مجتمع دانشگاهي مواد و فنآوري هاي ساخت مركز تحقيقات توسعه و بهينه سازي مهمات

1. مجتمع دانشگاهي مواد و فنآوري هاي ساخت مركز تحقيقات توسعه و بهينه سازي مهمات بازيابي هواي تنفسي محيط هاي بسته در پدافند غيرعامل

2. مقدمه • در اثر تنفس انسان در محيط بسته گازO2 موجود در آن مصرف شده و گازCO2 و رطوبت توليد مي شود با گذشت زمان ميزان اكسيژن كاهش يافته و غلظت گاز CO2 و ميزان رطوبت افزايش مي يابد همچنين در اثر فعاليت ميكروارگانيسمها گازهاي سمي مثل CH4 ، H2S ، NH3توليد مي شود. براي تنفس انسان در هر محيطي ميزان O2 بايد در حد 21-19% باشد، تنفس در محيطهائـي با سطح O2 كمتر از 17% خطرناک است. ميزان مصرف گازO2 براي يک انسان بطور متوسط l/h 90-60 مي باشد. ميزان گاز CO2 در محيطهاي عادي در حد ppm350 است. در مورد گاز CO2 براي تنفس انسان تا غلظت ppm5000 (5/0%) ايجاد مشكل نمي كند و محيطي با غلظت بالاتر از ppm18000 (8/1%) غير قابل تنفس براي انسان تلقي مي شود. ميزان توليد گاز CO2 براي يک انسان بطور متوسطl/h75-60 است. براي يک فرد صدمه ديده يا نجات يافته از حادثه، تا 25% گازO2تنفسي نياز است و گاز CO2تجمعي نبايد از ppm5000 تجاوز کند و گازهاي آلاينده حتي در مقادير کم براي چنين فردي خطرناک است.

3. تغييرات گازهاي تنفسي انسان پارامترهاي تنفسي انسان

4. پارامترهاي سيستمهاي احياء كننده هوا • كاهش غلظت CO2 • تهيه و توليد اكسيژن • كنترل رطوبت • كنترل دما • كنترل آلودگي هاي نامطبوع و از بين بردن ميكروارگانيسمها و باكتريهاي مضر

5. مروري بر روش هاي بازيابي هواي تنفسي • بطور کلي براي تأمين اکسيژن مورد نياز براي تنفس و حذف گاز دي اکسيد کربن روشهاي زيادي وجود دارد که بسته به نوع استفاده اين روشها متفاوت مي باشد. در مورد محيط هاي بسته مانند پناهگاههاي زير زميني که از جمله روشهاي متداول استفاده از سيستمهاي تهويه مطبوع، روش استفاده از رآکتورهاي تبديل CO2 به O2 ، روش هاي مبتني بر فتوسنتز، روش هاي شيميائي جذب گاز CO2 ، روش هاي الک مولکولي، روش هاي شمع هاي اکسيژني، الکتروليز آب، روش شيميائي مواد پراکسيژني، کپسول اکسيژن ، يا کپسول هوا. هر يک از اين روشها چه روشهاي مورد استفاده براي حالت انفرادي و چه حالت تجمعي داراي محدوديت و معايب زيادي هستند که از آن جمله؛ پيچيدگي کنترل، خطرات بالقوه، بد عمل کردن اين سيستم ها در فشار هاي بالاي زير آب، عدم اطمينان کامل، مشکل تجمع گازهاي خطرناک، بالا بودن وزن، قيمت بالا و غيره

6. روش ارائه شده • روش ارائه شده در اين کار تحقيقاتيکه از روشهاي بر پايه استفاده از مواد شيميائي است و يکي از سيستم هاي جديد در دنيا مي باشد، در اين تحقيق با استفاده از اطلاعات مشابه در دنيا براي سيستم ها و تجهيزات کشور بومي شده است و در حال حاضر مورد استفاده نيروهاي مصرف کننده قرار گرفته است. در اين روش هيچيک از محدوديت ها و معايب روشهاي قبلي وجود ندارد. در اين روش فشار بالا هيچ تأثيري بر کارکرد آن ندارد، بطور همزمان عمل مي کند يعني ضمن توليد تدريجي گاز O2 گاز CO2 را حذف مي کند، چندين برابر سبک است، حالت هوشمند دارد بطوري که توليد گاز O2 آن و حذف گاز CO2 توسط آن بسته به فعاليت و ميزان مصرف است. کنترل بسيار ساده اي دارد، داراي هزينه تمام شده کمتري است، قابليت اطمينان بسيار بالائي دارد، ضريب تنفسي(RQ) آن دقيقاً منطبق با ضريب تنفسي انسان است.

