Изолирующие дыхательные аппараты с адсорбционными компонентами, содержащими вещества с химически связанным кислородом (самоспасатели), эффективно применяются для спасения людей и ликвидации аварий в загазованных помещениях, при пожарах, в закрытых или изолированных пространствах [1]. Они эксплуатируется при температуре от минус 20 ° до 40 °С при высокой относительной влажности воздуха до 100 % и повышенном атмосферном давлении до 133,З кПа (1000 мм рт. ст. или до давления 1,4 атм). Общий вид некоторых самоспасателей представлен на рис. 1 [2].
Рис. 1. Общий вид промышленных самоспасателей
В настоящее время такие аппараты получили наибольшее распространение и нашли широкое применение при работе в шахтах в случае опасных и внезапных выбросов метана, при его взрывах и горении. Например, годовая потребность в самоспасателях компании «СУЭК-Кузбасс» составляет 6500 шт.
Внутреннее строение самоспасателя представлено на рис. 2 [3]. Каждый работник, спускающийся в шахту, обязан иметь индивидуальное средство спасения, через маску которого он дышит в случае чрезвычайной ситуации. Известно, что выдыхаемый воздух содержит повышенное количество углекислого газа и воды (табл. 1). Эти компоненты должны активно реагировать с химическими веществами, находящимися в поглотительных патронах самоспасателей, и способствовать выделению кислорода.
Таблица 1
Содержание газовых компонентов в воздухе, %
|
Вид воздуха |
Кислород |
Углекислый газ |
Азот и другие газы |
|
Вдыхаемый воздух |
20,94 |
0,03 |
79,03 |
|
Выдыхаемый воздух |
16,3 |
4,0 |
79,7 |
Из представленной табл. 1 следует, что содержание кислорода в выдыхаемом воздухе резко (на 4,5 %) снижается по сравнению с вдыхаемой воздушной смесью, при этом содержание углекислого газа повышается в 100 раз.
Рис. 2. Строение самоспасателя ШСС-1
Самоспасатель ШСС-1 имеет герметичный стальной корпус 1 цилиндрической формы, в который вмонтирован регенеративный патрон 2 с пусковым устройством 3. К регенеративному патрону 2 подсоединен дыхательный мешок 4 с избыточным клапаном 5 и гофрированный шланг 6 с загубником 7 и носовым зажимом 8. Воздух проходит через наполнитель 9 и поднимается вверх для дыхания. Остальные составные части самоспасателей (СС) (№ 10–18) согласно рис. 2, имеют второстепенное эксплуатационное значение. Известны различные составы наполнителей регенерационных патронов. Типы самоспасателей и составы их активных наполнителей представлены в табл. 2.
Таблица 2
Состав наполнителей самоспасателей (СС), %
|
№ п/п |
тип СС |
Na2O |
NaO2 |
NaOH |
Ca(OH)2 |
KO2 |
K2O |
CaO |
KOH |
K2CO3 |
Другие |
|
1 |
Б-21 |
11 |
71 |
3 |
15 |
||||||
|
2 |
В-64 |
95 |
Асбест-5 |
||||||||
|
3 |
Пб-4 |
15 |
40 |
КНSО4-40, Al-3. Асбест-2 |
|||||||
|
4 |
РБ-5-1 |
25 |
70 |
Асбест-2 |
|||||||
|
5 |
РБ-5 |
25 |
70 |
Са(ОН)2-5, асб.-2 |
|||||||
|
6 |
ХПИ |
4 |
22,5 |
Са(ОН)2- 2-96 |
|||||||
|
7 |
ОКЧ-3 |
66,7 |
22,5 |
10,5 |
18,1 |
– |
Из табл. 1 следует, что активными компонентами в наполнителях являются различные композиции, состоящие из оксидов, пероксидов, надпероксидов щелочных металлов, гидроксидов щелочных и щелочноземельных металлов и некоторых других специальных функциональных добавок (асбест). Пероксиды – вещества, содержащие пероксогруппу —О–О– (например, пероксид водорода – Н2О2, пероксид натрия – Na2O2). В пероксидах кислород имеет степень окисления – 1. Надпероксиды (надперекиси) – неорганические соединения, содержащие анион О−2, например надпероксид калия КО2. Кислородные соединения, содержащие атомы кислорода в степени окисления −1⁄2,, известны для щелочных и щёлочноземельных металлов. Они позволяют эффективно поглощать из выдыхаемого воздуха углекислый газ и воду, выделяя взамен молекулярный кислород. Пероксиды и надпероксиды натрия являются очень сильными окислителями [4].
