集體防護濾毒技術(shù)研究進展

王永勝　馬駿　王麗芳　張婉飛

【摘 要】闡述了國內(nèi)外集體防護濾毒技術(shù)的手段及研究現(xiàn)狀，指出了新時期我軍集體防護面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，介紹了活性炭吸附技術(shù)、光催化技術(shù)、低溫等離子體技術(shù)的原理、現(xiàn)狀、特點及局限性，重點介紹了可再生濾毒技術(shù)，最后提供了集體防護濾毒技術(shù)的發(fā)展思路。

【關(guān)鍵詞】集體防護；濾毒技術(shù)；可再生濾毒

0 引言

集體防護是利用防護工程、戰(zhàn)斗車輛、艦船等防護核生化武器殺傷作用的區(qū)別于個體防護的一種手段。早期有德國的DSK永久性防護系統(tǒng)及美國的CPS集體防護系統(tǒng)，上世紀(jì)80年代美國海軍在艦艇上配置集體防護系統(tǒng)[1]。20世紀(jì)50年代，我國當(dāng)時提出了指揮防護工程防化設(shè)施的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求，開始仿制各種制式集體防護裝備。隨后主戰(zhàn)坦克和步兵戰(zhàn)車陸續(xù)裝備了濾毒通風(fēng)裝置。

1 集體防護面臨的挑戰(zhàn)

核生化過濾是集體防護的核心技術(shù)，戰(zhàn)時利用其對放射性塵埃、生物氣溶膠顆粒、毒劑氣溶膠、有毒煙霧及可吸入顆粒物的過濾及吸附的能力，為艙室提供清潔空氣，保證人員的生命安全。 “化武公約”簽訂后，集體防護的防護目標(biāo)由原來的5類11種毒劑，擴展到覆蓋軍用毒劑、工業(yè)有毒材料、工業(yè)有毒化合物等范圍[2]。對于集體濾毒技術(shù)而言，提升防護種類、提高防護性能、減負(fù)后勤保障，是各國集防發(fā)展的目標(biāo)，新時期濾毒技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)。

2 濾毒技術(shù)的研究

2.1 活性炭吸附技術(shù)

利用活性炭或者在活性炭上浸漬催化劑的炭吸附材料制成過濾器。其濾毒性能較好，在規(guī)定時間內(nèi)能有效濾毒。

美國的CPS核生化過濾系統(tǒng)設(shè)有粗濾器、高效濾器以及活性炭濾器三級濾器。法國的SPD公司生產(chǎn)的濾毒通風(fēng)裝置廣泛應(yīng)用于英、法等主要歐洲國家，其某型軍貿(mào)艦配備1500m3/h和300m3/h風(fēng)量的兩套濾毒通風(fēng)裝置，主要濾材為活性炭[3]。

2.2 光催化技術(shù)

將催化劑暴露在一定波長光下照射后可與毒劑發(fā)生光催化降解反應(yīng)[4]。特別是TiO2光催化劑，被應(yīng)用于洗消降解多類包含化學(xué)毒劑在內(nèi)的有機污染物。

Hirakawa等采用紅外光譜法，研究了TiO2對GB （沙林）的光催化降解反應(yīng)，GB分解迅速，最終產(chǎn)物為磷酸、水和二氧化碳[5]。沈忠等制備了一系列濃度的鋯摻雜納米TiO2，發(fā)現(xiàn)摻雜后催化劑對DMMP（VX模擬劑）和2-CEES（芥子氣模擬劑）的降解速率加快，且催化反應(yīng)過程中未產(chǎn)生有毒中間產(chǎn)物[6]。

2.3 低溫等離子體技術(shù)

低溫等離子體由大量電子、離子、光子、自由基、中性原子、激發(fā)態(tài)原子等組成，主要依靠高能電子與活性粒子對污染物降解。可與放射性物質(zhì)、毒劑及細菌迅速發(fā)生作用，洗消低濃度有毒害化合物。

趙紅杰等采用反應(yīng)氣耦合等離子體對DFP（沙林模擬劑）進行降解研究，發(fā)現(xiàn)對高濃度DFP（>80mg/m3），等離子體單獨作用最高降解率為89%，在添加臭氧耦合后降解率在95%以上，降解更徹底[7]。

2.4 小結(jié)

