II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ ОРГАНОВ ДЫХАНИЯ ОТ УГАРНОГО ГАЗА
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В ближайшее время основными задачами в области усовершенствования средств индивидуальной защиты органов дыхания будут: а) повышение надёжности; б) повышение коэффициента защиты; в) повышение времени защитного действия; г) уменьшение микроклиматических условий дыхания; д) облегчение работы в экстремальных условиях
Развитие средств защиты органов дыхания направлено в первую очередь на увеличение срока защитного действия. Принцип, положенный в основу средств защиты базируется на фильтрующих, адсорбционных и каталитических свойствах материалов.
Но поскольку адсорбенты, применяемые в средствах индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) имеют ограниченную адсорбционную емкость, адсорбционный процесс носит обратимый характер, то все более перспективным является каталитический принцип обезвреживания токсичных компонентов вдыхаемого воздуха.
Актуальность работы обусловленная тем, что имеющиеся средства защиты органов дыхания человека от угарного газа имеют громоздкий вид и обладают низкой эффективностью по защите человека, кроме того они не приспособлены для обеспечения защиты пострадавшего в пожаре от угарного газа так как их доставка пострадавшим невозможна из-за большого веса.
Цель работы разработать простейшие технические средства защиты органов дыхания человека от угарного газа на основе имеющихся респираторов РПГ-67.
Целевая установка достигается путем решения следующих задач: а) разработка композитной насадки на респиратор РПГ-67; б) производство (печать) насадки на 3D принтере; в) подбор катализатора (реагентов) для нейтрализации угарного газа (монооксида углерода, СО).
1 Средства защиты органов дыхания человека от угарного газа
Основные функции средств индивидуальной защиты органов дыхания:
-
в качестве дежурных средств (в состоянии наготове) в случаях возможного риска возникновения аварий;
-
для периодического использования при отдельных трудовых операциях в периоды превышения уровней ПДК или при опасности снижения содержания кислорода в окружающем воздухе;
-
для постоянного использования.
При выборе средств индивидуальной защиты органов дыхания должны учитываться следующие 5 основных групп критериев: 1) Качественный состав, агрегатное состояние и количественное содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны. 2) Специфика выполняемых рабочим производственных операций (категория тяжести работ). 3) Показатели микроклимата рабочей зоны. 4) Назначение и принцип действия СИЗОД. 5) Конструктивные особенности СИЗОД.
Марки СИЗОД установлены в национальных стандартах, а состав вредных газов и паров в воздухе рабочей зоны определяется во время проведения аттестации рабочих мест.
Существуют два различных метода обеспечения индивидуальной защиты органов дыхания от воздействия окружающей воздушной среды:
-
очистка воздуха (фильтрующие СИЗОД);
-
подача чистого воздуха или дыхательной смеси на основе кислорода от какого-либо источника (изолирующие СИЗОД).
Фильтрующие СИЗОД
Фильтрующие средства защиты - это промышленные противогазы с фильтрующими коробками различных марок (в зависимости от концентрации и состава вредных примесей) и фильтрующие респираторы.
Фильтрующие СИЗОД могут применяться в случаях, если содержание кислорода больше 17%; если количественное содержание газов и паров вредных веществ в воздухе рабочей зоны не превышает 1,0% по объему; если вещество не относится к перечню особо опасных
Изолирующие СИЗОД (дыхательные аппараты)
Подразделяются на шланговые (неавтономные ДА) и автономные ДА.
Первые изолируют органы дыхания только от воздуха, находящегося в зоне рабочего места, вторые - полностью от окружающего воздуха.
Принцип действия шлангового противогаза основан на том, что рабочий, находясь в газоопасном пространстве, получает под маску чистый воздух из зоны, где не содержатся вредные вещества.
Автономные дыхательные аппараты обеспечивают замкнутый регенеративный цикл дыхания, полностью изолированный от внешней среды. Выделяемые с выдыхаемым воздухом СО2 и Н2О поглощаются специальным поглотителем. Израсходованный при дыхании кислород пополняется из находящегося в баллонах запаса сжатого воздуха или кислорода.
