CN113713606B - 一种用于化学氧气发生器的净化材料及净化床层 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于化学氧气发生器的净化材料及净化床层，属于气体净化技术领域。以所述净化材料成品的总质量为100％计，各组分及其质量分数如下：一氧化碳净化材料50％～95％；酸性气体净化材料5％～50％；其中，一氧化碳净化材料包括以铂和钯作为活性组分的贵金属催化剂；酸性气体净化材料为碱石灰、生石灰和氢氧化钙中的一种以上；所述净化床层设置顶层固体过滤材料，顶层固体过滤材料的下方设置一层以上所述的一氧化碳净化材料和一层以上所述的酸性气体净化材料。所述净化材料可以提升化学氧气发生器产生的气体的品质；所述净化床层可以增加化学氧气发生器产生气体的通路长度，提高对杂质气体的净化效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于化学氧气发生器的净化材料及净化床层，属于气体净化技术领域。
背景技术
化学氧气发生器是一种通过化学物质(氯酸盐或高氯酸盐)分解产生氧气的装置，广泛应用于水下、载人深潜、航空、航天、矿山、逃生、防化等多个领域。当载人潜水器下潜至深海领域发生供氧不足时，化学氧气发生器通常作为应急供氧的生命支持装备，供给人员氧气以处理故障或等待救援，保障潜水人员的生命安全。当商用飞机在高空发生座舱释压时需为旅客提供应急氧源，通常也是采用化学氧气发生器释放纯氧供给旅客呼吸，维持旅客的正常生理需要。
对于载人深潜和航空供氧的情况，化学氧气发生器产生的气体需在狭小密闭空间释放或直接供给人员呼吸，对气体质量的要求极为严格。以航空用氧的气体品质为例，SAEAS 8010C-1997《飞行员用氧纯净度标准》中要求航空所使用化学氧中氯气浓度不超过0.2ppm，最大允许值1ppm；一氧化碳浓度不超过50ppm，二氧化碳浓度不超过5000ppm。
化学氧气发生器的产氧反应是放热反应，但热量不足以使化学物质分解产生氧气，通常加入其他金属组分作燃料以增加热量，还将添加其他组分作为粘结剂等，这些添加的组分中可能含有少量碳元素，在反应过程中会产生微量的一氧化碳和二氧化碳等燃烧产物。另外，在工作过程中氯酸盐或者高氯酸盐也会有副反应的发生，而产生微量的氯气。产生的一氧化碳、二氧化碳、氯气这些杂质气体会影响化学氧气发生器产生的氧气的气体质量，并对使用人员造成健康损害，因此需要将其清除以满足使用要求。
通常情况下清除杂质气体的方法，一种是通过调节配方组分含量，添加抑制剂等从反应源头抑制杂质气体的产生；另一种是在化学氧气发生器中设置净化材料，在氧气释放过程中，净化材料将掺杂在氧气中的杂质气体进行转化吸收，以提高氧气的气体质量。
针对第二种方法，美国专利US20020073846A1公开了一种用于化学氧气发生器的过滤材料，所述过滤材料包括氢氧化锂和霍加拉特催化剂(Hopcalite)，霍加拉特催化剂能够催化一氧化碳氧化生成二氧化碳，氢氧化锂吸收氯气，进而能够除去氧气中的一氧化碳和氯气。针对航空标准的气体品质，通过该方案的过滤材料的气体中，依然含有一定量的氯气和一氧化碳，其主要原因为使用的一氧化碳催化剂为活性相对较低的霍加拉特催化剂，且为达到航空用氧标准，其催化剂的添加量较大，不利于产品减重。
以铂和钯为活性组分的贵金属催化剂可以用于一氧化碳的净化，但是其在化学氧气发生器中的使用具有一定的技术困难，在化学氧气发生器中，通常会使用氯酸盐或高氯酸盐进行化学反应产生氧气，这样就避免不了有氯气的产生，而氯气对铂钯贵金属催化剂的活性中心具有毒化作用，削弱了该催化剂对一氧化碳的净化能力，因此具有一定的应用困难。