活性炭吸附技術(shù)近幾十年的研究重點是提升氯化氰的防護性能。分別研制了提升其防護性能的浸漬炭；用以改善浸漬炭陳化性能的TEDA炭及無鉻炭等。傳統(tǒng)的活性炭吸附技術(shù)，吸附一段時間后吸附量會達到飽和，需再次更換，因此防護時間有限；光催化技術(shù)主要將TiO2光催化劑負(fù)載在活性炭等材料上以提高催化劑的穩(wěn)定性及活性，對不同毒劑負(fù)載催化劑及反應(yīng)條件亦不同，難以做到廣譜防護；低溫等離子體技術(shù)總體上還處于探索性研究階段，對放電電源要求很高，對于適應(yīng)復(fù)雜多變的戰(zhàn)場還需進一步探索。

3 可再生濾毒技術(shù)

目前具有很好發(fā)展前景的濾毒技術(shù)是變溫、變壓吸附。變溫吸附是利用吸附劑平衡吸附量隨溫度升高而降低的特性，采用常溫吸附、升溫脫附的方法。變壓吸附是通過改變吸附塔壓力，采用加壓吸附，減壓（抽真空）脫附的方法。其采用了純物理吸脫附的原理，具有防護目標(biāo)廣、濾材可再生的特點，被歐美等國家認(rèn)為是最具有希望的新一代集體防護濾毒技術(shù)。

該技術(shù)一般情況采用雙塔用以實現(xiàn)吸附、脫附同時進行。低溫高壓吸附塔，使濾材具有更好的吸附性，高效吸附毒氣，直至接近吸附塔出口。高溫低壓脫附塔，使濾材快速脫除之前吸附的毒氣，待脫附完成后降溫升壓，用于下階段吸附，如此循環(huán)。

英美國家采用一對過濾器輪流對有毒氣體過濾，當(dāng)一個濾器過濾時，另一個采用變溫變壓脫附沾染物。這種變溫變壓輪換系統(tǒng)被稱為REGEN （可再生過濾）。Battelle Memorial Institute等機構(gòu)對REGEN系統(tǒng)進行了實毒評價，毒劑模擬劑包括全氟異丁烯、CK（氯化氰）、DMMP等，REGEN系統(tǒng)已廣泛配置于海軍軍艦 [8]。

英國ACT和PALL公司聯(lián)合研制了基于變壓吸附與空氣循環(huán)溫度控制的過濾技術(shù)。過濾單元采用填充吸附材料的兩個濾墊，一個在冷卻高壓下吸附，另一個在加熱解壓下脫附，循環(huán)再生[9]。

我國趙秀國等人基于變壓吸附技術(shù)設(shè)計研究了可再生濾毒通風(fēng)裝置[10]，示意圖見圖1。系統(tǒng)設(shè)置兩條相同分路分別進行吸脫附，六個單向閥控制氣流流向。空氣壓縮機將一定壓力的空氣通入粗濾器，氣流經(jīng)單向閥到達過濾吸收器1后分兩路，一路送至清潔空氣出口，另一路經(jīng)中間管路后反吹過濾吸收器2中的毒劑，經(jīng)尾氣出口排除。

4 展望

對于集體防護濾毒技術(shù)，未來的主要發(fā)展方向：一是，繼續(xù)沿著活性炭吸附技術(shù)方向深入研究，改進浸漬活性炭或者增加新濾毒層來滿足防護要求；二是，開發(fā)新濾毒技術(shù)，包括光催化、等離子體等技術(shù)。其中可再生濾毒技術(shù)具有廣譜防護、吸附性能好、脫附效率高、可再生循環(huán)吸脫附的特點，具有廣闊的發(fā)展前景。

【參考文獻】

[1]劉秀峰，喻俊峰，張益誠，等.集體防護區(qū)超壓建立過程分析[J].船海工程，2017，46（03）：147-149.

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[3]朱鴻.淺析某型軍貿(mào)艦船NBC濾毒通風(fēng)裝置[J].船舶，2013，24（03）：58-63.

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[6]沈忠，鐘近藝，王泠沄，等.鋯摻雜TiO2光催化降解2-CEES和DMMP的原位紅外與固體核磁研究[J].分子催化， 2016，30（3）：260-268.

[7]趙紅杰，胡真，李戰(zhàn)國.反應(yīng)氣耦合等離子體降解沙林模擬劑[J].環(huán)境工程學(xué)報，2014，8（8）：3537-3540.

[8]周平，張忠良，康健，等.海軍艦艇核生化集體防護發(fā)展概況[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2016，38（13）：1-5.

[9]杜紅霞，王俊新.基于可再生吸附的核生化過濾技術(shù)[J].船海工程，2016，45（02）：4-7.

[10]趙秀國，徐新喜，張文昌，等.可再生濾毒通風(fēng)裝置研究與設(shè)計[J].軍事醫(yī)學(xué)，2013，37（8）：571-573.endprint