密闭空间内空气调节装置的研究

探索最优的O2制取，通过实验明确低浓度CO2的去除，采用模拟舱监控系统实时测定舱内CO2浓度，并绘制曲线，找出最高浓度值，结合工业常见的CO去除方法和实验舱内实际情况，确定合适的实验方案。

1. 选题背景

煤矿事故的频繁发生，事故死亡率高的现状已经成了制约我国煤矿行业发展的一个重要影响因素。当煤矿事故发生后，井下缺少可供呼吸的氧气，充斥着各种有毒有害气体，由于现有自救器无法提供有效的、长时间的防护，因此目前煤矿事故的死亡率极高。提供一个有效的避难空间对于减少煤矿事故伤亡有着十分重要的意义。在南非矿山，可移动式救生舱应用的SurvivAir-E型生氧过滤器是一种具有生氧与过滤CO2双重功效的装置，曾在国际矿业展览会上获得金奖。空气调节系统将氧气供给和二氧化碳去除一体化，在密闭空间的环境里可以满足人体的正常呼吸需求，同时不至于产生各种有毒有害气体，为灾后创造一个良好的生存环境。此系统应用于密闭空间内，可有效地提高氧气的使用率。在矿井下、深海里等各种极端、恶劣的密闭环境里可有效地保护人员的生命安全，将产生深远的社会效益。而目前随着人民生活水平的提高，对于氧舱疗养的兴趣日益增大，其产生的经济效益也不可估量。

2. 方案论证

2.1 氧气生成

选用过（超）氧化物作为供氧剂，并且根据井下不同劳动情形下的呼吸空气量和氧气消耗量来计算供氧剂的理论用量：

在井下救生舱中工人是不需要劳动的，可认为是处于休息状态，那么每人一天需要氧气的量为288L～576L, 约12.9mol～25.8mol(0.41kg～0.83kg)，地面上成年人每天需氧量约为0.9kg。

如果采用过氧化氢溶液制取氧气，假设舱内容纳5个人（5个人对氧气的需求状况基本相同），则每天需过氧化氢的量为4.4kg～8.8kg。

如果采用过(超）氧化物制取氧气，如超氧化钾，则每天需超氧化钾的量为6.1kg～12.2kg，同时也可以吸收部分二氧化碳气体。

最后，在制氧技术方面我们还联想到目前各国使用的压风自救系统，如果将其与井下救生舱相连，便可在矿井发生灾变时及时向舱内输送新鲜空气。压风自救系统作为一种新型的自救措施，现在已经普遍使用。由于单独使用该系统会有许多缺陷，我们考虑如果将其与矿用可移动式救生舱相连接会产生很好的效果。不过，对于矿井发生煤尘与瓦斯爆炸后的气体管道是否会受到损坏这一问题，还具有不确定性。而且这个系统在中国还无法实现救人的目的，但这个思路确实很有前途。

2.2 二氧化碳的吸收

我们首先想另辟蹊径，不首先使用普遍的化学吸收方法，而是采用生物吸收法：

1仙人掌：现代科学发现，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气放出CO2，到夜晚才吸收CO2吐出O2，正好能弥补夜晚居室的O2不足。

实验方案 ：制作小环境测量仙人掌一天CO2的吸收量，然后计算舱内所需栽培的数量。

2.水绵：可大量繁殖，为河道污染物，在蓝紫光和红橙光照射情况下光合作用明显。优点：藻类植物生命力极强，繁殖快，且抑制其生长方便，好控制；缺点：无法去除藻腥味，对人体舒适度有影响。

实验方案：可用鱼缸作为容器，空气循环装置选用鱼缸内的造气装置进行室内循环。这种生物吸收法可以说是一种很大胆的尝试，但不可以作为主流方法，也不可以大量使用，否则会对人体正常生理状况造成不良影响。经反复讨论，最终决定仍采用化学吸收法，吸收剂选用钠石灰，该试剂具有吸收效果好，廉价等优点，并且可以直接在模拟救生舱内进行实验。

2.3一氧化碳的吸收

目前，关于工业产生的一氧化碳气体的吸收有许多种方法。结合实验室的特点，一氧化碳低温催化氧化在实际生活中已经得到广泛应用，方法也比较简单。所选用的催化剂主要分为贵金属催化剂、非贵金属催化剂、以分子筛为载体的催化剂等。选用不同催化剂吸收一氧化碳的实验条件不同，吸收效率也不同，本实验选用最简单的铜催化剂：

Cu催化剂 Huang等认为氧化铜物种的催化活性可以根据相变和转移晶格氧的能力来阐述。Cu2O有改变化学价态的倾向，并具备夺取或释放表面晶格氧的能力，催化活性比Cu或CuO高。还原过程中生成非化学计量比Cu物种具有优良的转移表面晶格氧的能力，催化活性高于CuO。

该方案在常温下便可正常进行，具有一定的可行性。

3. 研究方法

3.1 氧气生成

确定氧气最佳制取方法，结合井下密闭空间实际情况确定最佳供氧方案。

3.2 二氧化碳的吸收

方案设计如下：本实验在矿用模拟救生舱进行，吸收剂选用钠石灰。实验前先记录实验初始数据，如风机参数、舱内二氧化碳浓度、舱内温度等。模拟舱内安装有气体传感器，可以实时测定舱内各种气体的体积分数，如O2、CO、CO2、H2S等，如右图所示：