1.2 Средства индивидуальной защиты органов дыхания на основе катализаторовСреди средств индивидуальной и коллективной защиты, включающих катализаторы, известны патроны к противогазу.
Примером типичного катализатора является гопкалит. Гопкалит предназначен для снаряжения средств индивидуальной (гопкалитовые патроны ДП-1, ДП-2, фильтрующе-поглощающие коробки промышленных противогазов марок СО и М) и коллективной защиты, обеспечивающих защиту людей от оксида углерода.
Гопкалит представляет собой гранулированный продукт в виде механической смеси диоксида марганца и оксида меди. Он окисляет оксид углерода до диоксида углерода при положительной температуре и содержании кислорода в воздухе в пределах 16 – 18 %.
Окисление оксида углерода сопровождается выделением большого количества тепла. Каталитическое действие гопкалита зависит от температуры. При температуре воздуха, приближающейся к нулю, защитное действие гопкалита снижается, а при температуре минус 10 – 15 оС и ниже прекращается.
Гопкалитовый патрон ДП-1 может применяться при концентрации оксида углерода не более 1,0 % и только в исключительных случаях в течение короткого времени при концентрации до 2,0 %. В противном случае должны использоваться изолирующие дыхательные аппараты.
В связи с этим, перспективными являются поиски катализаторов нового поколения, способствующих увеличению времени защитного действия и обеспечивающих детоксикацию вредных веществ различных классов.
2 Разработка средств защиты от угарного газа 2.1 Разработка композитной насадки на респиратор РПГ-67Для создания различного рода насадок из полимерных материалов, как правило, используют прессы. Данный способ изготовления насадок удобен для массового промышленного производства, для единичных экспериментальных исследований и создания опытных образцов нами приложено использование 3D принтера.
Однако данный респиратор со сменными сорбционными патронами не способен эффективно защищать от вредного воздействия ряда веществ и в частности от СО. Нами предлагается использовать простейшее техническое устройство (насадку) для расширения защитных свойств респиратора.
Насадка изготавливалась на 3D принтере Ultimaker2 из полилактида (Рис.1,2). Насадка надежно крепится на сорбционном патроне за счет крепежного механизма (защелок) (Рис 3). Внутрь пластмассовой насадки помещаются диски нетканого волокна на основе ПАН-ПВДФ, пропитанного нейтрализаторами (окислителями) монооксида углерода. Дополнительно свободный объем насадки может заполняться цеолитом, Al2O3, гидроксидом алюминия Al(OН)3 + бемитAlO(OH), а также хлористым палладием и оксидом меди. Эффективность окисления СО нейтрализующими компонентами насадки оценивали с помощью детектора (Рис.4). Получены результаты, свидетельствующие о высокой эффективности защитных свойств разработанной насадки от монооксида углерода.
|
Рис.1 3D принтер Ultimaker2 |
Рис.2 Насадка для патрона РПГ-67 |
|
Рис. 3 Насадка и патрон в сборе |
Рис.4 Газовый детектор на СО |
2.2 Разработка катализатора для 3D- насадки
Для реализации целевой установки по нейтрализации угарного газа или монооксида углерода, нами использовались окислители переводящие монооксид в диоксид углерода. Диоксид углерода менее опасен и содержится в атмосфере в сравнительно больших количествах. Для этого внутрь пластмассовой насадки помещаются диски нетканого волокна на основе полиакрилонитрила (ПАН) и поливинилиденфторида (ПВДФ) пропитанного нейтрализаторами (окислителями) монооксида углерода.
Полиакрилонитрил (ПАН) - умеренно гидрофильные мембраны на основе сополимеров акрилонитрила, отличающиеся высокой устойчивостью к действию жиров, нефтепродуктов. Вместе с тем мембраны из ПАН менее устойчивы к воздействию сильных кислот и щелочей, чем мембраны из полиамида и, тем более, из полисульфона.