另外，净化气体的床层的设置也有利于提高净化后氧气的品质，通常化学氧气发生器的净化床层会安装在化学氧气发生器内，紧贴出气口的位置；也有其他的安装方式，如加拿大专利CA914885A公开了对于过滤材料在化学氧气发生器的装配进行设计，过滤材料呈柱状，长度与产生氧气的药芯的长度一样，将药芯包裹在过滤材料的内部，药芯产生的气体能够经过整个过滤材料，增加气体与过滤材料的接触面积和时间，达到去除氧气中杂质气体的目的。但是该方案需要添加较多的过滤材料，使其贯穿整个药芯中部，对药芯的生产要求严格，加工实施难度较大。针对酸性气体和一氧化碳这两类杂质气体在同一种过滤材料中实现同时净化相对困难，且有效的过滤材料长度随发生器反应进行逐渐缩短，影响工作后期的气体质量。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于化学氧气发生器的净化材料及净化床层，所述净化材料由一氧化碳净化材料和酸性气体净化材料组成；所述净化床层可以增加化学氧气发生器产生气体的通路长度，提高对杂质气体的净化效果。
为实现本发明的目的，提供以下技术方案。
一种用于化学氧气发生器的净化材料：以所述净化材料成品的总质量为100％计，其中各组分及其质量分数如下：一氧化碳净化材料50％～95％；酸性气体净化材料5％～50％。
其中，一氧化碳净化材料包括以铂和钯作为活性组分的贵金属催化剂。
酸性气体净化材料为碱石灰、生石灰和氢氧化钙中的一种以上。
优选，以所述贵金属催化剂的质量为100％计，铂单质和钯单质的质量分数之和大于0且小于等于5％。
优选，一氧化碳净化材料由霍加拉特催化剂和以铂和钯作为活性组分的贵金属催化剂组成。
优选，以所述净化材料成品的总质量为100％计，其中各组分及其质量分数如下：一氧化碳净化材料65％～88％，酸性气体净化材料12％～35％。
优选，一氧化碳净化材料和酸性气体净化材料均为粒径在2mm～5mm的颗粒状材料。
一种用于化学氧气发生器的净化床层，所述净化床层设置顶层固体过滤材料，顶层固体过滤材料的下方设置一层以上本发明所述的一氧化碳净化材料和一层以上本发明所述的酸性气体净化材料；每层所述酸性气体净化材料下方的均设有一层支撑固体过滤材料，形成一个酸性气体净化单元，每层所述一氧化碳净化材料下方均设有一层支撑固体过滤材料，形成一个一氧化碳净化单元。所述酸性气体净化单元和一氧化碳净化单元可以采用任意组合排布的方式。
优选，将所有酸性气体净化单元整体设置在所述净化床层的下部，在其上方整体设置所有的一氧化碳净化单元；使化学氧气发生器产生的气体先经过酸性气体净化材料以去除所述气体中的酸性气体，如氯气、二氧化碳，然后再通过一氧化碳净化材料去除所述气体中的一氧化碳。
所述顶层固体过滤材料和支撑固体过滤材料的作用有两点，第一点，对各层净化材料起到隔开的作用；第二点，所述固体过滤材料可以过滤固体颗粒物，保障产生的氧气的质量；所述顶层固体过滤材料和支撑固体过滤材料为陶瓷毯或玻璃纤维毯。
优选，所述顶层固体过滤材料和支撑固体过滤材料为玻璃纤维毯，玻璃纤维毯柔软易裁剪，可加工成所需形状，既保证了较好的气体透过性，也不易产生粉末等细小颗粒物，不会在气体产生的过程中吹出粉末。
优选，除最后一个净化单元之外，在每一个净化单元的上方设置障碍物，使气体通过所述净化材料的路线增长；所述障碍物为在纯氧环境中不发生燃烧的材料。
更优选，所述净化床层中的障碍物为金属片和带孔的金属部件；在相邻的净化单元之间将金属片和带孔的金属部件交替设置，金属片和金属部件的孔道对应放置，且金属片能够完全覆盖住金属部件的孔道，使气体经过金属部件的孔道之后，再进入金属片周围的孔道，以增加气体的净化路线。