然后在舱内铺好药品，接通风机电源，打开CO2气瓶，调节流速。并以四人正常呼出的CO2的量为参照标准，调节CO2流速为：1.6L/min，以后保持每次实验流速不变，最后根据模拟舱监控系统实时监测气体曲线。（注：舱内CO2浓度达到1%时会报警）

3.3 一氧化碳的吸收

3.3.1 一氧化碳吸收液的制备

称取54gCuCl和60gNH4Cl，加入200ml蒸馏水中，搅拌成混浊液，加入浓氨水搅拌至溶液澄清，然后将其灌入吸收瓶，在配制溶液时可能发生氧化作用，溶液如呈黑色或绿黑色，就不能用，应先用Cu或SnCl2使其复原，被复原后的溶液呈稻黄色。

用氯化亚铜氨溶液吸收CO：

CuCl + 2CO == CuCl•2CO

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

3.3.2 利用Cu催化剂吸收一氧化碳

利用CO催化剂吸收率测定装置，进行CO的吸收测定。

4. 研究成果

4.1 氧气生成

采用化学氧法，供氧剂宜选用过(超）氧化物；若考虑井下密闭空间实际情况，最有效的手段仍是利用氧气瓶。

4.2二氧化碳的吸收

研究钠石灰是否可以达到吸收CO2的目的，本实验对放药品前后两种情况下测定CO2的体积分数。相关实验参数：风机：U：24.1V I：0.620A

舱内温度：13.1℃

舱内CO2初始浓度：0.07%

CO2通气量：1.6L/min

放药品后舱内CO2平均增长速率为0.0152/min；放药品前舱内CO2平均增长速率为0.023/min；停止通入二氧化碳后舱内CO2平均下降速率为0.03625/min；由图表可知：该药品（钠石灰）使舱内CO2平均增长速率减慢，可以达到吸收目的。

对于钠石灰吸收CO2效果的研究，我们考虑了钠石灰的铺展程度对去除效果的影响，主要分为充分铺展和未充分铺展两种情况，分别实验比较其吸收效果：

由该图可以计算出：舱内CO2体积分数平均增长速率为0.024/min（钠石灰充分铺展）

舱内CO2体积分数平均增长速率为0.034/min（钠石灰未充分铺展）

由此可见，钠石灰的铺展程度对CO2吸收效果有一定影响，而且铺展越充分，药品与CO2接触面积越大，吸收效率越高，效果越好。

整体考虑钠石灰对CO2吸收效果，并找到舱内CO2体积分数的最高点，并绘制吸收曲线，模拟救生舱CO2初始浓度为0.03%，舱内温度为11.9℃。实验曲线如下：

由该曲线可知：当向舱内持续通入CO2（1.6L/min)时，舱内CO2最高浓度可达到5.18%，然后CO2浓度开始下降。该曲线可以很好的拟合成二次曲线，R2值接近于1，且拟合出的二次方程为: y ＝ -2E-05x2 + 0.0204x - 0.0623，式中y表示舱内CO2体积分数，x表示数据点，每个点与时间是一一对应的，两个相邻点间隔时间是1min。（注：本实验时间：2010.3.13 9:10～19：06，持续10个小时，并在17：28时达到最高值。）

本实验前后药品颜色对比如右图所示：

由此可见实验前钠石灰为粉红色，试验后几乎变为白色，本实验反应比较充分。

实验后药品整体效果：

可见还有许多钠石灰反应不完全，因为试验中舱门一直处于关闭状态，并没有定时去搅拌药品，导致不同部位钠石灰接触气体程度不同，反应速率不一致。

4.3 一氧化碳的吸收：

通过对络合物（氯化亚铜氨溶液）和铜催化剂吸收CO的特点的研究确定了理论的实验方案。

利用铜催化剂进行CO吸收实验的研究成果：

根据以上试验结果，该铜催化剂的吸收率应为98.9%。根据煤炭行业标准内的矿下工作时空气中CO的含量不能超过50ppm计算，可能进入舱内的CO的最高值为3.375L，一氧化碳的密度为1.25g/L，则一氧化碳的产生量0.0042Kg，因此救生舱内消耗量为0.0042Kg。

5. 结论

本文针对我国目前煤矿事故多发，救援困难的情况，提出了利用煤矿救生舱来进行应急救援的想法。主要研究成果概括如下：

1.确定了O2最优制取方法及可行性，主要采用过（超）氧化物吸收，并结合压风自救系统与井下救生舱相结合。

2.研究并确定了低浓度CO2吸收方法，并绘制出吸收曲线。通过实验确定了救生舱最高CO2浓度为5.18%，然后开始下降。

3.通过对络合物（氯化亚铜氨溶液）和铜催化剂吸收CO的特点的研究确定了理论的实验方案并实验得出铜催化剂吸收效率。

（作者单位：北京科技大学土木与环境工程学院）