Цель исследования: создание наиболее эффективной и безопасной технологии утилизации наполнителей регенеративных патронов СС.
В настоящее время резко обострилась проблема утилизации регенеративных патронов различных марок, в состав которых входят остаточные количества веществ, разлагающиеся с выделением кислорода. Выброс их на свалки мусора приводит к самопроизвольным взрывам, что грозит жизни людей. Поэтому на совещании «Об итогах реструктуризации и перспективах развития угольной промышленности», состоявшемся 24.01.2012 в Кемерове, постановили направить из федерального бюджета около 500 млн руб. на финансирование НИОКР по разработке, внедрению современных средств индивидуальной защиты и спасения горняков и поиску путей их эффективной утилизации [5, 6].
Для создания эффективной технологии утилизации учтены химические свойства оставшихся в отработанном СС активных компонентов поглотительных систем. При эксперименте использованы технологии утилизации с применением двух компонентов – раствора соляной кислоты и промышленной воды.
1. Химические процессы утилизации с использованием раствора соляной кислоты
1.1. Технология утилизации с выделением кислорода:
4NaO2 + 4HCl>4NaCl + 2H2O + 3O2^;
4KO2 + 2HCl>2KCl + H2O2 + O2^ ;
1.2. Технология утилизации без выделения кислорода с образованием хлоридов и воды
Na2O + 2HCl>2NaCl + H2O;
Na2O2 + 2HCl>2NaCl + H2O2 ;
K2O + 2HCl>2KCl + H2O;
Ca(OH)2 + 2HCl>CaCl2 + 2H2O;
NaOH + HCl>NaCl + H2O;
KOH + HCl>KCl + H2O;
CaO + HCl>CaCl2 + H2O;
K2CO3 + 2HCl>2KCl + H2O + CO2^;
KHCO3 + HCl>CO2^ + H2O + KCl.
2. Химические процессы утилизации с использованием воды
2.1. Технология утилизации с выделением кислорода:
4KO2 + 2H2O>4KOH + 3O2^;
4KO2 + 2CO2>2K2CO3 + 3O2^;
2NaO2 + 2H2O>2NaOH + H2O2 + O2^.
2.2. Технология утилизации с образованием щелочей:
CaO + H2O>Ca(OH)2;
Na2O + H2O>2NaOH;
K2O + + H2O>2KОН .
На основании предварительного обзора химических процессов сделаны выводы:
– реакции активных компонентов СС с соляной кислотой идут с выделением смеси кислорода и углекислого газа и образованием хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов;
– реакции активных компонентов СС с водой протекают с выделением кислорода и образованием хлоридов и едких щелочей;
– регенерация с использованием раствора соляной кислоты более эффективна и безопасна.
Материалы и методы исследования
Ниже приведены уравнения химических реакций основных компонентов регенеративных патронов в процессе эксплуатации. Активные компоненты патронов делятся на две части: одна часть веществ выделяет при работе кислород, другая – связывает углекислый газ.
