趙寅超，任向紅，郎悅

(火箭軍工程大學，陜西 西安 710025)

0 引言

密閉空間空氣組分復雜，實測超過300多種[1]。自然界中氧氣、二氧化碳的含量一般不會出現(xiàn)大幅度波動，而密閉空間由于空氣流通性差，長時間不與外界接觸，當人員長時間在密閉空間內，空氣組分含量會發(fā)生較大變化。人體每小時需要約20 L氧氣同時呼出20～25 L二氧化碳，設備運轉、物質氧化等也會消耗氧氣釋放二氧化碳，密閉空間內二氧化碳含量在短時間內迅速升高。人員含氧量較低的密閉空間中作業(yè)，特別容易發(fā)生缺氧[2]。密閉空間內有害氣體必須加以控制，否則會因人體代謝、設備運轉等逐漸增多，當其含量超過容許濃度會對人體造成危害。特殊密閉環(huán)境空氣污染物主要為揮發(fā)性有機污染物(VOCs)，還有部分可吸入顆粒物[3]。密閉空間空氣保障系統(tǒng)是保證密閉空間內人們正常生活作業(yè)的最基本條件，該系統(tǒng)主要包含氧氣供應、二氧化碳去除和有害氣體凈化功能。

1 密閉空間

密閉空間又被稱為受限空間、有限空間、封閉空間等。我國GBZ/T 205—2007 《密閉空間作業(yè)職業(yè)危害防護規(guī)范》中定義密閉空間是指與外界相對隔離，進出口受限，自然通風不良，足夠容納一人進入并從事非常規(guī)、非連續(xù)作業(yè)的有限空間。

民用領域常見的密閉空間有人防工程、地下管道、溫室、冷庫、封閉試驗場所、科研深潛器、井下避難硐室、礦用救生艙等。軍事領域常見的密閉空間有潛艇、載人航天器等。本文研究是與外界無氣體交換完全封閉的特殊密閉空間。

2 密閉空間有害氣體來源

2.1 人體代謝

人體內的代謝物超過400種，而在呼吸過程中，大約有100種以上的氣體被釋放出來。除呼吸道外，人體的皮膚呼吸，胃腸道消化，汗液、皮脂、排泄物等揮發(fā)也會產生有害氣體，其中包括烴、醇、酮、醛、酸、含氮化合物等有機物和一氧化碳、硫化氫、氨和氫氣等無機物。中國航天員科研訓練中心通過對實驗對象皮膚的揮發(fā)物、呼出氣和汗液進行定性和定量分析，研究了人體代謝產物的釋放速率與運動狀態(tài)有關，隨著負荷的增加，釋放速率加快[4]。

2.2 設備運轉

密閉空間內設備用來保障里面人們的工作和生活，但設備運轉會產生有害氣體。例如柴油發(fā)電機產生一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等，蓄電池釋放氫氣、銻化氫、砷化氫，食品烹飪釋放一氧化碳、氮氧化物、苯并芘、PM2.5，空調產生氟利昂等。一氧化碳無色、無味但可以使血漿中氧合血紅蛋白急劇下降，引起缺氧窒息。氮氧化物主要為一氧化氮和二氧化氮，一氧化氮毒性和一氧化碳類似，二氧化氮毒性比一氧化氮高，它可以轉化為亞硝酸或硝酸可刺激呼吸道。

2.3 材料揮發(fā)

密閉空間內的建筑材料、裝飾材料、橡膠、粘合劑、溶劑、防凍劑、燃料等揮發(fā)產生有害氣體，主要成分為苯、甲苯、二甲苯、醛、酮、含氮化合物、含硫化合物等。甲醛和苯是一級致癌物，甲苯和二甲苯的毒性雖弱，但實際情況往往有苯混入，使“三苯”毒性增強。VOCs一直維持在低劑量釋放狀態(tài)，對機體的影響極大，其毒害可導致中樞神經系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)、以及密閉式循環(huán)系統(tǒng)中的免疫功能等失常。

3 密閉空間空氣保障系統(tǒng)

