Очистка воздуха в противогазах

Применяющиеся в горном деле противогазы служат для защиты органов дыхания человека от вредных примесей воздуха. Примеси эти могут быть газообразными, парообразными или взвешенными в виде мелких твердых частиц дыма или пыли, которые носят общее название аэрозолей.

В противогазах воздух от вредных примесей очищается фильтрацией, т. е. просасыванием его через такие вещества, которые, свободно пропуская воздух, необходимый для дыхания, задерживают или обезвреживают вредные примеси химическим или механическим путем. Очистка воздуха в противогазах от вредных газов и паров производится физико-химическими способами, которые носят общее название сорбции, очистка от аэрозолей — физическим и механическим путем с применением противопылевых или противодымных фильтров.

Вещества, служащие для сорбции газов или паров, носят общее название сорбентов или поглотителей.

В фильтрующих противогазах поглотители служат для очистки окружающего воздуха от вредных примесей — окиси углерода, окислов азота, сернистого газа, сероводорода.

В изолирующих регенеративных противогазах поглотители применяются для очистки воздуха, циркулирующего внутри противогаза, от продуктов газообмена, т. е. главным образом от углекислого газа, и регенерации этого воздуха, т. е. восстановления его первоначального состава, пригодного для дыхания.

Классификация поглотителей и сорбционных процессов

В современных противогазах газы и пары из воздуха сорбируются твердыми, измельченными — гранулированными или дроблеными телами, которым придают значительную поверхность соприкосновения с очищаемым воздухом.

В настоящее время различают сорбционные процессы четырех видов:

адсорбцию — уплотнение газа на поверхности пор поглотителя (адсорбента) в результате сил притяжения, действующих на молекулы газа со стороны молекул или ионов поглотителя;
абсорбцию — диффузию (проникновение) газа в массу вещества поглотителя, в результате которой образуется твердый раствор в сорбенте;
капиллярную конденсацию паров в порах поглотителя, происходящую вследствие понижения упругости пара под действием сил поверхностного натяжения (капиллярных сил);
хемосорбцию — химическое взаимодействие газа или пара с твердым телом.

Процессы всех четырех видов объединяются общим понятием сорбции (поглощения) газов.

Обычно ни одного из перечисленных выше процессов не удается наблюдать в чистом виде, в большинстве случаев одновременно протекают два или более процессов сорбции газа и пара твердым поглотителем.

Так, например, при поглощении кислорода углем, помимо явлений адсорбции и абсорбции, происходит еще и процесс хемосорбции, так как под влиянием соприкосновения угля с кислородом происходит химическая реакция окисления.

Наконец, капиллярная конденсация может сопровождать все вышеперечисленные случаи сорбции, когда сорбируемое вещество является паром (т. е. газом, находящимся при температуре ниже критической), смачивающим в сжиженном состоянии стенки пор сорбента, и когда диаметр пор поглотителя достаточно мал. В качестве примера, когда основную роль в процессах сорбции играет, повидимому, капиллярная конденсация, можно привести поглощение водяных паров силикагелем.

По роду химической реакции химические поглотители можно разделить на четыре группы:

основные хемосорбенты, реагирующие с кислыми газами, в том числе с углекислым газом;
кислые хемосорбенты, сорбирующие основные газы и пары, например пары аммиака;
окисляющие хемосорбенты, например гуламит (пемза, пропитанная пятиокисью иода, растворенной в серной кислоте) для окисления окиси углерода в относительно безвредный углекислый газ;
хемосорбенты, дающие при реакции с некоторыми газами или с парами комплексные соединения, т. е. сочетания двух или нескольких молекул, из которых каждая способна к самостоятельному существованию.

Таким хемосорбентом является, -например, хлористый кальций, который при реакции с водой образует соединения CaCl₂·2H₂O и CaCl₂·6H₂O (двухводный и шестиводный хлористый кальций).

Наконец, особую группу веществ, применяемых для очистки воздуха от вредных примесей, представляют катализаторы. Основная роль их заключается в активизации окисления газа за счет кислорода воздуха, причем собственно катализаторы (окислы металлов) при этом играют роль переносчиков кислорода, и по окончании реакции окисления состав их остается почти неизменным.

Работу катализаторов, в частности используемого в горноспасательном деле гопкалита (смеси окислов MnO₂ и CuO), при очистке воздуха от окиси углерода, можно рассматривать как процесс, состоящий из четырех звеньев:

а) адсорбции окиси углерода поверхностью металлического окисла;
б) окисления окиси углерода на поверхности катализатора в углекислоту (CO₂), причем активные точки зерен катализатора, адсорбировавшие окись углерода, восстанавливаются за счет изомерного превращения MeO·CO в Me·OCO (Символом Me обозначается металл, образующий окисел);
в) десорбции углекислоты с поверхности катализатора;
г) окисления восстановленных активных точек катализатора кислородом воздуха, благодаря чему катализатор переходит к первоначальной степени окисления.

Процесс окисления СО двуокисью марганца может быть схематически изображен следующими формулами:

СО+МnO₂ = CO₂+MnO
2MnO+O₂ = 2MnO₂.

Таким образом, в процессе работы катализатор непрерывно восстанавливается и затем снова окисляется кислородом воздуха, причем в интересующих нас катализаторах, применяемых для защиты от окиси углерода, заметного обеднения кислородом даже после многих часов работы не наступает.