1. Возможные пути выделения кислорода при работе самоспасателя (СС):
а) использование активных компонентов, содержащих надпероксиды калия и натрия (реакции 1–4):
4KO2 + 2H2O>4KOH + 3O2^; (1)
4KO2 + 2CO2>2K2CO3 + 3O2^; (2)
2NaO2 + 2H2O>2NaOH + H2O2 + O2^; (3)
4NaO2 + 2CO2>2Na2CO3 + 3O2^; (4)
б) использование активных компонентов, содержащих пероксиды натрия (реакции 5–6):
Na2O2 + H2O>2NaOH + + 1/2 О2; (5)
2Na2O2 + 2CO2>2Na2CO3 + O2^. (6)
2. Возможные пути поглощения CO2 и H2O компонентами самоспасателя без выделения кислорода (реакции 7–18):
а) активные компоненты – оксиды щелочных металлов:
Na2O + H2O>2NaOH; (7)
Na2O + CO2>Na2CO3; (8)
K2O + H2O>2KOH; (9)
K2O + CO2>K2CO3; (10)
K2O + CO2 + H2O>2KHCO3 ; (11)
б) активные компоненты – оксиды и гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов:
2NaOH + CO2>Na2CO3 + H2O; (12)
NaOH + CO2>NaHCO3; (13)
KOH + CO2>KHCO3; (14)
2KOH + CO2>K2CO3 + H2O; (15)
CaO + H2O>Ca(OH)2; (16)
CaO + CO2>CaCO3; (17)
Ca(OH)2 + CO2>CaCO3 + H2O. (18)
Из представленных схем химических процессов следует, что для полноценной работы СС необходимо одновременное присутствие веществ, выделяющих кислород и поглощающих воду и углекислый газ. Шахтные самоспасатели имеют определенные технические характеристики (табл. 3).
Таблица 3
Технические характеристики ШСС
|
№ п/п |
Техническая характеристика |
Значение характеристики |
|
1 |
Время защитного действия, мин: при передвижении |
30 |
|
2 |
Время защитного действия, мин: при отсиживании |
130 |
|
3 |
Температура вдыхаемого воздуха, °С, не более |
58 |
|
4 |
Масса, кг, не более |
1,5 |
|
5 |
Размеры, мм |
178х152х172 |
|
6 |
Срок службы, год |
4 |
Эксплуатация самоспасателей в течение предусмотренного гарантийного срока службы требует постоянного контроля за герметичностью корпуса (футляра) самоспасателя. Перед спуском в шахту обязательно проводится внешний осмотр самоспасателя.
Результаты исследования и их обсуждение
Для подтверждения предварительно полученных выводов проведены экспериментальные лабораторные исследования, основанные на измерении объемов газов с помощью специальной газометрической установки и на результатах титрометрического анализа полученных растворов.
Утилизация гранулированных компонентов регенеративных патронов СС марки Б-21 (гранулы) проведена тремя вариантами:
1 – регенерация с использованием воды;
2 – регенерация с использованием соляной кислоты (2,97 %);
3 – регенерация с использованием соляной кислоты (4,39 %).
Результаты испытаний представлены в табл. 4.
Таблица 4
Характеристика процессов утилизации гранул.
|
№ варианта |
Масса гранул, г |
Объем воды, мл |
Объем кислоты, мл |
Массовая доля кислоты, % |
С кислоты, моль/дм3 |
Плотность раствора, г/см3 |
Объем газа, мл |
|
1 |
0,445 |
20 |
– |
– |
– |
1,020 |
25 |
|
2 |
0,446 |
– |
20 |
2,97 |
0,83 |
1,013 |
15 |
|
3 |
0,445 |
– |
20 |
4,39 |
1,23 |
1,200 |
9 |
Из табл. 4 следует, что объемы выделившегося газа при использовании кислоты с концентрациями 4,39 и 2,97 моль/дм3 ниже в 2,8, в 1,7 раза соответственно, чем при использовании воды; доказано, что с повышением концентрации кислоты количество выделяемого газа (O2, CO2) уменьшается с одновременным повышением содержания хлоридов.
На основании проведенных исследований предложена технология утилизации активных компонентов регенеративных патронов СС с использованием растворов соляной кислоты. Проверена возможность применения полученных растворов хлоридов в качестве растворов для очистки дорог от ледяных покрытий в зимнее время.
Выводы
1. Выбран реагент для утилизации наполнителей самоспасателей.
2. В качестве оптимального реагента для утилизации выбран водный раствор соляной кислоты с концентрацией 5 %.
3. Реакция кислотной утилизации является высокоскоростной, вызывает бурное выделение газов, среди которых наиболее опасным является молекулярный кислород.
4. Для безопасного проведения процесса утилизации наполнителей СС при организации местной вытяжки необходимо строгое соблюдение правил техники безопасности с использованием индивидуальных средств защиты (очки, противогаз, фартук, перчатки).