Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТРУКТУРИРОВАННОГО РЕГЕНЕРАТИВНОГО ПРОДУКТА

Изобретение относится к способам получения продуктов для регенерации воздуха на основе надпероксида калия, используемых в индивидуальных дыхательных аппаратах (ИДА).

Известен способ получения продукта для регенерации воздуха [патент РФ 2456046, МПК A62D 9/00, 2012 г.], заключающийся в смешении раствора пероксида водорода с гидроксидам калия, нанесение полученного щелочного раствора пероксида водорода на индифферентную пористую матрицу и с последующей дегидратацией жидкой фазы на матрице. В исходный раствор пероксида водорода перед добавлением гидроксида калия последовательно вводят необходимое количество сульфата магния и гидроксида натрия. Сульфат магния выступает в качестве стабилизатора, замедляющего процесс распада пероксидных продуктов полученного щелочного раствора пероксида водорода. Мольное соотношение исходных компонентов должно составлять следующие величины: H₂O₂/MgSO₄=492÷650; H₂O₂/NaOH=8,0÷58,0; H₂O₂/KOH=1,60÷1,88. При этом гидроксид калия вводят в раствор не менее чем через 30 минут после введения гидроксида натрия. Для снижения скорости процесса распада пероксида водорода добавление гидроксидов натрия и калия проводят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°C. Дегидратацию пропитанной исходным раствором индифферентной пористой матрицы осуществляют либо сушкой в вакууме при 30-150°C или в потоке осушенного декарбонизированного воздуха либо инертного газа, выступающих в качестве сушильного агента, при атмосферном давлении при температуре 60-220°C.

Однако продукт для регенерации воздуха, полученный известным способом, характеризуется недостаточно высокой механической прочностью. Низкая механическая прочность продукта для регенерации воздуха приводит к образованию большого количества мелкодисперсной фракции (пыли), образующейся при механическом истирании регенеративного продукта, вызванного вибрацией при постоянном ношении индивидуальных дыхательных аппаратов на теле пользователя (шахтеры, горноспасатели и представители ряда других профессий в силу специфики своего труда для обеспечения безопасной деятельности должны постоянно носить индивидуальные дыхательные аппараты). Наличие большого количества мелкодисперсной фракции регенеративного продукта в патроне индивидуального дыхательного аппарата при его эксплуатации приводит к высокому содержанию щелочных аэрозолей в регенерируемом воздухе, что негативно сказывается на здоровье пользователя.

Кроме того, наличие большого количества мелкодисперсной фракции приводит к уменьшению удельной поверхности транспортных пор продукта, что в дальнейшем осложняет процесс поглощения паров воды и диоксида углерода (основные процессы регенерации воздуха), снижает кинетику хемосорбционного процесса и приводит к увеличению гидродинамического сопротивления дыханию человека.

Задачей изобретения является разработка способа получения продукта для регенерации воздуха, имеющего улучшенные эксплуатационные характеристики при его работе в составе индивидуальных дыхательных аппаратов.

Технический результат заключается в получении продукта для регенерации воздуха, имеющего высокую механическую прочность, обеспечивающего высокую скорость процесса хемосорбции диоксида углерода при его эксплуатации в индивидуальных дыхательных аппаратах.

Дополнительным техническим результатом является повышение экономичности и безопасности процесса.

Технический результат достигается тем, что в способе получения продукта для регенерации воздуха, включающем смешение стабилизированного сульфатом магния раствора пероксида водорода с гидроксидами натрия и калия, нанесение полученного щелочного раствора пероксида водорода на индифферентную пористую матрицу и последующую дегидратацию жидкой фазы на матрице, в раствор пероксида водорода после его смешения с сульфатом магния вводят тетрабораты щелочных металлов. При этом мольное соотношение исходных компонентов равно следующим величинам: пероксид водорода/сульфат магния (H₂O₂/MgSO₄)=450÷670; пероксид водорода/тетраборат щелочного металла (H₂O₂/Me₂B₄O₇)=160÷1000; пероксид водорода/гидроксид натрия (H₂O₂/NaOH)=7,0÷66,7; пероксид водорода/гидроксид калия (H₂O₂/KOH)=1,6÷2,0.

