呼吸參數對化學氧自救器生氧參數的影響研究*

張 強，劉何清，劉天宇，譚經照，歐聰穎

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呼吸參數對化學氧自救器生氧參數的影響研究*

張 強1，劉何清1，劉天宇1，譚經照2，歐聰穎1

(1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭市 411201；2.湖南科技大學 化學化工學院，湖南 湘潭市 411201)

針對化學氧自救器在使用過程中存在生氧溫度過高的問題，通過理論分析和實驗室研究的方法，研究人體做功量和呼吸頻率對化學氧自救器生氧溫度、速率的影響。研究結果表明，人體活動強度、做功量增加，將造成呼吸量、呼出二氧化碳量及濃度的增加；呼出二氧化碳量及濃度增加，將引起自救器生氧反應速率的增加；呼吸頻率越高，呼入的CO2量越大，生氧反應的速度越快，產熱量越大，瓶內氧氣溫度上升速度越快；藥劑量有限或無限，均存在生氧溫度最高值；呼吸頻率小，生氧反應速率小，最高溫度值小，反應持續的時間越長，自救器有效防護時間越長。

化學氧自救器；呼吸參數；生氧溫度；生氧速率

0 引 言

自救器是我國礦山行業使用較為廣泛的一種個體防護裝備，是礦山井下發生瓦斯或粉塵爆炸、火災和瓦斯突出等災害事故時工人第一時間實施自救的便攜裝備。多年的統計數據顯示，由于吸入有毒有害氣體而窒息或中毒死亡的井下工人人數占礦井災害死亡總體人數的90%以上[1]。因此，《煤礦安全規程》第十條規定入井人員必須隨身攜帶自救器[2]。

自救器主要分為3種類型：過濾式自救器、壓縮氧自救器和化學氧自救器[3]。由于化學氧自救器具有體積小、重量輕、使用環境不受限制、氧氣釋放量大的優點，它已成為我國采礦業廣泛使用的便攜式個體防護裝備[4?5]。

目前，ZH型礦用化學氧自救器在我國得到廣泛應用，其結構原理見圖1，其生氧原理是利用KO2與人體呼出的CO2發生化學反應并釋放出足量的氧氣，在一段時間內保障使用者的正常呼吸，其化學反應方程式為[6?7]：

4KO2+2CO2=2K2CO3+3O2

該化學反應為放熱反應，反應過程中釋放的熱量是導致自救器生氧溫度過高的根本因素[8]。若該放熱反應的反應速率過快，不僅影響自救器的生氧溫度，還會影響使用舒適性及有效防護時間。通過分析化學反應方程式，得出影響反應速率的主要因素為人體呼吸參數、參與反應藥劑量及環境溫度。

對于一種定型自救器產品，其內部的KO2質量一定，而人體呼吸量和參與反應的CO2的量則是不確定的，主要受使用人活動強度及呼吸頻率的影響。為最大限度發揮自救器的救生功能，有必要對不同呼吸參數下的生氧溫度、反應速率及自救器可使用時間開展研究，為科學使用自救器救生提供參考。

本文通過實驗實測的方式研究人體呼吸參數對化學氧自救器生氧速率及生氧溫度的影響，為將來研制與合理使用化學氧自救器提供參考。

1—氣囊；2—呼吸閥；3—呼吸軟管；4—口具塞；

1 不同活動強度人體呼吸參數及 分析

人體吸入氧氣并排出二氧化碳以維持生命過程。人體吸入的氧氣量和排出的CO2量跟人體活動強度密切相關。一般生活常識認為，人體活動量增加，呼吸量及呼出的CO2量將隨之增加，但它們之間的量化關系沒有關注。筆者結合人體呼出氣體成分對生氧化學反應速率的影響，找出其對生氧反應速率的影響規律。

1.1 不同活動強度或做功量下的人體呼吸參數

為探究不同活動強度下人體呼吸參數的變化，撫順礦業集團和沈陽研究院通過對德國DRAGER公司的人體測試數據并參照其測試內容和方法對井下工作人員不同做功量下的生理參數進行了實驗測定。得出不同活動強度下的人體生理呼吸參數，經數據整理見表1、表2[9]。

表1 不同活動強度下的生理呼吸參數

表2 不同做功量下的生理呼吸參數

1.2 做功量對人體生理呼吸參數的影響分析

結合表1和表2中的實測數據，設做功量為(kg?m/min)，呼吸量為(L/min)，CO2呼出量為，利用Origin軟件進行數據擬合，得出做功量、呼吸量與CO2呼出量之間的相互關系[10]，如圖2~圖4所示。

從圖2~圖4可得出：

(1) 人體的做功量與呼吸量、呼吸量與CO2呼出量之間呈線性增加。

圖2 呼吸量與CO2呼出量的關系

圖3 做功量與呼吸量的關系

圖4 做功量與CO2呼出量的關系

(2) 人體做功量與CO2呼出量呈指數函數關系。且人體做功量越大，單位做功變化量下人體呼出CO2變化量越大。

1.3 做功量對生氧反應速率的影響分析

通過分析藥劑的性質和藥劑的化學反應可知，影響生氧化學反應速率的主要人體呼吸參數是：呼吸量和CO2呼出量[10]。設人體呼出氣體中CO2濃度為CO2，結合圖2~圖4可推算出CO2與人體做功量、呼吸量之間的函數關系：

結合圖2~圖4與式(1)、式(2)可看出，隨著人體做功量的增加，人體的呼吸量和呼出二氧化碳濃度均會增加，兩者的增加會引起自救器生氧反應速率的增加。對于生氧藥劑質量一定的化學氧自救器而言，生氧反應速率的增加，自救器的有效防護時間下降。

