DE2319755C3 - Chemischer Sauerstoffgenerator - Google Patents

Description

enthält

Die Erfindung betrifft einen chemischen Sauerstoffgenerator, der nach dem Zünden ohne Zufuhr von Wärme oder Treibstoff von außen durch eine sich selbst unterhaltende katalytische Reaktion mit gleichmäßiger Geschwindigkeit medizinisch reinen Sauerstoff liefert, enthaltend ein Alkalimetallchlorat in überwiegender Menge und ein Metalloxyd in einer zur Unterhaltung der Sauerstoffbildung ausreichenden Menge nach Patent2142 185.

Sauerstoffbildende Gemische aus Alkalimetallchloraten und Alkalimetalloxyden oder sauerstoffhaltigen Chemikalien sind bereits bekannt. Diese haben jedoch den Nachteil, daß die zur Sauerstoffbildung erforderliche katalytische Reaktion nach der Zündung sich nicht von selbst ohne Energiezufuhr von außen unterhält und daß dabei ein durch schädliche Nebenprodukte verunreinigter Sauerstoff entsteht, der für medizinische Zwecke nicht verwendbar ist. Außerdem haben solche Mischungen für die Herstellung von Sauerstoffgeneratoren den Nachteil, daß sie unregelmäßig verbrennen, so daß die Sauerstoffbildung nicht gleichmäßig erfolgt. Es ist zwar auch bereits bekannt, die Sauerstoffbildungsgeschwindigkeit solcher Gemische durch Zugabe von bestimmten Zusätzen, wie z. B. Asbestfasern, zu stabilisieren, diese Stabilisierung ist jedoch für die gleichmäßige Erzeugung von medizinisch reinem Sauerstoff noch nicht ausreichend und führt im übrigen zu weiteren technischen Schwierigkeiten, weil dadurch die Homogenität der Mischung beeinträchtigt wird.

So sind beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 5 80 634 Sauerstoffgeneratorgemische bekannt, die als Zusätze reine Asbestfasern oder mit stark alkalischen Materialien imprägnierte Asbestfasern enthalten. Es hat sich jedoch gezeigt, daß solche, Asbestfasern enthaltende Mischungen nicht geeignet sind für die gleichmäßige Erzeugung von medizinisch reinem Sauerstoff. Dies gilt auch für die in der deutschen Auslegeschrift 11 26 847 beschriebenen, Asbestfasern enthaltenden, sauerstoffliefernden Gemische. Die darin enthaltenen langen Fasern haben nämlich den Nachteil, daß sie sich in der

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innerhalb der Mischung führen, wodurch die Sauerstoffbildungsgeschwindigkeit eher unregelmäßiger wird als bei solchen Gemischen, die überhaupt keinen Stabilisator enthalten. Im übrigen ist nach den Angaben in der deutschen Auslegeschrift 11 26 847 die Verwendung von Glasfasern oder Asbestfasern als Zusatz zu den Sauerstoffgeneratormischungen nur dann zu empfehlen, wenn gleichzeitig Eisenpulver als von außen zugeführter Treibstoff für die Aufrechterhaltung der katalyti- sehen Reaktion verwendet wird. Bei Ersatz des Eisenpulvers durch Stahlwolle hingegen sind keine zusätzlichen Faserbindemittel erforderlich, weil die Stahlwolle selbst ein Bindemittel darstellt.

