救生艙內一氧化碳去除藥劑去除性能的實驗研究

摘 要：礦用救生艙可以在事故發生后為避險人員提供必要的生存條件，贏得較長的待救援時間。其中CO的去除是艙內空氣凈化系統的一項主要功能。文章通過對救生艙特點的分析及市場調查，選定了兩種CO去除藥劑：非貴金屬催化劑觸媒和貴金屬催化劑W905。并對兩種催化劑在無干燥劑及有干燥劑兩種情況下，進行了一系列CO去除實驗。分析比較了兩種催化劑的催化活性及效果，得到添加干燥劑后觸媒的活性時間與去除率均延長一倍，但使用中均極易失活；而添加干燥劑前后W905的去除率均可達到100%，將CO的濃度由50ppm降至24ppm所需時間縮短33%，去除效果遠遠優于觸媒。從而確定W905更適用于救生艙內的CO去除。

關鍵詞：救生艙；一氧化碳；空氣凈化

引言

礦難事故發生后，遇險人員在救生艙中等待救援時，由于礦井中空氣逸入、人體新陳代謝、設備工作等原因產生的有毒有害氣體嚴重威脅到人員的生命安全，其中，CO極易與血紅蛋白結合，使血紅蛋白喪失攜氧的能力和作用，造成組織窒息。[1-3]當救生艙內的CO濃度升高到人體能夠承受的極限上限時，人體會出現輕度甚至中度的頭疼和不適，有強烈的不愉快感，暴露時間不宜超過2h。尤其開艙門進入救生艙內時，會涌入大量的CO，因此必須采取措施在允許的時間范圍內盡可能快的將其降到人體的安全極限以下。本文主要研究分析了救生艙內CO去除藥劑的性能。[4-5]

1 救生艙內CO去除藥劑的選定

救生艙在救援狀態下，無外界電力供應，空間狹小，救援時間長，對CO去除效果要求高，因此，多采用催化轉化法。CO是一種中性氣體，在正常條件下基本不與酸和堿發生反應，催化轉化法是指選用合適的催化劑將CO轉化為CO2[6]。通過市場調查，本文主要選取了兩種常溫常壓催化劑：非貴金屬催化劑觸媒和貴金屬催化劑W905 ，并在模擬礦井救生條件下，對兩種催化劑進行去除性能實驗。[7，8]

1.1 非貴金屬催化劑

非貴金屬催化劑選定為浙江省江山市浙安消防設備有限公司生產的霍加拉特劑（別稱：觸媒），是經特殊加工而成的活性碳及銅、鐵、銀等化合物經高溫反應而得，黑色條狀。霍加拉特劑最大的缺點是遇水中毒，很快會失去活性。

1.2 貴金屬催化劑

貴金屬催化劑選定為W905常溫CO轉化催化劑，是武漢科林精細化工有限公司開發的新型貴金屬催化劑，黑色片狀，主要成分包括貴金屬、稀土及Al2O3。該催化劑具有使用溫度低，脫除率高的特點。

2 實驗環境的建立及實驗方法

2.1 實驗環境

實驗在模擬救生艙中進行，艙體采用雙層鋼板夾保溫材料制成，鋼板采取噴塑防腐，各連接處、艙門采取密封措施，外型尺寸為4500（長）×1300（寬）×1800（高）mm。內部尺寸為4400（長）×1200（寬）×1700mm（高）。

模擬救生艙內配有空氣凈化裝置，整個凈化裝置主要由吸收床、沉降室、風機三部分組成，裝置底部安裝防爆風機，形成負壓腔，進行空氣的循環。

2.2 實驗設備

本次實驗選用的主要設備為：Rock E40系列PLC數據采集器和KGA3型煤礦用電化學式CO傳感器。

2.3 實驗方法

向空氣凈化裝置的藥劑床層填放催化劑，關閉艙門，以0.3L/min的流量向艙內通入CO氣體，開啟擾動風機，當CO濃度達到約50ppm的礦井空氣中極限濃度后停止通入CO氣體，CO濃度穩定后開啟空氣凈化裝置風機，在40W的最大功率下運行，同時利用監控系統記錄艙內CO濃度變化情況。

3 結果與討論

3.1 非貴金屬催化劑去除CO的實驗

分別對1cm觸媒、1cm觸媒及2cm活性炭、2cm活性炭進行去除性能實驗，其中第二次實驗活性炭作為干燥劑鋪放在催化劑上方。CO起始濃度均為50ppm，記錄其濃度隨時間變化情況。

