探索最優(yōu)的O2制取，通過實驗明確低濃度CO2的去除，采用模擬艙監(jiān)控系統(tǒng)實時測定艙內CO2濃度，并繪制曲線，找出最高濃度值，結合工業(yè)常見的CO去除方法和實驗艙內實際情況，確定合適的實驗方案。
　　1. 選題背景
　　煤礦事故的頻繁發(fā)生，事故死亡率高的現(xiàn)狀已經成了制約我國煤礦行業(yè)發(fā)展的一個重要影響因素。當煤礦事故發(fā)生后，井下缺少可供呼吸的氧氣，充斥著各種有毒有害氣體，由于現(xiàn)有自救器無法提供有效的、長時間的防護，因此目前煤礦事故的死亡率極高。提供一個有效的避難空間對于減少煤礦事故傷亡有著十分重要的意義。在南非礦山，可移動式救生艙應用的SurvivAir-E型生氧過濾器是一種具有生氧與過濾CO2雙重功效的裝置，曾在國際礦業(yè)展覽會上獲得金獎。空氣調節(jié)系統(tǒng)將氧氣供給和二氧化碳去除一體化，在密閉空間的環(huán)境里可以滿足人體的正常呼吸需求，同時不至于產生各種有毒有害氣體，為災后創(chuàng)造一個良好的生存環(huán)境。此系統(tǒng)應用于密閉空間內，可有效地提高氧氣的使用率。在礦井下、深海里等各種極端、惡劣的密閉環(huán)境里可有效地保護人員的生命安全，將產生深遠的社會效益。而目前隨著人民生活水平的提高，對于氧艙療養(yǎng)的興趣日益增大，其產生的經濟效益也不可估量。
　　2. 方案論證
　　2.1 氧氣生成
　　選用過（超）氧化物作為供氧劑，并且根據(jù)井下不同勞動情形下的呼吸空氣量和氧氣消耗量來計算供氧劑的理論用量：
　　在井下救生艙中工人是不需要勞動的，可認為是處于休息狀態(tài)，那么每人一天需要氧氣的量為288L～576L, 約12.9mol～25.8mol(0.41kg～0.83kg)，地面上成年人每天需氧量約為0.9kg。
　　如果采用過氧化氫溶液制取氧氣，假設艙內容納5個人（5個人對氧氣的需求狀況基本相同），則每天需過氧化氫的量為4.4kg～8.8kg。
　　如果采用過(超）氧化物制取氧氣，如超氧化鉀，則每天需超氧化鉀的量為6.1kg～12.2kg，同時也可以吸收部分二氧化碳氣體。
　　最后，在制氧技術方面我們還聯(lián)想到目前各國使用的壓風自救系統(tǒng)，如果將其與井下救生艙相連，便可在礦井發(fā)生災變時及時向艙內輸送新鮮空氣。壓風自救系統(tǒng)作為一種新型的自救措施，現(xiàn)在已經普遍使用。由于單獨使用該系統(tǒng)會有許多缺陷，我們考慮如果將其與礦用可移動式救生艙相連接會產生很好的效果。不過，對于礦井發(fā)生煤塵與瓦斯爆炸后的氣體管道是否會受到損壞這一問題，還具有不確定性。而且這個系統(tǒng)在中國還無法實現(xiàn)救人的目的，但這個思路確實很有前途。
　　2.2 二氧化碳的吸收
　　我們首先想另辟蹊徑，不首先使用普遍的化學吸收方法，而是采用生物吸收法：
　　1仙人掌：現(xiàn)代科學發(fā)現(xiàn)，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氣放出CO2，到夜晚才吸收CO2吐出O2，正好能彌補夜晚居室的O2不足。
　　實驗方案 ：制作小環(huán)境測量仙人掌一天CO2的吸收量，然后計算艙內所需栽培的數(shù)量。