Предпочтительно в качестве тетраборатов щелочных металлов используют тетрабораты лития, натрия, калия или их смесь.

Гидроксид калия предпочтительно вводить в жидкую фазу примерно через 10÷15 минут после введения всех других компонентов.

Нанесение полученного щелочного раствора пероксида водорода на индифферентную пористую матрицу следует проводить не менее чем через 10-15 минут после введения гидроксида калия.

Изобретение позволяет достигнуть заявленный технический результат по следующим обстоятельствам. Во-первых, за счет введения в состав продукта для регенерации воздуха в указанном количестве тетраборатов щелочных металлов при совместной кристаллизации с остальными компонентами из жидкой фазы на индифферентную матрицу происходит увеличение прочности связи между частицами регенеративного продукта и матрицей, приводящее к увеличению механической прочности получаемого материала. Во-вторых, как хорошо известно специалистам, работающим в технике процессов хемосорбции, поглощение из газообразной фазы сорбата происходит в тонком слое жидкой фазы, образующейся на поверхности хемосорбентов. Часто лимитирующей стадией процессов хемосорбции является внутренняя диффузия молекул сорбата в объем жидкой фазы и образование в ней ионизированных молекул, вступающих в химические реакции. Присутствие в жидкой фазе в указанном количестве тетраборатов щелочных металлов приводит к снижению вязкости поверхностной пленки водного раствора, образующейся на поверхности продукта для регенерации воздуха, что приводит к усилению диффузионных процессов на границах раздела фаз, в жидкой фазе и повышению растворимости и ионизации реагирующих веществ в водном растворе поверхностной пленки. В результате за счет интенсификации массообменных процессов на границах газ - жидкость и жидкость - твердая фаза повышается кинетика процесса хемосорбции диоксида углерода продуктом для регенерации воздуха.

Следует также отметить, что полученный щелочной раствор пероксида водорода при температуре 25°C за 8 часов (продолжительность технологического цикла) теряет меньше активного кислорода, чем щелочной раствор пероксида водорода, приготовленный с использованием технологических приемов и соотношения компонентов, описанных в патенте РФ 2456046. Таким образом, здесь абсолютно уместно говорить об увеличении стабилизирующего влияния присутствующих в щелочном растворе пероксида водорода ионов на химическую устойчивость жидкой фазы и повышении безопасности процесса получения продукта для регенерации воздуха. Механизм стабилизации различных растворов пероксида водорода неизвестен [Г.А. Серышев. Химия и технология перекиси водорода. - Л.: Химия, 1984. - С. 182]. Поэтому сложно однозначно оценить влияние того или иного иона или их ассоциатов, содержащихся в многокомпонентном растворе, на стабильность системы в целом. Нахождение стабилизатора для конкретной цели - задача, которая решается только эмпирическим путем. Но было отмечено, что в раствор пероксида водорода в первую очередь следует вводить сульфат магния, а после его растворения вводить в полученный раствор тетрабораты щелочных металлов.

Кроме того, использование тетраборатов щелочных металлов позволяет ускорить процесс приготовления щелочного раствора пероксида водорода, что положительно отражается на экономичности способа получения продукта для регенерации воздуха.

Способ получения структурированного регенеративного продукта осуществляют следующим образом. В раствор пероксида водорода с концентрацией от 50 до 85 мас.% при интенсивном перемешивании вводят сульфат магния. После его полного растворения (примерно 1-3 минуты) в жидкую фазу вводят тетрабораты щелочных металлов, гидроксид натрия и гидроксид калия. Гидроксид калия вводят в систему через 10÷15 минут после введения гидроксида натрия. Мольное соотношение исходных компонентов должно составлять следующие величины: пероксид водорода/сульфат магния (H₂O₂/MgSO₄)=450÷670; пероксид водорода/тетраборат щелочного металла (H₂O₂/Me₂B₄O₇)=160÷1000; пероксид водорода/гидроксид натрия (H₂O₂/NaOH)=7,0÷66,7, пероксид водорода/гидроксид калия (H₂O₂/KOH)=1,6÷2,00.