在與外界無氣體交換完全封閉的密閉空間均配有空氣保障系統(tǒng)進行氧氣供應、二氧化碳去除和有害氣體凈化。由于密閉空間空氣保障系統(tǒng)的特殊性，目前相關研究主要集中于軍用領域，在航天器和潛艇中應用比較廣泛。少數(shù)應用在民用領域的采礦業(yè)，例如井下避難硐室和礦用救生艙。

3.1 載人航天器

載人航天器是在繞地球軌道或外層空間按受控飛行路線運行的載人的飛行器，主要包括載人飛船、空間站和航天飛機。載人航天器的空氣保障系統(tǒng)分散在環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)(ECLSS)中，環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)中的供氣調壓子系統(tǒng)包含供氧系統(tǒng)，座艙大氣再生與污染控制子系統(tǒng)是由二氧化碳去除與微量污染控制組成[5]。環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)按任務周期、航天員數(shù)量和活動區(qū)域可分為非再生式、物理化學再生式和部分受控生態(tài)式。當前，世界主流航天器仍然采用非再生式，但是，隨著空間站的不斷發(fā)展，任務周期的延長，空氣保障系統(tǒng)逐漸向著物理化學再生式和部分受控生態(tài)式發(fā)展。

前蘇聯(lián)從“東方”號、“上升”號、“聯(lián)盟”號飛船到“禮炮”號空間站采用高壓氮氣和氧氣瓶保證氧氣供應，用超氧化鉀來排除航天員代謝產生的二氧化碳[6]。超氧化鉀在吸收二氧化碳的同時還能產生氧氣，但反應速率與人體呼吸熵不一致，故需搭配其他手段使用。從“聯(lián)盟”號飛船開始，還加了氫氧化鋰罐，輔助吸收二氧化碳。氫氧化鋰的分子量很小，吸收二氧化碳效率較高，使超氧化鉀吸收二氧化碳和產氧的化學過程與人排除二氧化碳和耗氧過程相適應，不致造成艙內氧濃度的過分升高。除了用活性碳排除微量污染氣體外，因超氧化鉀的強堿性，它在吸收二氧化碳同時還能輔助消除艙內其他一些酸性氣體污染物。俄羅斯“和平號”空間站上采用堿性電解質電解水供氧技術[7]。

美國的“水星”飛船座艙采用1/3大氣壓的純氧，“雙子星座”飛船開始用節(jié)省重量和體積的氧超臨界貯存技術的主氧源，從“阿波羅”7號起進行了改進，在發(fā)射時艙內采用氧、氮混合氣體。航天飛機也采用氧、氮混合座艙氣體，氧氣源也是采用210×102kPa壓力的高壓氣態(tài)貯存。美國從“水星”飛船到航天飛機一直用氫氧化鋰排除二氧化碳，用活性碳等排除微量有害氣體?！疤炜諏嶒炇摇焙蛧H空間站(ISS)上采用電解水作為主要氧氣制備方法、氧氣瓶作為備用氧源，采用了分子篩二氧化碳排除技術，“天空實驗室”從分子篩床解吸后的二氧化碳直接排到艙外，而國際空間站解吸后的二氧化碳回收濃縮后，用Sabatier技術還原再利用[8]?！疤炜諏嶒炇摇背擞醚b在分子篩床內活性碳排除微量有害氣體外，在其無人居住期間艙泄壓到較低壓力，也起到了排除微量有害氣體的作用。

“神舟”系列載人航天器是由自己攜帶的氧氣罐和氮氣罐供給的，它的內部裝有氣壓調節(jié)器，能夠持續(xù)的給駕駛室補充氧和氮，保證艙內的氣壓和空氣質量。采用氫氧化鋰排除二氧化碳，使用一定量的特種活性炭吸附微量有害氣體?！疤鞂m一號”飛行器搭載的固體聚合物電解質(SPE)電解制氧試驗裝置，由中國航天員中心研制，實現(xiàn)了在軌考核驗證[9]。飛行器使用高壓氧瓶作為電解制氧功能的備份，使用分子篩技術配合還原系統(tǒng)去除二氧化碳[10]。我國空間站的再生式環(huán)控生保系統(tǒng)是一個與地球相似的可循環(huán)系統(tǒng)，它由電解制氧子系統(tǒng)、二氧化碳去除系統(tǒng)、微量有害氣體去除子系統(tǒng)等組成，利用凝結干燥裝置將宇航員的汗液、尿液和呼出的蒸汽凈化成可飲用的循環(huán)水，采用電解法生產氧氣，把儲存在艙室中的二氧化碳與電解水生成的氫氣進行反應，得到水分。