圖1表明只有觸媒時，其活性只持續了約10分鐘，CO從53ppm下降到46ppm，去除率只有13%。圖2表明，在觸媒上方鋪設2cm活性炭作為干燥劑時，其活性持續了20分鐘，CO從56ppm下降到41ppm，去除率為27%，活性延長了10分鐘，去除率增大了一倍，但是活性炭對觸媒的保護作用也很有限。

圖3表明，在60分鐘內，CO的濃度幾乎沒有改變，證明此條件下，活性炭對CO沒有去除能力，去除率幾乎為零，即圖3中是觸媒的催化作用引起的CO濃度的降低。

3.2 貴金屬催化劑去除CO的實驗

分別對1cmW905、1cmW905及2cm活性炭進行去除性能實驗，其中第二次實驗活性炭作為干燥劑鋪放在催化劑上方。CO起始濃度均為50ppm，記錄其濃度隨時間變化情況。

圖4、5表明，兩種情況下，在45分鐘內都可以達到CO的去除率100%。只有1cm貴金屬催化劑時，CO從55ppm下降到人體安全水平需要18分鐘；鋪設干燥劑后只需要12分鐘，活性提高。

3.3 兩種催化劑去除性能的比較

分別對無活性炭及鋪設活性炭的兩種情況下，觸媒和W905的催化活性進行比較。

圖6、7表明，在無活性炭和鋪設活性炭時，觸媒的活性都比W905低很多，最高去除率只有30%。而在兩種情況下，W905始終保持了很高的活性，去除率可以輕松達到100%。雖然價格較高，但對于煤礦井下救生艙內多變的環境適應性強，滿足其快速、高去除率的要求，而且保存簡易，用量少，W905明顯更適合救生艙內的CO去除。

4 結論

本文對不同催化劑在救生艙內去除CO的效果進行了實驗研究，比較W905和觸媒的活性，主要得到了以下結論：

（1）根據救生艙空間小、無外界電力供應等特點，并通過市場調查，選定了觸媒及W905兩種催化劑進行去除實驗研究，兩者分別為非貴金屬催化劑及貴金屬催化劑。

（2）通過無活性炭及鋪設活性炭兩種情況下觸媒去除CO的實驗研究，分析得出只有觸媒時活性僅維持10min，加入活性炭作為干燥劑后活性延長10min，去除率增大一倍，但低濕度下活性依然不高。

（3）通過無活性炭及鋪設活性炭兩種情況下W905去除CO的實驗研究，分析得出兩種情況下W905的去除率均可達到100%，且去除所需時間短，活性很高，鋪設活性炭后使CO的濃度由50ppm降至24ppm所需時間縮短33%。

（4）分別對觸媒和W905的催化活性進行比較，可知觸媒使用中極易失活，加干燥劑后活性依然不高，仍比W905低很多，而W905雖然成本較高，但去除CO能力強，反應速度快，1cm厚度下便可以在短時間內使CO的濃度達到人體安全的要求，且保存簡易，因此， W905更適用于救生艙內的CO去除。

參考文獻

[1]曹建國.礦井災害事故特點及處置對策，中國人民公安大學學報（自然科學版），2003，6：71-75.

[2]M.Okumura，S.Nakamura，S.Tsubota，T.Nakamura，M.Azuma，M.Haruta.Chemical vapor deposition of gold on Al2O3，SiO2 and TiO2 for the oxidation of CO and of H2.Catal.Lett.，1998，51（1-2）：53-58.

[3]Eun Duck park and Jae sung Lee.Effects of copper phase on CO oxidation over supported wacker-type catalysts.J.Catal.，1998，180：123-131.

[4]李曄.煤礦救生艙內空氣凈化技術的研究[D].北京：北京科技大學，2007.

[5]馬曉翔.密閉艙室有毒有害氣體的去除技術的研究[D].北京：北京科技大學，2007.

[6]畢玉水，呂功煊.CO低溫催化氧化研究進展[J].分子催化，2003，17（4）：313 - 320.

[7]吳樹新，尹燕華，馬智，等.非貴金屬CO氧化催化劑的研究進展[J].天然氣化工，2005，30 （2）：65-69，78.

[8]張紀領，等.CO低溫氧化霍加拉特劑的研究[J].工業催化，2007，15（6）：56-61.