Для снижения кинетики процесса распада пероксида водорода добавление гидроксидов лития и калия проводят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 50°C. Полученный таким образом щелочной раствор пероксида водорода не менее чем через 10÷15 минут после введения гидроксида калия равномерно наносят на индифферентную пористую матрицу необходимых геометрических размеров любым известным способом (например, пропитка, аэрозольное напыление и др.) и проводят дегидратацию. Дегидратацию пропитанной исходным раствором пористой матрицы осуществляют либо сушкой в вакууме при 30-150°C или в потоке осушенного декарбонизированного воздуха либо инертного газа, выступающих в качестве сушильного агента, при атмосферном давлении при температуре 60-220°C. Декарбонизация сушильного агента проводится с помощью любого поглотителя диоксида углерода. Обезвоживание сушильного агента можно осуществлять, пропуская его через регенерируемые поглотители воды типа цеолита, силикагеля и др. По окончании дегидратации готовый продукт для регенерации воздуха помещают в герметичный контейнер.

В примерах 1-6 приведены данные о получении заявляемым способом продукта для регенерации воздуха.

Пример 1

К 56,82 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 267 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄=450). После растворения MgSO₄ примерно через 1,5 минуты в жидкую фазу вводят 202 г тетрабората натрия (H₂O₂/Me₂B₄O₇=1000), 667 г 90% гидроксида натрия (H₂O₂/NaOH=66,7). Примерно через 10 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (H₂O₂/KOH=2,0). Добавление KOH производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 25°C. Полученный щелочной раствор пероксида водорода через 10 минут равномерно наносят на индифферентную пористую матрицу необходимых геометрических размеров аэрозольным напылением и проводят дегидратацию. Дегидратацию жидкой фазы на матрице осуществляют сушкой в вакууме при 30-90°C и остаточном давлении 0,95 атм. Получают 38,64 кг продукта, содержащего 72,0% KO₂, 16,1% KOH, 1,1% Na₂O₂, 0,4% NaOH, 4,2% H₂O, 0,4% Na₂B₄O₇, 0,7% MgSO₄ и 5% индифферентной пористой матрицы. Потеря щелочным раствором пероксида водорода активного кислорода за 8 часов составила 224 л.

Пример 2

К 51,7 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 210 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄=520). После растворения MgSO₄ примерно через 1,75 минуты в жидкую фазу вводят 206 г тетрабората лития (H₂O₂/Me₂B₄O₇=750), 1,334 кг 90% гидроксида натрия (H₂O₂/NaOH=15,2). Примерно через 12 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (H₂O₂/KOH=1,82). Добавление KOH производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 25°C. Полученный щелочной раствор пероксида водорода через 12 минут равномерно наносят на индифферентную пористую матрицу необходимых геометрических размеров аэрозольным напылением и проводят дегидратацию. Дегидратацию жидкой фазы на матрице осуществляют сушкой в вакууме при 30-90°C и остаточном давлении 0,95 атм. Получают 40,11 кг продукта, содержащего 68,95% KO₂, 15,6% KOH, 3,5% Na₂O₂, 1,8% NaOH, 4,3% H₂O, 0,5% Li₂B₄O₇, 0,55% MgSO₄ и 5% индифферентной пористой матрицы. Потеря щелочным раствором пероксида водорода активного кислорода за 8 часов составила 204 л.

Пример 3

К 45,45 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 160 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄=600). После растворения MgSO₄ примерно через 2 минуты в жидкую фазу вводят 468 г тетрабората калия (H₂O₂/Me₂B₄O₇=400), 4,45 кг 90% гидроксида натрия (H₂O₂/NaOH=8,0). Примерно через 15 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (H₂O₂/KOH=1,6). Добавление KOH производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 25°C. Полученный щелочной раствор пероксида водорода через 15 минут равномерно наносят на индифферентную пористую матрицу необходимых геометрических размеров аэрозольным напылением и проводят дегидратацию. Дегидратацию жидкой фазы на матрице осуществляют сушкой в потоке осушенного и декарбонизованного воздуха при температуре 200°C. Получают 42,21 кг продукта, содержащего 63,0% KO₂, 17,3% KOH, 7,6% Na₂O₂, 2,3% NaOH, 3,4% H₂O, 1,1% Na₂B₄O₇, 0,4% MgSO₄ и 5% индифферентной пористой матрицы. Потеря щелочным раствором пероксида водорода активного кислорода за 8 часов составила 180 л.