Все современные мембраны – композиционные и состоят из нескольких слоев, выполненных из различных материалов. Эффективность разделения и производительность обеспечивается разделительным слоем, а их химическая и температурная стойкость – всеми использованными материалами. При обширном выборе материалов для подложки и поддерживающих слоев выбираются наиболее химически стойкие. В этом случае лимитирует стойкость разделительный слой.
Поливинилиденфторид (ПВДФ, сополимер ТФЭ с винилиденфторидом, фторопласт-42)– обладает меньшей химической и термической стойкостью, чем фторопласт-4, но термопластичен и может обрабатываться литьем. Он растворим в органических растворителях. ПВДФ гидрофобен, мало загрязняется, имеет высокую стойкость к хлору – до 2000 г/(ч·л), рабочий диапазон рН – от 2 до 11. Используется в качестве разделительного слоя в микрофильтрационных фторопластовых композиционных гидрофобных мембранах. Выпускается в виде комбинированной пленки на подложке из нетканых материалов (полипропилен, лавсан) с размером пор 0,15, 0,25, 0,45 и 0,6 мкм и общей пористостью 80–85 %. Поддается гофрированию, устойчив к действию сильных и слабых кислот; выдерживает стерилизацию автоклавированием и излучением; рабочий диапазон рН – от 1 до 13. Дополнительно свободный объем насадки может заполняться цеолитом, Al2O3, гидроксидом алюминия Al(OН)3 + бемитAlO(OH), а также хлористым палладием и оксидом меди.
Исследования проводились на сорбционном патроне респиратора РПГ-67 В1. Сорбционный патрон к респиратору РПГ-67 марки В1 применяется для защиты от неорганических газов и паров (фтор, хлор, бром, сероводород, синильная кислота, хлорциан, сероуглерод и др.) (Таблица 1). Однако, данный вид патрона, также как и остальные (Таблица 2) защищает человека от многих опасных веществ, но не от оксида углерода. Следует отметить, что ПАН-ПВДФ могут выступать в качестве противоаэрозольного фильтра, который отсутствует в сорбционном патроне В1.
Таблица 1.
|
Наименование показателя |
Значениепоказателя |
|
Сопротивление воздушному потоку при расходе 30 дм куб./мин |
не более 100 Па |
|
Противоаэрозольный фильтр |
отсутствует |
|
Гарантийный срок хранения |
не менее 3 лет |
|
Температурный диапазон использования |
от -40 до +50 °С |
|
Время защитного действия по тест-веществу |
|
|
хлор при концентрации 3,0 мг/дм куб. |
не менее 20 мин. |
|
сероводород при концентрации 1,4 мг/дм куб. |
не менее 40 мин. |
Таблица 2.
|
Марка |
Маркировка фильтрующих патронов |
Перечень вредных примесей, от которых защищает данная марка респиратора отдельно и в смеси |
Время защитного действия при концентрации |
||
|
0,2 мг/л |
0,04мг/л |
||||
|
А |
РПГ-67-А |
Пары органических соединений |
Бензол С=10мг/л 60 мин. |
38 час. |
144 час. |
|
В |
РПГ-67-В |
Кислые газы |
Сернистый ангидрид С=2мг/л 30 мин. |
11 час. |
56 час. |
|
Г |
РПГ-67-Г |
Пары ртути, ртутноорганические ядохимикаты на основе этилмеркурхлорида |
Пары ртути О0,01мг/д 20час. |
Не более 20 час. |
Не более 20 час. |
|
КД |
РПГ-67-КД |
Аммиак, сероводород и их смеси |
Аммиак С=2мг/л 30 мин. Сероводород С=2мг/л 30 мин. |
8 час. |
28 час. |
Для оценки сорбционных свойств сорбционного патрона РПГ-67 по СО без насадки и с ней, нами отбиралась характеристические слои адсорбционного патрона В1. Отбор осуществлялся с помощью специального ножа (Рис.5) и насадок (Рис. 6)
Рис.5. Нож для отбора характеристической пробы
Рис 6. Устройство для отбора характеристического слоя патрона
Отобранные образцы сорбционного слоя сорбента помещались в полиэтиленовые трубки (Рис.7) или специальные сорбционные патроны (Рис.8).