Das Hauptpatent 21 42 185 betrifft einen chemischen

Sauerstoffgenerator, der nach dem Zünden ohne Zufuhr von Wärme oder Treibstoff von außen durch eine sich selbst unterhaltende katalytische Reaktion medizinisch reinen Sauerstoff liefert und 80 bis 99,5 Gewichtsteile Alkalimetallchlorat und 20 bis 0,5 Gewichtsteile Natrium-und/oder Kaliumoxid enthält Ein unter Verwendung dieser Mischung hergesteller Sauerstoffgenerator liefert zwar chemisch reinen Sauerstoff, die Sauerstoffbildungsgeschwindigkeit ist jedoch ungleichmäßig, was insbesondere bei Beatmungsgeräten von erheblichem Nachteil ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, in Fortentwicklung des Generators nach Patent 21 42 185 die Sauerstoffabgabegeschwindigkeit eines solchen Gemisches für einen chemischen Sauer- Stoffgenerator zu stabilisieren, d. h. möglichst konstant zu halten, was bei den bisher bekannten Sauerstoffgeneratoren nicht möglich war.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einer aus einem Alkalimetallchlorat und einem Metalloxyd bestehenden Mischung nach der deutschen Patentschrift 21 42 185 als Stabilisator zur Konstanthaltung der Sauerstoffabgabegeschwindigkeit ein Glimmer, Siliciumdioxyd oder Glas in feinteiliger Form zugesetzt wird.

Gegenstand der Erfindung ist ein chemischer Sauerstoffgenerator, der nach dem Zünden ohne Zufuhr von Wärme oder Treibstoff von außen durch eine sich selbst unterhaltende katalytische Reaktion mit gleichmäßiger Geschwindigkeit medizinisch reinen Sauerstoff liefert enthaltend 80 bis 99,5 Gewichtsteile Alkalimetallchlorat und 20 bis 0,5 Gewichtsteile Natrium- und/oder Kaliumoxid nach Patent 2142185, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er als Material zur Konstanthaltung der Sauerstoffbildungsgeschwindig keit Glimmer, Siliciumdioxyd oder Glas in feinteiliger Form enthält.

Mittels der erfindungsgemäßen homogenen Mischung ist es möglich, einen chemischen Sauerstoffgenerator herzustellen, der nach dem Zünden ohne Zufuhr von Wärme oder Treibstoff von außen medizinisch reinen Sauerstoff mit konstanter Geschwindigkeit liefert Dies geht aus den weiter unten beschriebenen Vergleichsversuchen hervor. Daraus ergibt sich, daß nur mit der erfindungsgemäßen homogenen Mischung die Sauerstoffabgabegeschwindigkeil praktisch konstant gehalten werden kann, wobei dadurch der weitere zusätzliche Vorteil erzielt wird, daß die Brenndauer der unter Verwendung einer solchen Mischung hergestellten Sauerstoffgeneratoren gegenüber den üblichen Sauerstoffgeneratoren verlängert wird, weil keine lokalen strukturellen Probleme, wie z. B. Rißbildung, Taschenbildung u. dgl., auftreten.

Die Erfindung wird nachfolgend unier Bezugnahme

auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen

F i g. 1 und 2 graphische Darstellungen der Sauerstoffbildungsgeschwindigkeit bei Verwendung von Kerzen ohne die erfindungsgemäß verwendeten Stabilisatoren,

F i g. 3 eine graphische Darstellung der Sauerstoffbildungsgeschwindigkeit einer aus einer Mischung von Natriumchlorat, Kaliumperchlorat, Natriumoxyd und Natriumperoxyd hergestellten Kerze und

Fig.4 und f> graphische Darstellungen der Sauerstoffbildungsgeschwindigkeit von aus erfindungsgemäßen Gemischen hergestellten Kerzen.

Durch Pressen einer Mischung eines Alkalimetallchlorats, wie Natriumchlorat, und eines Natriumoxyds, wie Natriummonoxyd, Natriumperoxyd oder einer Mischung davon, hergestellte Chloratkerzen liefern medizinisch reinen Sauerstoff bei verhältnismäßig niedriger Temperatur. Die Verbrennungsgeschwindigkeit der Kerze wird bis zu einem gewissen Grad durch die in der Mischung enthaltene Menge an Natriumoxyd geregelt. Kaliumoxyde, wie KaJiummonoxyd, Kaliumperoxyd und Kaliumsuperoxyd, können ebenfalls verwendet werden. Es können auch Mischungen der Natrium- und Kaliumoxyde verwendet werden. Allgemein enthält die Mischung 0,5 bis 20 Gew.-% Natrium- oder Kaliumoxyd. Die Verwendung von Brennstoffen wird vermieden, damit während der Zersetzung des Chlorats keine hohen Temperaturen entstehen und der gebildete Sauerstoff nicht verunreinigt wird.