Пример 4

К 27,23 л водного 85% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 166,6 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄=670). После растворения MgSO₄ примерно через 3 минут в жидкую фазу вводят 1,174 кг тетрабората натрия (H₂O₂/Me₂B₄O₇=160), 5,911 кг 90% гидроксида натрия (H₂O₂/NaOH=7,0). Примерно через 14 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (H₂O₂/KOH=1,86). Полученный щелочной раствор пероксида водорода через 13 минут равномерно наносят на индифферентную пористую матрицу необходимых геометрических размеров аэрозольным напылением и проводят дегидратацию. Дегидратацию жидкой фазы на матрице осуществляют сушкой в потоке осушенного и декарбонизованного воздуха при температуре 150°C. Получают 43,99 кг продукта, содержащего 63,9% KO₂, 13,6% KOH, 8,1% Na₂O₂, 3,0% NaOH, 3,3% H₂O, 2,6% Me₂B₄O₇, 0,4% MgSO₄ и 5% индифферентной пористой матрицы. Потеря щелочным раствором пероксида водорода активного кислорода за 8 часов составила 209 л.

Пример 5

К 46,88 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 171 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄=580). После растворения MgSO₄ примерно через 2,5 минуты в жидкую фазу вводят 468 г тетрабората калия и 127,5 г тетрабората лития (H₂O₂/Me₂B₄O₇=300), 1,22 кг 90% гидроксида натрия (H₂O₂/NaOH=30). Примерно через 13 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (H₂O₂/KOH=1,65). Добавление KOH производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 25°C. Полученный щелочной раствор пероксида водорода через 14 минут равномерно наносят на индифферентную пористую матрицу необходимых геометрических размеров аэрозольным напылением и проводят дегидратацию. Дегидратацию жидкой фазы на матрице осуществляют сушкой в вакууме при 30-50°C и остаточном давлении 0,95 атм. Получают 39,27 кг продукта, содержащего 72,3% KO₂, 13,3% KOH, 2,4% Na₂O₂, 0,8% NaOH, 3,8% H₂O, 1,2% K₂B₄O₇, 0,4% Li₂B₄O₇, 0,45% MgSO₄ и 5% индифферентной пористой матрицы. Потеря щелочным раствором пероксида водорода активного кислорода за 8 часов составила 185 л.

Пример 6

К 48,9 л водного 50% раствора пероксида водорода при непрерывном перемешивании добавляют 215 г сульфата магния (H₂O₂/MgSO₄=480). После растворения MgSO₄ примерно через 3 минуты в жидкую фазу вводят 170 г тетрабората лития, 202 г тетрабората натрия и 234 г тетрабората калия (H₂O₂/Me₂B₄O₇=286,7), 765 г 90% гидроксида натрия (H₂O₂/NaOH=50). Примерно через 12 минут после равномерного распределения всех введенных компонентов по объему жидкой фазы добавляют 31,1 кг твердого 90% гидроксида калия (H₂O₂/KOH=1,72). Добавление KOH производят таким образом, чтобы температура жидкой фазы не превышала 25°C. Полученный щелочной раствор пероксида водорода через 12 минут равномерно наносят на индифферентную пористую матрицу необходимых геометрических размеров аэрозольным напылением и проводят дегидратацию. Дегидратацию жидкой фазы на матрице осуществляют сушкой в вакууме при 30-50°C и остаточном давлении 0,95 атм. Получают 38,64 кг продукта, содержащего 73,82% KO₂, 12,9% KOH, 1,3% Na₂O₂, 0,5% NaOH, 4,4% H₂O, 0,4% Li₂B₄O₇, 0,5% Na₂B₄O₇, 0,6% K₂B₄O₇, 0,58% MgSO₄ и 5% индифферентной пористой матрицы. Потеря щелочным раствором пероксида водорода активного кислорода за 8 часов составила 193 л.