优选，所述金属片为金属圆片，带孔的金属部件为金属圆环。
优选，所述金属片或者金属部件的材质为铜。
有益效果
(1)本发明提供的一种用于化学氧气发生器的净化材料，由一氧化碳净化材料和酸性气体净化材料组成。一氧化碳净化材料含有以铂和钯作为活性组分的贵金属催化剂，所述贵金属催化剂清除一氧化碳的活性高于霍加拉特催化剂，是影响一氧化碳净化效果的主要因素；化学氧气发生器的气体组分绝大部分为氧气，且反应初期产氧速度快，杂质气体含量高，且气体温度为常温，提升初期产生气体品质对于整个放氧过程的气体质量尤为重要，因此需选用活性更高的以铂和钯作为活性组分的贵金属催化剂效果更好。
所述用于化学氧气发生器的净化材料，通过一氧化碳净化材料和酸性气体净化材料的组合，能有效减少所述贵金属催化剂的用量，降低生产成本。
所述用于化学氧气发生器的净化材料，结合有限的空间尺寸，调控一氧化碳净化材料和酸性气体净化材料的配比，可以满足不同的使用要求，达到不同的净化效果，提升化学氧气发生器产生的气体的品质。
(2)本发明提供的一种用于化学氧气发生器的净化材料，优选，将所述贵金属催化剂和霍加拉特催化剂组合使用，既保证了对一氧化碳的去除效果，又能够控制成本。
(3)本发明提供的一种用于化学氧气发生器的净化床层，包括本发明所述的用于化学氧气发生器的净化材料，所述床层通过对本发明所述净化材料实现多层次的布置，增加了化学氧气发生器产生的气体通路的长度，进一步实现净化效果，得到高品质的氧气；所述净化床层性能稳定、易组装实现、结构稳定性好。
(4)本发明提供的一种用于化学氧气发生器的净化床层，根据所述净化材料的特性，优选，先放置除氯气和二氧化碳的酸性气体净化材料，再放置除一氧化碳的以铂和钯作为活性组分的贵金属催化剂的一氧化碳净化材料。这样的设置有两点好处，第一，先利用酸性气体净化材料把氯气去除掉，减少了氯气对所述贵金属催化剂活性成分的毒化作用，进而使所述贵金属催化剂能够更好地去除一氧化碳；第二，氯气和二氧化碳这样的酸性气体与酸性气体净化材料的强碱反应产生水，而水对于所述贵金属催化剂的催化活性有促进作用，能够增强对一氧化碳的去除效果。
(5)本发明提供的一种用于化学氧气发生器的净化床层，优选，通过障碍物的设置，进一步的，通过带孔的金属部件和金属片的设置，在有限的空间内，将本发明所述的用于化学氧气发生器的净化材料设计出较长的气路结构，使得化学氧气发生器产生的气体能够经过具有长通路的净化床层后，对杂质气体具有良好的净化效果，并且所述净化床层性能稳定，易组装实现，结构稳定性好。
附图说明
图1为实施例2和3用于化学氧气发生器的净化床层的结构示意图。
其中，1-顶层固体过滤材料，2-酸性气体净化材料，3-带孔的金属部件，4-一氧化碳净化材料，5-金属片，6-出气口，7-支撑固体过滤材料。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不作为对本发明专利的限定，其中，所用的材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
以下实施例中：
采用国家标准GB/T 8984-2008《气体中一氧化碳、二氧化碳和碳氢化合物的测定气相色谱法》中的方法要求测试净化后一氧化碳和二氧化碳的浓度。
采用国家标准GB 11736-1989《居住区大气中氯卫生检验标准方法甲基橙分光光度法》中的方法要求测试净化后氯气的浓度。
采用的一氧化碳净化材料4和酸性气体净化材料2的粒径均为2mm～5mm。