Es hat sich nun gezeigt, daß unerwünschte Schwankungen der Sauerstoffbildungsgeschwindigkeit auftreten, und zwar unabhängig von den bei der Herstellung der Natriumchlorat-Natriumoxyd-Generatoren angewendeten Mischungsverhältnissen. Man nahm bisher an, daß in der Luft enthaltener Wasserdampf die Ursache für die Desaktivierung der Mischung ist, welche die großen Schwankungen verursacht; jedoch zeigen in einem trockenen Raum hergestellte Sauerstoffgeneratoren, daß solche Schwankungen auch dann auftreten, wenn die Kerzen unter sehr trockenen Bedingungen hergestellt worden sind.

Es wurde nun gefunden, daß dadurch, daß eine kleine Menge Siüciumdioxyd oder bestimmter natürlicher oder synthetischer Silikate der Mischung zugegeben wird, größere Schwankungen der Geschwindigkeit des Sauerstoffstromes vermieden werden können und daß diese Geschwindigkeit auf einem verhältnismäßig konstanten Wert gehalten werden kann. Geeignet sind in der Natur vorkommende Glimmer, wis Muskovit und Phlogopit, hochreine, in der Natur vorkommende Kieselsäuren, wie Glassand und Quarz, sowie unlösliche synthetische Silikate, wie Glas oder Glimmer.

Es wurden fünf verschiedene Gemische getestet zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Sauerstoffstroms während der Lebensdauer der Kerze. Die getesteten Kerzen wurden so hergestellt, daß man 200 g der zu testenden Mischung in eine Form mit einer Länge von 6,3 cm und einem Durchmesser von 2,1 cm gab. Die Mischung wurde unter einem Druck von 25 t zu einer Kerze verformt, die an ihrer Spitze konisch war. In den Konus gab man 10 g der folgenden Mischung, die als Zündgemisch diente:

Natriumjodat
Handelsübliches
Natriumoxydpulver
Magnesiumperchlorat

41,1 Gew.-%

44,1 Gew.-%
5,8 Gew.-%

^an tunι pc

ui *

i nuui at

Die Kerze wurde mit ihrem Zündkegel in eine Zinnhülse gegeben und mit 2,5 g mit Wasser betätigtem, losem Kegelmaterial gezündet. Der gebildete Sauerstoff wurde an der Spitze der Hülse abgezogen. Die Strömungsgeschwindigkeiten des Sauerstoffes wurden durch Ablesen einer Meßvorrichtung in Minutenabständen gemessen. Die Geschwindigkeit der SauerstoffbilduEg ergab sich aus den Differenzen der abgelesenen Werte. Die Meßvorrichtung zeigte das Gesamtsauer-Stoffvolumen an, welches sie passierte.

F i g. 1 ist eine graphische Darstellung der bei diesen Versuchen erhaltenen Ergebnisse, die mi«, einer Kerze, bestehend aus 3 Gew.-% handelsüblichem pulverförmigem Natriumoxyd und 97% handelsüblichem Natriumchloyat, die zusammen 30 Minuten in einer Kugelmühle gemahlen wurden, erhalten wurden. Wie sich aus dieser Kurve ergibt, nahm die Geschwindigkeit des Sauerstoffstroms während 2 Minuten rasch zu und fiel dann während 1 Minute schnell ab, worauf sie wieder rasch zunahm und dann verhältnismäßig stetig blieb, bis die Kerze verbraucht war.