7. ضريب تنفسي انسان • وقتي انسان عمل دم و بازدم را انجام مي دهد بطور مشخص تغييرات زير برروي سيستم مربوطه اعمال مي گردد: • 1- افزايش ميزان دي اكسيد كربن محيط • 2- كاهش ميزان اكسيژن • 3- افزايش رطوبت • 4- افزايش دماي • قابل به ذكر است كه تغيير اين پارامترها براي افراد مختلف تقريباً يکسان است.بطوريكه اين تغييرات در يك محدوده معين قرار مي گيرد. براي بررسي چگونگي تغييرات پارامترهاي تنفسيفوق پارامتري به نامضريب تنفسي انسان ( man respiratory quotient) يا به اختصار MRQوياRQ تعريف گرديده است كه در حقيقت نسبت حجم دي اكسيد كربن توليد شده به حجم اكسيژن مصرف شده توسط انسان مي باشد.

8. ضريب تنفسي سيستم احياء ساز(SRQ)

9. اندازه گيري ضريب تنفسي انسان

10. اندازه گيري ضريب تنفسي انسان تغييرات پارامترهاي تنفسي (( RQ افراد مورد آزمايشMRQ=0.615

11. انتخاب سيستم • از نظر فاکتور ضريب تنفسي، سوپراکسيدها بهترين گزينه براي استفاده در سيستم هاي احياءسازي تنفسي محسوب مي شوند که شامل؛ KO2 ، NaO2 ، LiO2و Ca(O2)2 مي باشند. در اين ميان ماده سوپراکسيد يا KO2 به دلايل زياد از جمله دسترس پذيري تجاري با خلوص بالا و قيمت پائين، قابليت بسيار بالا در حذف آلودگي هاي گازي و ميکروب و باکتري زدائي ، کارائي بي نظير در فشارهاي بالا و چندين قابليت ديگر در سيستم هاي تنفسي مورد استفاده قرار گرفته است. 1.5O2H=-11.8 kcal/mol2KO2 + 1.23CO2 + 0.23H2O  0.77K2CO3 + 0.46KHCO3 +

12. توسعه كاربردي KO2 • با استفاده از اطلاعات مربوط به شيمي KO2 بايد كاربرد مهندسي آن براي بهينه كردن استفاده از آن در عمل بدست آيد مطالعه براي توسعه كاربرد سوپر اكسيد پتاسيم در راستاي دو مسير در جهت افزايش حداكثر كارائـي آن توسعه وگسترش پيدا كرده است كه عبارت است از: • (1) اصلاح فيزيكي ماده شيميائي براي ايجاد تماس مناسب بين مواد شيميائـي جامد و واكنشگرهاي گازي • پودر، بصورت صفحه و قرص با تعداد بي شمار طرح مكانيكي • هدف ايجاد يك حالت تراكم با حداكثر سطح تماس و جلوگيري از فرآيند موسوم به Dusting • در كاربردهايي كه بصورت ورقه براي ايجاد تخلخل و بستر پايدار و نگهدارنده از اين لحاظ از الياف آزبست نوع كريزوتايل استفاده مي گردد • (2) اضافه كردن كاتاليست و افزودني براي دستيابي به تجزيه كامل ماده شيميائـي و نفوذ كامل گازي و حصول حداكثر كارائي • KO2 كاتاليست شده يك افزايش قابل ملاحضه در مقدار اكسيژن آزاد شده در حد 95%-90% اكسيژن تئوري نشان مي دهد • مس كلريد(CuOCl2) و CaO و CaCl2در حدود 91% مقدار تئوري اكسيژن آزاد مي كند. در حالي كه در صورت عدم استفاده از كاتاليست 3/64%اكسيژن آزاد مي كند. • تأثير افزودني ها باعث رسيدن به يك SRQ مطلوب بوسيله افزايش جذب CO2 توسط ماده شيميائي مي گردد.