Регенеративный продукт, полученный заявляемым способом, испытан в патроне изолирующего дыхательного аппарата (ИДА) на установке «Искусственные легкие» по ГОСТ Р 53260-2009. Перед испытанием патроны, снаряженные структурированным регенеративным продуктом, изготовленным по примерам 1-6, были подвергнуты вибрационной нагрузке, имитирующей непрерывное ношение ИДА в течение 2 дней.

Испытания на установке "Искусственные легкие" проводили при следующих условиях:

Объемы кислорода и диоксида углерода указаны при 10°C и 101,3 кПа, легочная вентиляция - при 37°C и 101,3 кПа.

Для сравнения в тех же условиях (включая проведение вибрационных нагрузок) испытывался регенеративный продукт, специально изготовленный по способу, описанному в патенте РФ №2456046 (пример 2). Все продукты для регенерации воздуха имели форму пластин одинакового размера и плотности. Время защитного действия ИДА определяли как время от начала его работы до того момента, когда концентрация CO₂ в потоке газовоздушной смеси на линии "вдоха" установки «Искусственные легкие» достигала 3%. Результаты испытаний представлены в таблице 1. На графике Фиг. 1 представлены кинетические кривые поглощения диоксида углерода различными продуктами для регенерации воздуха. Кривая 1 характеризует кинетику поглощения CO₂ регенеративным продуктом, полученным по способу, описанному в примере 2 патента РФ №2456046. Кривая 2 характеризует кинетику поглощения CO₂ регенеративным продуктом по изобретению. Поскольку для всех регенеративных продуктов, полученных по примерам 1-6, разница количества поглощенного диоксида углерода в единицу времени не превышает 5%, на чертеже (кривая 2) представлено изменение среднего значения этого параметра. В таблице приведены значения максимального объемного содержания щелочного аэрозоля во время испытания, также данные о потере жидкой фазой активного кислорода за 8 часов при н.у. в процессе синтеза регенеративного продукта. Данные об этом параметре при синтезе регенеративного продукта по примеру 2 патента РФ №2456046 взяты из описания патента.

Как видно из представленных данных, структурированный регенеративный продукт, полученный по изобретению, обладает более высокими кинетическими параметрами процесса хемосорбции диоксида углерода в сравнении с продуктом по патенту РФ №2456046. При этом по таким важным эксплуатационным характеристикам, как время защитного действия и степень отработки по диоксиду углерода (данные представлены в таблице), регенеративный продукт, полученный по изобретению, превосходит аналогичные показатели продукта по патенту РФ №2456046.

Исходя из содержания щелочного аэрозоля в регенерируемом воздухе видно, что структурированный регенеративный продукт, полученный по предложенному способу, при механических нагрузках (ношении) образует меньше щелочной пыли, чем регенеративный продукт, полученный по патенту РФ №2456046. В результате чего при эксплуатации ИДА, снаряженного данным продуктом, улучшается комфортность для пользователя за счет уменьшения раздражающего воздействия щелочного аэрозоля на дыхательные пути человека.

Перечисленные выше позитивные аспекты, связанные с процессом регенерации воздуха в патроне ИДА, обусловлены наличием в продукте для регенерации воздуха тетраборатов щелочных металлов и способом их введения в продукт, что приводит, во-первых, к повышению механической прочности регенеративного продукта, а во-вторых, к снижению вязкости поверхностной пленки водного раствора, образующейся на поверхности продукта. Это, в свою очередь, приводит к усилению диффузионных процессов на границах раздела фаз, в жидкой фазе и повышению растворимости и ионизации реагирующих веществ в водном растворе поверхностной пленки. В результате за счет интенсификации массообменных процессов на границах газ - жидкость и жидкость - твердая фаза повышается кинетика процесса хемосорбции диоксида углерода продуктом для регенерации воздуха. Это особенно актуально при эксплуатации продукта для регенерации воздуха в системах жизнеобеспечения человека в режиме высоких нагрузок, требующих быстрого удаления из газовой фазы значительного количества CO₂.

Кроме того, присутствие в щелочном растворе пероксида водорода тетраборатов щелочных металлов и последовательность введения в жидкую фазу исходных компонентов позволяют сократить время приготовления щелочного раствора пероксида водорода и снизить в течение производственного цикла выделение атомарного кислорода, т.е. повысить безопасность и экономичность процесса.