張 強，劉何清，劉天宇，譚經(jīng)照，歐聰穎

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呼吸參數(shù)對化學(xué)氧自救器生氧參數(shù)的影響研究*

張 強1，劉何清1，劉天宇1，譚經(jīng)照2，歐聰穎1

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

針對化學(xué)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(xué)氧自救器生氧溫度、速率的影響。研究結(jié)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(yīng)速率的增加；呼吸頻率越高，呼入的CO2量越大，生氧反應(yīng)的速度越快，產(chǎn)熱量越大，瓶內(nèi)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(yīng)速率小，最高溫度值小，反應(yīng)持續(xù)的時間越長，自救器有效防護(hù)時間越長。

化學(xué)氧自救器；呼吸參數(shù)；生氧溫度；生氧速率

0 引 言

自救器是我國礦山行業(yè)使用較為廣泛的一種個體防護(hù)裝備，是礦山井下發(fā)生瓦斯或粉塵爆炸、火災(zāi)和瓦斯突出等災(zāi)害事故時工人第一時間實施自救的便攜裝備。多年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)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(shù)占礦井災(zāi)害死亡總體人數(shù)的90%以上[1]。因此，《煤礦安全規(guī)程》第十條規(guī)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(xué)氧自救器[3]。由于化學(xué)氧自救器具有體積小、重量輕、使用環(huán)境不受限制、氧氣釋放量大的優(yōu)點，它已成為我國采礦業(yè)廣泛使用的便攜式個體防護(hù)裝備[4?5]。

目前，ZH型礦用化學(xué)氧自救器在我國得到廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)原理見圖1，其生氧原理是利用KO2與人體呼出的CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并釋放出足量的氧氣，在一段時間內(nèi)保障使用者的正常呼吸，其化學(xué)反應(yīng)方程式為[6?7]：

4KO2+2CO2=2K2CO3+3O2

該化學(xué)反應(yīng)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)過程中釋放的熱量是導(dǎo)致自救器生氧溫度過高的根本因素[8]。若該放熱反應(yīng)的反應(yīng)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(hù)時間。通過分析化學(xué)反應(yīng)方程式，得出影響反應(yīng)速率的主要因素為人體呼吸參數(shù)、參與反應(yīng)藥劑量及環(huán)境溫度。

對于一種定型自救器產(chǎn)品，其內(nèi)部的KO2質(zhì)量一定，而人體呼吸量和參與反應(yīng)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(fā)揮自救器的救生功能，有必要對不同呼吸參數(shù)下的生氧溫度、反應(yīng)速率及自救器可使用時間開展研究，為科學(xué)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(shù)對化學(xué)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(xué)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(shù)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(guān)。一般生活常識認(rèn)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(guān)系沒有關(guān)注。筆者結(jié)合人體呼出氣體成分對生氧化學(xué)反應(yīng)速率的影響，找出其對生氧反應(yīng)速率的影響規(guī)律。

1.1 不同活動強度或做功量下的人體呼吸參數(shù)

為探究不同活動強度下人體呼吸參數(shù)的變化，撫順礦業(yè)集團(tuán)和沈陽研究院通過對德國DRAGER公司的人體測試數(shù)據(jù)并參照其測試內(nèi)容和方法對井下工作人員不同做功量下的生理參數(shù)進(jìn)行了實驗測定。得出不同活動強度下的人體生理呼吸參數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)整理見表1、表2[9]。

表1 不同活動強度下的生理呼吸參數(shù)

表2 不同做功量下的生理呼吸參數(shù)

1.2 做功量對人體生理呼吸參數(shù)的影響分析

結(jié)合表1和表2中的實測數(shù)據(jù)，設(shè)做功量為(kg?m/min)，呼吸量為(L/min)，CO2呼出量為，利用Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得出做功量、呼吸量與CO2呼出量之間的相互關(guān)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(guān)系

圖3 做功量與呼吸量的關(guān)系

圖4 做功量與CO2呼出量的關(guān)系

(2) 人體做功量與CO2呼出量呈指數(shù)函數(shù)關(guān)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(yīng)速率的影響分析

通過分析藥劑的性質(zhì)和藥劑的化學(xué)反應(yīng)可知，影響生氧化學(xué)反應(yīng)速率的主要人體呼吸參數(shù)是：呼吸量和CO2呼出量[10]。設(shè)人體呼出氣體中CO2濃度為CO2，結(jié)合圖2~圖4可推算出CO2與人體做功量、呼吸量之間的函數(shù)關(guān)系：

結(jié)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(yīng)速率的增加。對于生氧藥劑質(zhì)量一定的化學(xué)氧自救器而言，生氧反應(yīng)速率的增加，自救器的有效防護(hù)時間下降。

2 呼吸頻率對自救器生氧參數(shù)的 影響

人體的呼吸頻率是影響化學(xué)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(yīng)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(zhì)，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(tài)下開展試驗。因此，選擇靜坐狀態(tài)下進(jìn)行。通過研究不同呼吸頻率對該狀態(tài)下氧氣釋放速率和氧氣溫度的影響規(guī)律，以指導(dǎo)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(xué)化學(xué)與化工學(xué)院實驗平臺進(jìn)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(jìn)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(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)記錄時間間隔在1 s至 273 h內(nèi)可供選擇[10]。本實驗數(shù)據(jù)記錄時間間隔設(shè)置為30 s。

準(zhǔn)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(huán)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(dāng)生氧藥劑KO2絕大部分變?yōu)榈S色后，界定為藥劑反應(yīng)完，停止吹氣。當(dāng)傳感器測量的溫度接近或等于環(huán)境初始溫度時，將其記錄為實驗的結(jié)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(jié)果及分析

在等質(zhì)量不同呼吸頻率下抽濾瓶內(nèi)氧氣溫度隨時間的變化關(guān)系如圖6所示。在實驗開始前，瓶內(nèi)氣體溫度等于環(huán)境溫度(經(jīng)實測實驗環(huán)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(yīng)的初始階段，參與反應(yīng)的藥劑量充足，呼入的CO2與KO2藥劑充分反應(yīng)，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(dǎo)致氧氣的溫度逐漸增加。

當(dāng)反應(yīng)一段時間后，一是反應(yīng)產(chǎn)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(yīng)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(yīng)不充分，放出的熱量減 少[10]，從而導(dǎo)致生氧溫度的增加速度減慢，此時會出現(xiàn)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(xù)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(dāng)藥劑變?yōu)榈S色，本實驗認(rèn)定為KO2藥劑耗盡，停止吹氣時。此時，在內(nèi)外溫差作用下向瓶外環(huán)境散發(fā)熱量，致使瓶內(nèi)氧氣溫度逐漸下降。

結(jié)合圖6可以得出以下結(jié)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(nèi)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(yīng)的速度越快，產(chǎn)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(xiàn)的時間越晚；

(3) 當(dāng)藥劑變?yōu)榈S色，停止吹氣，生氧溫度達(dá)到最大值，隨后因為裝置散熱量大于產(chǎn)熱量，開始出現(xiàn)下降趨勢，直至與環(huán)境溫度相同；

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

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

3 結(jié) 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(yīng)速率的增加。

(2) 呼吸頻率越高，呼入的CO2量越大，化學(xué)氧產(chǎn)生的速度越快，產(chǎn)熱量越大，瓶內(nèi)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(xiàn)一個最高溫度值，且人體呼吸頻率越小，生氧反應(yīng)速率較小，導(dǎo)致生氧最高溫度值變小但反應(yīng)持續(xù)的時間會增加，即自救器有效防護(hù)時間延長。

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國家自然科學(xué)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(hù)，Email:706834335@qq.com。