13. برتري ها • - اعمال هر چهار پارامتر سيستمهاي احياء كننده هوا به طور همزمان • - فعاليت متناسب با غلظت گازهاي بازدم تنفسي و تعداد افراد • - كارائـي 100% در از بين بردن باكتري هاي مضر • - كارائـي عالي در فشارهاي بالا • - تقاضاي گسترده با سيستم كنترل فاقد پيچيدگي • - بدون نياز به انرژي مصرفي • - دسترس پذيري آسان و پائـين بودن قيمت • - سبكي وزن و اشغال فضاي كم • - قابليت اطمينان 100% • - سميت پائـين و خطرات كم هنگام استفاده • مـعـايـب • تاخير در شروع اوليه • ايجاد گرما • ايجاد لايه سفت و يا پديده Crusting

14. آزبست به عنوان يك ماده غير قابل جايگزين • - ايجاد استحكام مناسب در كاربردهاي صفحات با ابعاد بزرگ • - ايجاد تخلخل بسيار مناسب • - جلوگيري از تشكيل لايه سفت موسوم به پديده Crusting به عنوان مهمترين مشكل اين سيستمها • - به عنوان كاتاليزور براي انتقال مولكولهاي آب به لايه هاي داخلي صفحات • - كنترل دماي منطقه واكنش به دليل ظرفيت حرارتي بالا • - داراي الياف لوله اي شكل توخالي مناسب براي نفوذ گاز CO2 و خروج گاز O2

15. روش هاي ساخت • قسمت اساسي سيستم صفحات حاوي مخلوط مواد شيميايي است كه اساس آن KO2 با نسبت درصد60 تا 90 مي باشد، بقيه تركيبات به ترتيب اهميت ماده نگهدارنده ، هيدروكسيدهاي فلزات قليايي ، تركيبات كاتاليزوري و موادايجاد كننده تخلخل و غيره. • روش غير مستقيم : روش خشك ، روش اسلاري • پودر مواد تشكيل دهنده طي مراحلي از جمله سايزبندي ، گرانوله كردن، مخلوط كردن، نشاندن روي نگهدارنده، لايه بندي، قالبگيري و پرس. • مزيت: كنترل دقيق پارامترهاي صفحه مثل تخلخل، توزيع ذرات • عيب: مشكل اساسي حساسيت KO2نسبت به اتمسفر عادي • روش مستقيم: توليد و مصرف همزمان KO2 • مزيت: محدوديت حساسيت KO2 به رطوبت وجود ندارد • عيب: پرهزينه و مشكل بودن، محدوديت در كنترل تخلخل و توزيع ذرات

16. سيستهاي توليد آزمايشگاهي

17. پارامترهاي مهم کنترلي • ابعاد، ضخامت • تخلخل، توزيع ذرات • اندازه ذرات • دانسيته • استحكام صفحات • مقدار ماده به كار رفته • ظرفيت اکسيژني • ضريب تنفسي(SRQ) • تست هاي شبيه سازي تنفسي • تست هاي عملياتي

18. تست هاي شبيه سازي تنفسي

19. تست هاي شبيه سازي تنفسي

20. تست هاي شبيه سازي تنفسي

21. خط توليد نيمه صنعتي

22. نمونه هائي از محصولات توليدي

23. نتيجه گيري • برتري • خالص سازي و بازيابي واقعي هواي تنفسي بصورت همزمان • فعاليت متناسب با تعداد افراد • غلظت گازهاي بازدم تنفسي • كارايي مناسب در فشارهاي بالا • فاقد پيچيدگي كنترل • حداقل انرژي مصرفي • دسترسي آسان و قيمت پائـين • قابليت اطمينان بسيار بالا و 100% • كاربرد • تجهيز کامپارتمان هاي زيردريائي • پناهگاههايNBC • ميادين جنگي و جنگهاي شيميايـي و ميكروبي • استخراج معادن و فعاليت هاي زيرزميني و آتش نشاني • كارگاههاي آلوده صنعتي • سيستم تنفسي جمعي براي مراكز آلوده شهرهاي بزرگ و ...