F i g. 2 ist eine graphische Darstellung der Ergebnisse, die mit einer Kerze aus 3 Gew.-% Natriumoxyd, 3 Gew.-% handelsüblichem pulverförmigem Natriumperoxyd und 94 Gew.-% Natriumchlorat erhalten wurden. Wie sich aus der Kurve ergibt, nahm die Sauerstofferzeugungsgeschwindigkeit nach 1 Minute ab, bis sie nach 5 Minuten plötzlich wieder anstieg.
F i g. 3 zeigt die mit einer Mischung aus 3 Gew.-°/o Natriumoxyd, 3 Gew.-% Natriumperoxyd, 4 Gew.-°/o reagentienreinem Kaliumperchlorat und 90 Gew.-% Natriumchlorat erhaltenen Ergebnisse. Das Kaliumperchlorat wurde als Stabilisierungsmittel getestet, da in der US-PS 32 07 695 angegeben ist, daß diese Verbindung einen stabilisierenden Einfluß ausübt. Wie sich aus der Kurve ergibt, konnte Kaliumperchlorat jedoch die starken Schwankungen des Sauerstoffstroms nicht verhindern, obwohl es die Reaktionsgeschwindigkeit etwas verlangsamte. Dies war zu erwarten, weil die Perchlorate eine verhältnismäßig niedrige Zersetzungswärme aufweisen.

Fig.4 zeigt die mit einer Mischung aus 3 Gew.-°/o Natriumperoxid, 3 Gew.-% Natriummonoxyd, 4 Gew.-% Glaspulver einer Teilchengröße von 0,074 mm und 90 Gew.-% Natriumchlorat erhaltenen Ergebnisse. Die Analyse des Glases ergab
SiO₂-72,8%,A1₂O₃-1,3%,
CaO-8%, MgO-3,9%
(SO₄)²- - 0,3%, Eisenoxyde - 0,1 %,

Na₂O-I-K₂O-13,6%.

Die Mischung wurde in einer Kugelmühle 15 Minuten lang vermählen. Wie F i g. 4 zeigt, stabilisierte sich nach dem anfänglichen Stoß die Sauerstoffbildungsgeschwindigkeit bei etwa 7 Liter/Minute.

Fig.5 zeigt die Ergebnisse, die man mit einer aus einer Mischung aus 3 Gew.-% Natriumoxyd, 3% Natriumperoxyd, 4% Glimmer und 90% Natriumchlorat hergestellten Kerze erzielt Das Glimmerpulver besaß eine Teilchengröße von etwa 0,09 mm. Wie F i g. 5 zeigt, erwies sich diese Mischung in bezug auf die Stabilisierung der Geschwindigkeit der Sauerstofferzeugung als die beste. Die Sauerstoffbildungsgeschwindigkeit stabilisierte sich bei etwa 6 Liter/Minute während der gesamten Brenndauer der Mischung, und die Lebensdauer der Kerze betrug etwa 10 Minuten, was länger war als bei allen übrigen getesteten Kerzen.

Nach dem Testen einer Anzahl von Glimmerpulvern zeigte sich, daß ein synthetischer Glimmer rnii der

empirischen Formel

K₂Mg₆AI₂Si₆O₂₀F₄

eine besonders gute Stabilisierung der Sauerstoffbildungsgeschwindigkeit ergab, ohne daß Verunreinigungen in den Sauerstoff eingeführt wurden.

Glas bewirkt nicht nur einen Ausgleich der Geschwindigkeit der Sauerstoffbildung, sondern besitzt auch noch den zusätzlichen Vorteil, das Natriumoxyd nach dem Erlöschen der Kerze zu binden, wodurch die Gefahr der Na₂O₂- Entstehung in der erlöschenden Kerze vermieden wird. Es hat ferner den Vorteil, daß auch die zur Erzeugung einer homogenen Mischung erforderliche Mahlzeit herabgesetzt wird. Kieselsäure (SiO₂) ist ebenso wirksam wie Glas und bindet das Natriumoxyd in gleicher Weise. Es stört die katalytische Aktivität des Oxyds nicht.