Рис.7 Сорбционные трубки
Рис.8. Сорбционные патроны
Во входящую часть сорбционного патрона или трубки помещали исследуемые катализаторы (нейтрализаторы) (Рис.9)
Рис. 9 Катализаторы (нейтрализаторы)
Сквозь исследуемые сорбционные материалы (катализаторы) пропускали монооксид углерода из баллона (Рис.10).
Рис. 10 Баллон с СО
Эффективность окисления СО нейтрализующими компонентами насадки оценивали с помощью детектора.
В табл. 3 представлены результаты исследований оценки защитных свойств известных сорбционных материалов из РПГ-67 и предлагаемых нами.
Таблица 3.
|
Сорбент (катализатор) |
Длина сорбционного слоя КАУСОРБ-212,см |
Длина слоя катализатора(Fe3O4-KMnO4- 1:1), см |
Расход газа (СО),мл/н |
Время срабатывания детектора, мин |
|
Уголь активированный кокосовый марки КАУСОРБ-212 (Патрон В1) |
8 |
0 |
1 |
3 |
|
Уголь активированный кокосовый марки КАУСОРБ-212 (Патрон В1) + Катализатор (Fe3O4-KMnO4) |
8 |
2 |
1 |
11 |
|
Катализатор(Fe3O4-KMnO4) |
0 |
8 |
1 |
20 |
|
Катализатор(Fe3O4-KMnO4) |
0 |
10 |
1 |
25 |
|
Уголь активированный кокосовый марки КАУСОРБ-212 (Патрон В1) |
10 |
0 |
1 |
4 |
Полученные результаты, свидетельствуют о высокой эффективности защитных свойств разработанной насадки от монооксида углерода.
Использование одного катализатора в сорбционном патроне защитит человека на продолжительное время от угарного газа, но, на наш взгляд, не будет эффективным для защиты от остальных вредных веществ.
Таким образом, перспективным направлением является сочетание активированного угля в сорбционном патроне с предлагаемым катализатором в разработанной насадке. Заключение
В ходе исследуемой работы, нами было разработано простейшие технические средства защиты органов дыхания от угарного газа на основе имеющихся респираторов РПГ-67 и композитной насадки.
Осуществили производство (печать) насадки на 3D принтере и подбор катализатора (реагентов) для нейтрализации угарного газа (монооксида углерода CO)
Выявили, что перспективным направлением является сочетание активированного угля в сорбционном патроне с предлагаемым катализатором в разработанной насадке.
Авторы выражают благодарность сотрудникам Волгоградской Академии МВД РФ и центру ЦМИТ «ТИР» за техническую поддержку.
Список используемой литературы и источников1.Бодягина К.С., Кайргалиев Д.В., Мельников И.Н., Пичхидзе С.Я. К вопросу о детоксикации паров ртути //Прогрессивные технологии и процессы: сб. науч. ст. 2-й Междунар. молодежной науч.-практ. конф.: в 3-х томах. Курск, 2015. С. 151-154.
2. Мельников И.Н., Осипова Е.О., Пичхидзе С.Я. Фильтрующе-сорбирующий материал по детоксикации угарного газа. Воронеж: ВГУ. 2015. - 4с.
3. Методы исследования в криминалистическом материаловедении / М.Ю. Захарченко, И.Н. Мельников, Д.В. Кайргалиев // Под ред. С.Я. Пичхидзе. Саратов, 2015. 195 с.
4. Осипова Е.О., Мельников И.Н., Пичхидзе С.Я. Разработка фильтрующего сорбирующего материала по детоксикации угарного газа. Балаково: БИТИ, 2015. – 3с.
5. Патент ЕР №0238700 от 23.01.91, патент РФ № 2267354 от 27.08.2004, патент РФ № 2428252 от 03.02.2010, патент РФ № 2530890 от 02.07.2013.