8.1.3 Основы регенерации воздуха

Содержание основных газов в сухом воздухе при нормальных условиях (0 С и 101 кПа) в объемных долях составляет: азот – 78,04 %, кислород – 20,93 %, углекислый газ – 0,03 %, инертные газы, в основном аргон – 1 %.

Примерный состав выдыхаемого человеком воздуха при температуре 37 С и относительной влажности 100 % в объемных долях следующий: азот и инертные газы – 74,8 %, кислород – 15,2 %, углекислый газ – 3,8 %, водяные пары – 6,2 % (это соответствует содержанию водяных паров около 40 г/м³).

Дыхание – это совокупность процессов, которые обеспечивают поступление кислорода в организм человека и выделение из него углекислого газа и влаги (внешнее дыхание), а также использование кислорода клетками и тканями для окисления органических веществ с освобождением содержащейся в них энергии, необходимой для жизнедеятельности (тканевое дыхание). В обычных условиях организм человека получает свободный кислород непосредственно из атмосферного воздуха. Количество выдыхаемого воздуха несколько меньше, чем вдыхаемого, так как часть образованной при окислении органических веществ воды выделяется организмом в виде пота и мочи.

Интенсивность лёгочного газообмена определяется в целом потребностью организма в кислороде и может быть увеличена за счет учащения и углубления дыхания. Нарушение процесса лёгочной вентиляции может привести к кислородной недостаточности. Потребность организма в кислороде зависит от интенсивности совершаемой работы, от характера физической нагрузки.

Для характеристики дыхания человека существует несколько количественных показателей, которые учитываются при обосновании требований, разработке, конструировании изолирующих дыхательных аппаратов. С увеличением интенсивности физической нагрузки возрастает как количество потребляемого кислорода, так и количество выделяемого углекислого газа. Кислород, поступающий в легкие, только частично поглощается кровью, но для нормального функционирования организма при выполнении работ выше средней тяжести необходимо поддерживать концентрацию кислорода в дыхательной смеси не менее 18 %.

Количество воды, выделяемое организмом при выдохе, также возрастает при увеличении физической нагрузки. Так при лёгкой физической нагрузке количество влаги, выделяемое за 1 ч работы, составляет 30 - 50 г, при тяжёлой – около 200 г.

Важным показателем, характеризующим газообмен, служит дыхательный коэффициент К_Д, под которым понимают отношение объема выделяемого из организма углекислого газа СО₂, к объему поглощаемого за то же время кислорода О₂.

_(8.1)

Значение дыхательного коэффициента зависит от индивидуальных особенностей человека и физической нагрузки. У здорового человека в покое он равен примерно 0,8 и при возрастании интенсивности физической нагрузки увеличивается, приближаясь к 1.

Для регенерации дыхательной смеси – пополнения её кислородом и очистки от продуктов жизнедеятельности организма: углекислого газа и воды – в изолирующих дыхательных аппаратах на химически связанном кислороде применяются регенеративные продукты, которые при поглощении углекислого газа и паров выделяют кислород.

Одним из показателей для оценки регенерирующей способности таких кислородосодержащих продуктов служит коэффициент регенерации К_Р. Он равен отношению объема выделенного регенеративным продуктом кислорода О₂, к объему поглощенного при этом углекислого газа СО₂.

_(8.2)

Значение коэффициента регенерации зависит от химического состава соединения, взаимодействующего с углекислым газом, и условий протекания химической реакции.

С учетом необходимости обеспечения дыхания при любых физических нагрузках и соответствующих им значений К_Р к использованию в изолирующем дыхательном аппарате пригодны регенеративные продукты, которые имеют коэффициент регенерации не менее 1,25. Это значение рассчитывается по минимальному значению дыхательного коэффициента. Следовательно, для обеспечения нормального дыхания можно использовать только регенеративные продукты, которые способны в заданных условиях протекания химических реакций при поглощении 1 моля углекислого газа выделить не менее 1,25 моля кислорода. К химическим соединениям, удовлетворяющим требованиям по коэффициенту регенерации при определенных условиях протекания химического воздействия, относятся надперекиси натрия и калия.

Численное значение коэффициента регенерации можно оценить, если известно уравнение химической реакции, описывающее взаимодействие выбранного химического соединения с углекислым газом при заданных условиях. Для этого используют коэффициенты химического уравнения, которые соответствуют количеству прореагировавших молей СО₂ и молей выделенного в молекулярном виде О₂.

В таблице 8.1 приведены значения дыхательной функции человека.

Таблица 8.1 – Значения элементов дыхательной функции человека

Состояние организма	Объём лёгочной вентиляции, л/мин	Частота дыхания, мин-1	Глубина вдоха, л	Поглощение кислорода, л/мин	Выделение углекислого газа, л/мин	Дыхательный коэффициент, КД
Относительный покой	8	16	0,5	0,3	0,24	0,80
Умеренный марш	40	18	2,2	1,8	2,50	0,87
Переползание	50	22	2,0	1,9	1,70	0,89
Бег или перебежка	60	33	2,7	2,7	2,40	0,90

Другим важным показателем, характеризующим пригодность кислородосодержащих химических соединений и регенеративных продуктов на их основе к использованию в изолирующих дыхательных аппаратах, является содержание «активного» кислорода.

Под «активным» кислородом понимается кислород, способный выделиться в газообразном пригодном для дыхания состоянии, в частности, при реакциях взаимодействия кислородосодержащих соединений с углекислым газом и парами воды. Содержание «активного» кислорода выражается в массовых процентах и может быть вычислено из отношения массы выделившегося кислорода к массе прореагировавшего кислородосодержащего соединения:

2 КО₂ + СО₂ = К₂СО₃ + 1,5 О₂ (К_Р = 1,5)

_(8.3)

2 NaО₂ + H₂О = 2NaОH + 1,5 О₂ (К_Р = 1,5)

_(8.4)

Содержание «активного» кислорода больше у надперекиси натрия (43,6 %), чем у надперекиси калия (33,8 %). Однако одного этого преимущества недостаточно, чтобы при определении возможности использования данных химических соединений в составе регенеративных продуктов отдать предпочтение надперекиси натрия. Для использования в изолирующем дыхательном аппарате необходимо учитывать и другие свойства надперекисей, например, физико-химические и механические свойства, а также термостойкость и условия протекания химических реакций.

В регенерируемой газовой смеси содержание кислорода не должно быть меньше 18 % (по объёму) и содержание углекислого газа не должно превышать 2 % (по объёму). На рисунке 8.1 показано типичное изменение содержания O₂ и CO₂ в газовой смеси от продолжительности работы в ИДА на химически связанном кислороде. Как видно из приведённого рисунка, требования по содержанию кислорода и углекислого газа в дыхательной смеси выполняются. Небольшой пик на кривой, отражающей изменение концентрации кислорода в дыхательной смеси в начальный момент пользования ИДА, связан с периодом срабатывания пускового устройства и выделения кислорода из пускового брикета. Пусковой брикет разлагается в течение 1 - 1,5 мин и выделение кислорода не связано с реакцией взаимодействия с углекислым газом.

В некоторые периоды работы в ИДА концентрация кислорода может составлять 90 - 95 %.

Углекислый газ сначала поглощается полностью, потом с течением времени его концентрация начинает увеличиваться, но не превышает пределов допустимого.

Рисунок 8.1 – Зависимость содержания кислорода и углекислого газа в дыхательной смеси от времени работы в изолирующем дыхательном аппарате на химически связанном кислороде