Erfindungsgemäß kann durch Einbringen einer geringen Menge Kieselsäure (SiO₂) oder natürlicher oder synthetischer Silikate, wie Glimmer und Glas, in die Chlorat-Natriumoxydkerze die Geschwindigkeit der Sauerstoffbildung wirksam stabilisiert werden, wodurch der Sauerstoffgenerator für Beatmungen in Notfällen geeignet wird. Obwohl für den der F i g. 4 zugrundeliegenden Test ein sogenanntes Soda-Kalkglas verwendet wurde, sind natürlich auch andere Glasarten geeignet, z. B. Borsilikat-, Blei-Kali-, Pyrex- und Kali-Kalkgläser.

Zum Nachweis dafür, daß unter Verwendung der erfindungsgemäßen Mischung ein chemischer Sauerstoffgenerator hergestellt werden kann, der nach dem Zünden ohne Zufuhr von Wärme oder Treibstoff von außen durch eine sich selbst unterhaltende katalytische Reaktion medizinisch reinen Sauerstoff mit einer gleichmäßigeren Geschwindigkeit liefert als die bisher bekannten chemischen Sauerstoffgeneratoren, insbesondere der aus der deutschen Patentschrift 5 80 634 bekannte chemische Sauerstoffgenerator, wurden zusätzlich noch die nachfolgend beschriebenen Vergleichsversuche durchgeführt.

Nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren wurde eine Reihe von Versuchskerzen hergestellt, wobei jedoch die Art und Menge des verwendeten Stabilisators zur Konstanthaltung der Sauerstoffbildungsgeschwindigkeit variiert wurde. Die dabei erhaltenen Daten wurden unter Verwendung eines Streifendiagrammaufzeichners aufgezeichnet, mit dessen Hilfe die momentanen Strömungsgeschwindigkeiten gemessen wurden. In allen Versuchen wurde eine 200-g-Kerze mit einem 10-g-Kegel gemäß den obigen Angaben verwendet Die Natriumoxydkonzentration in der Kerze wurde auf einem konstanten Wert von 3% Na₂O und 3% Na2O2 gehalten. Dabei wurden die folgenden Ergebnisse erhalten:

Die Sauerstoffabgabegeschwindigkeit einer keinen Stabilisator enthaltenden Kerze zeigte, daß der Sauerstoffgenerator zwar ohne Schwierigkeiten bis zum Schluß Sauerstoff abgab, daß jedoch starke Schwankungen der Sauerstoffabgabegeschwindigkeit wahrend der Betriebsdauer auftraten.

Der Verlauf der Sauerstoffabgabegeschwindigkeit der gleichen Kerze, die jedoch 4% des erfindungsgemäß verwendeten Stabilisators, in diesem Falle einer Mischung aus 50% Glimmer (Teilchengröße 0,09 nun) und 50% Glaspulver (Teilchengröße 0,074 mm) enthielt, zeigte die stabilisierende Wirkung auf die Sauerstoff ab- 6s gabegeschwindigkeit des erfindungsgemaß verwendeten Zusatzes. Die extremen Maxima und Minima der Kerze ohne Stabilisator waren verschwunden und hatten einer Reihe von verhältnismäßig geringen Schwankungen innerhalb eines engen Bereiches Platz gemacht. Durch den erfindungsgemäß verwendeten Stabilisator wurde außerdem die Dauer der Sauerstoffabgabe der Kerze verlängert, und es wurden lokale strukturelle Probleme, wie z. B. eine geringe Rißbildung und dergleichen, korrigiert oder verhindert.

Nach den Angaben in der deutschen Patentschrift 5 80 634 enthält die Sauerstoffgeneratormischung neben Alkalimetallchlorat ein Alkalimetalloxyd und reine Asbestfasern oder mit. stark alkalischen Materialien imprägnierte Asbestfasern. Das für die Durchführung der Verusche verwendete Asbestmaterial wurde vor der Verwendung auf 816° C erhitzt, um eventuell vorhandene organische Verunreinigungen zu oxydieren.