　　2.水綿：可大量繁殖，為河道污染物，在藍紫光和紅橙光照射情況下光合作用明顯。優(yōu)點：藻類植物生命力極強，繁殖快，且抑制其生長方便，好控制；缺點：無法去除藻腥味，對人體舒適度有影響。
　　實驗方案：可用魚缸作為容器，空氣循環(huán)裝置選用魚缸內的造氣裝置進行室內循環(huán)。這種生物吸收法可以說是一種很大膽的嘗試，但不可以作為主流方法，也不可以大量使用，否則會對人體正常生理狀況造成不良影響。經反復討論，最終決定仍采用化學吸收法，吸收劑選用鈉石灰，該試劑具有吸收效果好，廉價等優(yōu)點，并且可以直接在模擬救生艙內進行實驗。
　　2.3一氧化碳的吸收
　　目前，關于工業(yè)產生的一氧化碳氣體的吸收有許多種方法。結合實驗室的特點，一氧化碳低溫催化氧化在實際生活中已經得到廣泛應用，方法也比較簡單。所選用的催化劑主要分為貴金屬催化劑、非貴金屬催化劑、以分子篩為載體的催化劑等。選用不同催化劑吸收一氧化碳的實驗條件不同，吸收效率也不同，本實驗選用最簡單的銅催化劑：
　　Cu催化劑 Huang等認為氧化銅物種的催化活性可以根據(jù)相變和轉移晶格氧的能力來闡述。Cu2O有改變化學價態(tài)的傾向，并具備奪取或釋放表面晶格氧的能力，催化活性比Cu或CuO高。還原過程中生成非化學計量比Cu物種具有優(yōu)良的轉移表面晶格氧的能力，催化活性高于CuO。
　　該方案在常溫下便可正常進行，具有一定的可行性。
　　3. 研究方法
　　3.1 氧氣生成
　　確定氧氣最佳制取方法，結合井下密閉空間實際情況確定最佳供氧方案。
　　3.2 二氧化碳的吸收
　　方案設計如下：本實驗在礦用模擬救生艙進行，吸收劑選用鈉石灰。實驗前先記錄實驗初始數(shù)據(jù)，如風機參數(shù)、艙內二氧化碳濃度、艙內溫度等。模擬艙內安裝有氣體傳感器，可以實時測定艙內各種氣體的體積分數(shù)，如O2、CO、CO2、H2S等，如右圖所示：
　　然后在艙內鋪好藥品，接通風機電源，打開CO2氣瓶，調節(jié)流速。并以四人正常呼出的CO2的量為參照標準，調節(jié)CO2流速為：1.6L/min，以后保持每次實驗流速不變，最后根據(jù)模擬艙監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測氣體曲線。（注：艙內CO2濃度達到1%時會報警）
　　3.3 一氧化碳的吸收
　　3.3.1 一氧化碳吸收液的制備
　　稱取54gCuCl和60gNH4Cl，加入200ml蒸餾水中，攪拌成混濁液，加入濃氨水攪拌至溶液澄清，然后將其灌入吸收瓶，在配制溶液時可能發(fā)生氧化作用，溶液如呈黑色或綠黑色，就不能用，應先用Cu或SnCl2使其復原，被復原后的溶液呈稻黃色。
　　用氯化亞銅氨溶液吸收CO：
　　CuCl + 2CO == CuCl•2CO
　　CuCl•2CO + 4NH3 + 2H2O == 2NH4Cl + Cu•2COONH4
　　3.3.2 利用Cu催化劑吸收一氧化碳
　　利用CO催化劑吸收率測定裝置，進行CO的吸收測定。
　　4. 研究成果
　　4.1 氧氣生成
　　采用化學氧法，供氧劑宜選用過(超）氧化物；若考慮井下密閉空間實際情況，最有效的手段仍是利用氧氣瓶。
　　4.2二氧化碳的吸收
　　研究鈉石灰是否可以達到吸收CO2的目的，本實驗對放藥品前后兩種情況下測定CO2的體積分數(shù)。相關實驗參數(shù)：風機：U：24.1V I：0.620A
　　艙內溫度：13.1℃
