或SnCl2使其復(fù)原，被復(fù)原后的溶液呈稻黃色。

用氯化亞銅氨溶液吸收CO：

CuCl + 2CO == CuCl?2CO

CuCl?2CO + 4NH3 + 2H2O == 2NH4Cl + Cu?2COONH4

3.3.2 利用Cu催化劑吸收一氧化碳

利用CO催化劑吸收率測(cè)定裝置，進(jìn)行CO的吸收測(cè)定。

4. 研究成果

4.1 氧氣生成

采用化學(xué)氧法，供氧劑宜選用過(guò)(超）氧化物；若考慮井下密閉空間實(shí)際情況，最有效的手段仍是利用氧氣瓶。

4.2二氧化碳的吸收

研究鈉石灰是否可以達(dá)到吸收CO2的目的，本實(shí)驗(yàn)對(duì)放藥品前后兩種情況下測(cè)定CO2的體積分?jǐn)?shù)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)：風(fēng)機(jī)：U：24.1V I：0.620A

艙內(nèi)溫度：13.1℃

艙內(nèi)CO2初始濃度：0.07%

CO2通氣量：1.6L/min

放藥品后艙內(nèi)CO2平均增長(zhǎng)速率為0.0152/min；放藥品前艙內(nèi)CO2平均增長(zhǎng)速率為0.023/min；停止通入二氧化碳后艙內(nèi)CO2平均下降速率為0.03625/min；由圖表可知：該藥品（鈉石灰）使艙內(nèi)CO2平均增長(zhǎng)速率減慢，可以達(dá)到吸收目的。

對(duì)于鈉石灰吸收CO2效果的研究，我們考慮了鈉石灰的鋪展程度對(duì)去除效果的影響，主要分為充分鋪展和未充分鋪展兩種情況，分別實(shí)驗(yàn)比較其吸收效果：

由該圖可以計(jì)算出：艙內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)平均增長(zhǎng)速率為0.024/min（鈉石灰充分鋪展）

艙內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)平均增長(zhǎng)速率為0.034/min（鈉石灰未充分鋪展）

由此可見(jiàn)，鈉石灰的鋪展程度對(duì)CO2吸收效果有一定影響，而且鋪展越充分，藥品與CO2接觸面積越大，吸收效率越高，效果越好。

整體考慮鈉石灰對(duì)CO2吸收效果，并找到艙內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)的最高點(diǎn)，并繪制吸收曲線，模擬救生艙CO2初始濃度為0.03%，艙內(nèi)溫度為11.9℃。實(shí)驗(yàn)曲線如下：

由該曲線可知：當(dāng)向艙內(nèi)持續(xù)通入CO2（1.6L/min)時(shí)，艙內(nèi)CO2最高濃度可達(dá)到5.18%，然后CO2濃度開(kāi)始下降。該曲線可以很好的擬合成二次曲線，R2值接近于1，且擬合出的二次方程為: y ＝ -2E-05x2 + 0.0204x - 0.0623，式中y表示艙內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)，x表示數(shù)據(jù)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)與時(shí)間是一一對(duì)應(yīng)的，兩個(gè)相鄰點(diǎn)間隔時(shí)間是1min。（注：本實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2010.3.13 9:10～19：06，持續(xù)10個(gè)小時(shí)，并在17：28時(shí)達(dá)到最高值。）

本實(shí)驗(yàn)前后藥品顏色對(duì)比如右圖所示：

由此可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)前鈉石灰為粉紅色，試驗(yàn)后幾乎變?yōu)榘咨?，本?shí)驗(yàn)反應(yīng)比較充分。

實(shí)驗(yàn)后藥品整體效果：

可見(jiàn)還有許多鈉石灰反應(yīng)不完全，因?yàn)樵囼?yàn)中艙門一直處于關(guān)閉狀態(tài)，并沒(méi)有定時(shí)去攪拌藥品，導(dǎo)致不同部位鈉石灰接觸氣體程度不同，反應(yīng)速率不一致。

4.3 一氧化碳的吸收：

通過(guò)對(duì)絡(luò)合物（氯化亞銅氨溶液）和銅催化劑吸收CO的特點(diǎn)的研究確定了理論的實(shí)驗(yàn)方案。

利用銅催化劑進(jìn)行CO吸收實(shí)驗(yàn)的研究成果：

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，該銅催化劑的吸收率應(yīng)為98.9%。根據(jù)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的礦下工作時(shí)空氣中CO的含量不能超過(guò)50ppm計(jì)算，可能進(jìn)入艙內(nèi)的CO的最高值為3.375L，一氧化碳的密度為1.25g/L，則一氧化碳的產(chǎn)生量0.0042Kg，因此救生艙內(nèi)消耗量為0.0042Kg。

5. 結(jié)論

本文針對(duì)我國(guó)目前煤礦事故多發(fā)，救援困難的情況，提出了利用煤礦救生艙來(lái)進(jìn)行應(yīng)急救援的想法。主要研究成果概括如下：

1.確定了O2最優(yōu)制取方法及可行性，主要采用過(guò)（超）氧化物吸收，并結(jié)合壓風(fēng)自救系統(tǒng)與井下救生艙相結(jié)合。

2.研究并確定了低濃度CO2吸收方法，并繪制出吸收曲線。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了救生艙最高CO2濃度為5.18%，然后開(kāi)始下降。

3.通過(guò)對(duì)絡(luò)合物（氯化亞銅氨溶液）和銅催化劑吸收CO的特點(diǎn)的研究確定了理論的實(shí)驗(yàn)方案并實(shí)驗(yàn)得出銅催化劑吸收效率。

（作者單位：北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院）