采用的以铂和钯作为活性组分的贵金属催化剂为中国船舶重工集团公司第七一八研究所的型号为MXY-II的贵金属催化剂。
采用的霍加拉特催化剂为山西新华防护器材有限责任公司的型号为KH-13的催化剂。
图1为实施例2和3用于化学氧气发生器的净化床层的结构示意图，从图中可以看出，净化床层由上至下为：顶层固体过滤材料1、一氧化碳净化材料4、支撑固体过滤材料7、金属片5、一氧化碳净化材料4、支撑固体过滤材料7、带孔的金属部件3、酸性气体净化材料2、支撑固体过滤材料7。图1中带虚线的箭头为化学氧气发生器产生的气体的路径，通过出气口6排出。
其中，顶层固体过滤材料1和支撑固体过滤材料7均为玻璃纤维毯，厚度为1.5mm，所述玻璃纤维毯为铅酸蓄电池AGM隔板，所述隔板符合标准GB/T28535-2012。
酸性气体净化材料2为碱石灰。
带孔的金属部件3为铜圆环。
金属片5为铜圆片。
实施例2中的两层一氧化碳净化材料4分别为霍加拉特催化剂和以铂和钯作为活性组分的贵金属催化剂。
实施例3中的两层一氧化碳净化材料4均为以铂和钯作为活性组分的贵金属催化剂。
实施例1
一种用于化学氧气发生器的净化材料：由20g碱石灰和140g以铂和钯作为活性组分的贵金属催化剂组成。
一种用于化学氧气发生器的净化床层，包括本实施例的用于化学氧气发生器的净化材料，所述净化床层由上至下为：玻璃纤维毯、140g以铂和钯作为活性组分的贵金属催化剂、玻璃纤维毯、20g碱石灰、玻璃纤维毯，所述净化床层的总高度为60mm、直径为70mm。
针对本实施例的净化床层进行净化能力测试，以内径为70mm，平均产氧速度为6L/min的化学氧气发生器产生的气体为净化对象，将本实施例的净化床层安装在化学氧气发生器内，紧贴出气口6的位置，测试结果如下：
测试用化学氧气发生器产生的气体经过本实施例的净化床层净化后，一氧化碳平均浓度为0ppm，氯气平均浓度为低于检出限0.01ppm，二氧化碳平均浓度为400～500ppm。
由此可知，本实施例通过碱石灰和以铂和钯作为活性组分的贵金属催化剂的组合，对化学氧气发生器产生的气体具有良好的净化能力。
实施例2
一种用于化学氧气发生器的净化材料：由20g碱石灰、50g霍加拉特催化剂和50g以铂和钯作为活性组分的贵金属催化剂组成。
一种用于化学氧气发生器的净化床层，包括本实施例的用于化学氧气发生器的净化材料，所述净化床层由上至下为：玻璃纤维毯、50g以铂和钯作为活性组分的贵金属催化剂、玻璃纤维毯、直径为55mm的铜圆片、50g霍加拉特催化剂、玻璃纤维毯、内径为45mm且外径为70mm的铜圆环、20g碱石灰、玻璃纤维毯，所述铜圆片和铜圆环的孔道对应放置，所述净化床层的总高度为60mm、直径为70mm。
针对本实施例的净化床层进行净化能力测试，以内径为70mm，平均产氧速度6L/min的化学氧气发生器产生气体为净化对象，将本实施例的净化床层安装在化学氧气发生器内，紧贴出气口6的位置，测试结果如下：
测试用化学氧气发生器产生的气体经过本实施例的净化床层净化后，一氧化碳平均浓度为0ppm，氯气平均浓度为低于检出限0.01ppm，二氧化碳平均浓度为400～500ppm。
与实施例1相比，本实施例在保证对化学氧气发生器产生的气体的净化能力的同时，减少了铂钯贵金属催化剂的用量，降低成本。
实施例3
一种用于化学氧气发生器的净化材料：由40g碱石灰和80g以铂和钯作为活性组分的贵金属催化剂组成。
一种用于化学氧气发生器的净化床层，包括本实施例的用于化学氧气发生器的净化材料，所述净化床层由上至下为：玻璃纤维毯、40g以铂和钯作为活性组分的贵金属催化剂、玻璃纤维毯、直径为50mm的铜圆片、40g以铂和钯作为活性组分的贵金属催化剂、玻璃纤维毯、内径为30mm且外径为70mm的铜圆环、40g碱石灰、玻璃纤维毯，所述铜圆片和铜圆环的孔道对应放置，所述净化床层的总高度为60mm、直径为70mm。