2 呼吸頻率對自救器生氧參數的 影響

人體的呼吸頻率是影響化學氧自救器氧氣溫度、氧氣釋放速率的因素之一，隨著人體呼吸頻率的改變，人體的呼吸量和呼出氣體成分也隨之變化，從而影響生氧反應速率和生氧溫度[10?11]。由于工人在使用自救器逃生奔跑的過程中難以自主控制呼吸頻率，不同的奔跑速度和體質，人的呼吸頻率不同。本文由于實驗裝置的限制，不能在奔跑狀態下開展試驗。因此，選擇靜坐狀態下進行。通過研究不同呼吸頻率對該狀態下氧氣釋放速率和氧氣溫度的影響規律，以指導使用者如何降低自救器的生氧溫度，并在實際使用過程中延長使用時間。

2.1 實驗方案及實驗過程

實驗在湖南科技大學化學與化工學院實驗平臺進行，實驗原理見圖5。

實驗采用AB204-N梅特勒-托利多普及型分析天平和精密天平進行KO2藥劑稱量，其稱量范圍為0~ 400 g，精度±0.1 mg；通過DS1922L型紐扣式無線傳感器采集生氧溫度，然后通過與傳感器配套的溫度測量系統進行數據處理。DS1922L無線傳感器溫度測量范圍為?40 ℃~85 ℃，有0.5 ℃和0.0625 ℃ 2種精度可供選擇，為保證實驗過程的精確性，本實驗選用0.0625 ℃精度，傳感器數據記錄時間間隔在1 s至 273 h內可供選擇[10]。本實驗數據記錄時間間隔設置為30 s。

準備4份每份為10 g的KO2藥劑粉末，將其分別置于抽濾瓶中。在相同的實驗環境條件下分別用15，20，25，30次/min 4種呼吸頻率向抽濾瓶中吹入氣 體[10, 12]。當生氧藥劑KO2絕大部分變為淡黃色后，界定為藥劑反應完，停止吹氣。當傳感器測量的溫度接近或等于環境初始溫度時，將其記錄為實驗的結束時間點。

1—抽濾瓶；2—濾嘴；3—生氧藥劑；4—瓶口；5—棉花；6—溫度傳感器

2.2 實驗結果及分析

在等質量不同呼吸頻率下抽濾瓶內氧氣溫度隨時間的變化關系如圖6所示。在實驗開始前，瓶內氣體溫度等于環境溫度(經實測實驗環境溫度為 21.685 ℃)。

圖6 不同呼吸頻率下生氧溫度的對比

在放氧反應的初始階段，參與反應的藥劑量充足，呼入的CO2與KO2藥劑充分反應，裝置中的氣體蓄熱量大于通過裝置的散熱量，熱量逐漸累積，導致氧氣的溫度逐漸增加。

當反應一段時間后，一是反應產物K2CO3覆蓋于KO2藥劑表面、減小了CO2與KO2藥劑的接觸面積；二是參與反應的KO2藥劑量逐漸減少，二者均會造成呼入的CO2與KO2藥劑反應不充分，放出的熱量減 少[10]，從而導致生氧溫度的增加速度減慢，此時會出現2種情況：一是氣體的蓄熱量仍大于通過裝置的散熱量，氧氣溫度繼續增加但會比之前生氧溫度增加速率變慢；二是氣體的蓄熱量開始小于通過裝置的散熱量，此時氧氣溫度逐漸減小。

當藥劑變為淡黃色，本實驗認定為KO2藥劑耗盡，停止吹氣時。此時，在內外溫差作用下向瓶外環境散發熱量，致使瓶內氧氣溫度逐漸下降。

結合圖6可以得出以下結論：

(1) 生氧藥劑充足階段，隨著時間增加生氧溫度迅速上升，且呼吸頻率越高，瓶內氧氣溫度上升速率越大。亦即，呼吸頻率越高，呼入的CO2量越大，反應的速度越快，產熱量越大，氧氣溫度上升速度越快；

(2) 呼吸頻率越小，生氧溫度最高值越小，且其出現的時間越晚；

(3) 當藥劑變為淡黃色，停止吹氣，生氧溫度達到最大值，隨后因為裝置散熱量大于產熱量，開始出現下降趨勢，直至與環境溫度相同；

(4) 人體呼吸頻率越低，生氧反應速率較小，反應持續的時間較長，即有效防護時間也會較長；

(5) 停止呼氣后，瓶內氧氣溫度降低速率也出現與呼吸頻率明顯的相關性。呼吸頻率高，其溫度下降速度也就快，實驗結束的時間越早。

3 結 論

(1) 人體活動強度、做功量增加，呼吸量、呼出二氧化碳量及濃度均會增加；呼出二氧化碳量及濃度增加，將引起自救器生氧反應速率的增加。

(2) 呼吸頻率越高，呼入的CO2量越大，化學氧產生的速度越快，產熱量越大，瓶內氧氣溫度上升速度越快。

(3) 相同生氧藥劑量下，每一種呼吸頻率均出現一個最高溫度值，且人體呼吸頻率越小，生氧反應速率較小，導致生氧最高溫度值變小但反應持續的時間會增加，即自救器有效防護時間延長。

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國家自然科學基金資助項目(51474105).

(2018?07?15)

張 強(1993—)，男，四川綿陽人，碩士研究生，研究方向為個體防護，Email:706834335@qq.com。