　　艙內CO2初始濃度：0.07%
　　CO2通氣量：1.6L/min
　　放藥品后艙內CO2平均增長速率為0.0152/min；放藥品前艙內CO2平均增長速率為0.023/min；停止通入二氧化碳后艙內CO2平均下降速率為0.03625/min；由圖表可知：該藥品（鈉石灰）使艙內CO2平均增長速率減慢，可以達到吸收目的。
　　對于鈉石灰吸收CO2效果的研究，我們考慮了鈉石灰的鋪展程度對去除效果的影響，主要分為充分鋪展和未充分鋪展兩種情況，分別實驗比較其吸收效果：
　　由該圖可以計算出：艙內CO2體積分數(shù)平均增長速率為0.024/min（鈉石灰充分鋪展）
　　艙內CO2體積分數(shù)平均增長速率為0.034/min（鈉石灰未充分鋪展）
　　由此可見，鈉石灰的鋪展程度對CO2吸收效果有一定影響，而且鋪展越充分，藥品與CO2接觸面積越大，吸收效率越高，效果越好。
　　整體考慮鈉石灰對CO2吸收效果，并找到艙內CO2體積分數(shù)的最高點，并繪制吸收曲線，模擬救生艙CO2初始濃度為0.03%，艙內溫度為11.9℃。實驗曲線如下：
　　由該曲線可知：當向艙內持續(xù)通入CO2（1.6L/min)時，艙內CO2最高濃度可達到5.18%，然后CO2濃度開始下降。該曲線可以很好的擬合成二次曲線，R2值接近于1，且擬合出的二次方程為: y ＝ -2E-05x2 + 0.0204x - 0.0623，式中y表示艙內CO2體積分數(shù)，x表示數(shù)據(jù)點，每個點與時間是一一對應的，兩個相鄰點間隔時間是1min。（注：本實驗時間：2010.3.13 9:10～19：06，持續(xù)10個小時，并在17：28時達到最高值。）
　　本實驗前后藥品顏色對比如右圖所示：
　　由此可見實驗前鈉石灰為粉紅色，試驗后幾乎變?yōu)榘咨�，本實驗反應比較充分。
　　實驗后藥品整體效果：
　　可見還有許多鈉石灰反應不完全，因為試驗中艙門一直處于關閉狀態(tài)，并沒有定時去攪拌藥品，導致不同部位鈉石灰接觸氣體程度不同，反應速率不一致。
　　4.3 一氧化碳的吸收：
　　通過對絡合物（氯化亞銅氨溶液）和銅催化劑吸收CO的特點的研究確定了理論的實驗方案。
　　利用銅催化劑進行CO吸收實驗的研究成果：
　　根據(jù)以上試驗結果，該銅催化劑的吸收率應為98.9%。根據(jù)煤炭行業(yè)標準內的礦下工作時空氣中CO的含量不能超過50ppm計算，可能進入艙內的CO的最高值為3.375L，一氧化碳的密度為1.25g/L，則一氧化碳的產生量0.0042Kg，因此救生艙內消耗量為0.0042Kg。
　　5. 結論
　　本文針對我國目前煤礦事故多發(fā)，救援困難的情況，提出了利用煤礦救生艙來進行應急救援的想法。主要研究成果概括如下：
　　1.確定了O2最優(yōu)制取方法及可行性，主要采用過（超）氧化物吸收，并結合壓風自救系統(tǒng)與井下救生艙相結合。
　　2.研究并確定了低濃度CO2吸收方法，并繪制出吸收曲線。通過實驗確定了救生艙最高CO2濃度為5.18%，然后開始下降。
　　3.通過對絡合物（氯化亞銅氨溶液）和銅催化劑吸收CO的特點的研究確定了理論的實驗方案并實驗得出銅催化劑吸收效率。
　　（作者單位：北京科技大學土木與環(huán)境工程學院）

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