Dabei zeigten die bei Verwendung einer Generatormischung mit 0,5% Asbest erhaltenen Ergebnisse und die bei Verwendung von 1% Asbest erhaltenen Ergebnisse sowie die bei Verwendung von 2%Asbest erhaltenen Ergebnisse und die bei Verwendung von 4% Asbest erhaltenen Ergebnisse, daß bei der niedrigen Asbestkonzentration ein sehr nachteiliger Effekt auf die Zündung der Sauerstoffgeneratorkerze beobachtet wurde, während bei der Kerze mit 4% Asbest fast überhaupt keine Reaktion auftrat. Die Untersuchung der nach der Reaktion zurückbleibenden Asche zeigte, daß die Asbestfasern bei der Reaktion zerstört worden waren und keine Fasern mehr festzustellen waren. Bei Verwendung dieses Zusatzes wurde kein stabilisierender Effekt auf die Sauerstoffbildungsgeschwindigkeit beobachtet.

Dann wurden die Asbestfasern mit Natriumhydroxyd imprägniert, indem man 50 g Asbestfasern mit einer siedenden Lösung von 42 g NaOH in 100 ml Wasser behandelte. Die Mischung wurde abkühlen gelassen, und die überschüssige Flüssigkeit wurde abdekantieri. Die zurückbleibende Aufschlämmung wurde getrocknet und bis zum Schmelzpunkt des NaOH erhitzt, um irgendwelche gebildeten Hydrate zu zerstören. Das dabei erhaltene getrocknete Material wurde zu einem Pulver gemahlen. Dabei zeigte sich, daß ein Teil der Asbestfasern während dieses Verfahrens durch die NaOH-Lösung angegriffen worden war.

Dabei zeigte sich, daß ein Zusatz von 1 % imprägnierten Asbestfasern bzw. 2% imprägnierten Asbestfasern nicht so nachteilige Wirkungen auf die Kerze hatte wie reine Asbestfasern (möglicherweise aufgrund der Einwirkung der NaOH auf die Asbestfasern), daß jedoch auch in diesem Falle keine Stabilisierung der Sauerstoffabgabegeschwindigkeit beobachtet wurde.

Mit NaOH imprägnierter Asbest ist im Handel erhältlich. Dieses Material wird in der Regel als CO2-Absorbens verwendet Durch Verwendung von Asbestfasern wird offenbar die Porosität des NaOH verbessert und eine bessere Reinigungswirkung erzielt Ein Teil dieses Materials wurde ohne Erhitzen odei Trocknen zu einem Pulver gemahlen, und daraus wurde eine Kerze hergestellt, die 1% Asbest enthielt Aucr hier war ein nachteiliger Einfluß auf die Leistungsfähig keit der Kerze zu beobachten, und es war kein« stabilisierende Wirkung auf die Sauerstoffabgabege schwindigkeit festzustellen.

Aus den vorstehend wiedergegebenen Ergebnissei ISBt sich der Schluß ziehen, daß der Asbest in dei Mischungen offenbar mit Natriumoxyd reagierte um dadurch einen eher nachteiligen als günstigen Effekt au das Leistungsvermögen der Kerze ausübte.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Chemischer Sauerstoffgenerator, der nach dem Zünden ohne Zufuhr von Wärme oder Treibstoff von außen durch eine sich selbst unterhaltende katalytische Reaktion mit gleichmäßiger Geschwindigkeit medizinisch reinen Sauerstoff liefert, enthaltend 80 bis 99,5 Gewichtsteile Alkalimetallchlorat und 20 bis 0,5 Gewichtsteile Natrium- und/oder Kaliumoxid nach Patent 2142185, dadurch gekennzeichnet, daß er als Material zur Konstanthaltung der Sauerstoffbildungsgcschwindigkeit Glimmer, Siliciumdioxid oder Glas in feinteiliger Form enthält.

2. Sauerstoffgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er Glimmer in einer Menge von 0,5 bis 6 Gew.-% enthält

3. Sauerstoffgenerator nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er als Glimmer ein synthetisches Produkt mit der empirischen Formel

K2Mg6AbS'l6O20F4