针对本实施例的净化床层进行净化能力测试，以内径为70mm，平均产氧速度8L/min的化学氧气发生器产生气体为净化对象，将本实施例的净化床层安装在化学氧气发生器内，紧贴出气口6的位置，测试结果如下：
测试用化学氧气发生器产生的气体经过本实施例的净化床层净化后，一氧化碳平均浓度为0ppm，氯气平均浓度为低于检出限0.01ppm，二氧化碳平均浓度为300～500ppm。
由此可知，在较大的产氧速度下，本实施例的净化床层对杂质气体仍然具有良好的净化效果，并且所述贵金属催化剂的用量少于实施例1所述贵金属催化剂的用量。
本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为本发明保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于化学氧气发生器的净化床层，其特征在于：所述净化床层包括一种用于化学氧气发生器的净化材料；
以所述净化材料成品的总质量为100%计，各组分及其质量分数如下：一氧化碳净化材料50%~95%；酸性气体净化材料5%～50%；
其中，一氧化碳净化材料由霍加拉特催化剂和以铂和钯作为活性组分的贵金属催化剂组成；
酸性气体净化材料为碱石灰、生石灰和氢氧化钙中的一种以上；
以所述贵金属催化剂的质量为100%计，铂单质和钯单质的质量分数之和大于0且小于等于5%；
所述净化床层设置顶层固体过滤材料（1），顶层固体过滤材料（1）的下方设置一层以上的一氧化碳净化材料（4）和一层以上的酸性气体净化材料（2）；
每层所述酸性气体净化材料（2）下方均设有一层支撑固体过滤材料（7），形成一个酸性气体净化单元，每层所述一氧化碳净化材料（4）下方均设有一层支撑固体过滤材料（7），形成一个一氧化碳净化单元；
所述顶层固体过滤材料（1）和支撑固体过滤材料（7）为陶瓷毯或玻璃纤维毯；
将所有酸性气体净化单元整体设置在所述净化床层的下部，在其上方整体设置所有的一氧化碳净化单元；使化学氧气发生器产生的气体先经过酸性气体净化材料以去除所述气体中的酸性气体，然后再通过一氧化碳净化材料去除所述气体中的一氧化碳；
除最后一个净化单元之外，在每一个净化单元的上方设置障碍物，使气体通过所述净化材料的路线增长；
所述障碍物的材质为铜。
2. 根据权利要求1所述的一种用于化学氧气发生器的净化床层，其特征在于：一氧化碳净化材料和酸性气体净化材料均为粒径在2mm ~ 5mm的颗粒状材料。
3.根据权利要求1所述的一种用于化学氧气发生器的净化床层，其特征在于：以所述净化材料成品的总质量为100%计，其中各组分及其质量分数如下：一氧化碳净化材料65%~88%，酸性气体净化材料12%~35%；
一氧化碳净化材料和酸性气体净化材料均为粒径在2mm ~ 5mm的颗粒状材料。
4.根据权利要求1~3任一项所述的一种用于化学氧气发生器的净化床层，其特征在于：所述净化床层中的障碍物为金属片（5）和带孔的金属部件（3）；在相邻的净化单元之间将金属片（5）和带孔的金属部件（3）交替设置，金属片（5）和带孔的金属部件（3）的孔道对应放置，且金属片（5）能够完全覆盖住带孔的金属部件（3）的孔道。
5.根据权利要求4所述的一种用于化学氧气发生器的净化床层，其特征在于：所述金属片（5）为金属圆片，带孔的金属部件（3）为金属圆环。
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