3.2 潛艇

世界海軍強國都高度重視潛艇大氣環(huán)境控制系統(tǒng)技術的發(fā)展，大氣環(huán)境控制系統(tǒng)在潛艇裝備體系中占據(jù)了重要地位[11]。潛艇大氣環(huán)境控制系統(tǒng)已經發(fā)展了4代，從第1代以保證人員生命安全和設備運行安全為目標到第4代以提高人員生活的舒適性為目標，對氣態(tài)污染物釋放源頭予以控制，系統(tǒng)的集成優(yōu)化和自動化水平得到不斷提高。潛艇艙室內的空氣保障主要通過潛艇綜合空調系統(tǒng)進行實現(xiàn)，該系統(tǒng)包括空氣再生與凈化分系統(tǒng)和氣體監(jiān)測分析分系統(tǒng)[12]。

核潛艇因為潛航時間長，能源豐富且空間大，因此允許分配一定能源用于空氣再生。在氧氣供應方面，俄羅斯海軍采用低壓堿性電解水制氧技術，但是由于堿性電解液氫氧化鉀的腐蝕性以及其流動性，一旦電解液外泄，將導致嚴重后果。固體聚合物電解質(SPE)是以固體聚合物電解質代替?zhèn)鹘y(tǒng)的苛性堿液體電解質，相較于堿性電解質電解水法在工作效率、安全性、簡便性和穩(wěn)定性上的優(yōu)勢。美、英、法國海軍均采用制氧同時伴以氧燭作為應急供氧措施，我國核潛艇也使用電解水制氧技術并實現(xiàn)了由堿性電解液至固體聚合物電解質(SPE)技術的跨越。在二氧化碳去除方面，美英兩國采用一乙醇胺吸收技術，一乙醇胺的分子量小，水溶液堿性強，因而吸收酸性氣體的能力強，反應溫度在常溫下就能迅速進行。法國則以分子篩吸附技術實現(xiàn)對二氧化碳的吸收與有害氣體的清除來對空氣進行聯(lián)合凈化，分子篩的吸附過程是可逆的，所以分子篩可以循環(huán)使用。美國還將氫氧化鋰作為清除二氧化碳的應急措施[13]。我國科研人員研制長壽命復合胺用于核潛艇二氧化碳吸收，解決了乙醇胺熱穩(wěn)定性和抗氧化能力差等問題。在有害氣體凈化方面，國內外核潛艇均采用催化燃燒器集中凈化一氧化碳、氫氣和VOCs，區(qū)別在于采用的催化劑和催化溫度不同。美國核潛艇催化燃燒裝置采用霍加拉特劑，反應溫度在315 ℃，英國的裝置反應溫度為235 ℃，法國采用1%氧化鉑／氧化鋁催化劑可在100 ℃完成催化氧化，我國核潛艇催化燃燒裝置也是采用霍加拉特對一氧化碳和氫氣進行清除[14]。美國核潛艇同時大量使用靜電除塵技術，與空調風管配套使用對空氣中的顆粒物凈化。

常規(guī)潛艇潛航時間短，空間緊湊，攜帶的能源有限，因此常攜帶一次性藥劑用于空氣再生。在氧氣供應方面，俄羅斯常規(guī)潛艇采用超氧化物供氧。德國常規(guī)潛艇使用液氧罐供氧，液氧罐供氧原理是把液態(tài)氧汽化為氣態(tài)氧使用，體積通?？梢詳U大800倍，經濟性高而且供氧的過程中基本不耗費電力。英國常規(guī)潛艇上使用氧燭作為供氧設備[15]，氧燭具有很大的穩(wěn)定性，使用方便，但氧燭一旦被點燃，就會失控，數(shù)分鐘之內就會燃燒殆盡，而且氧的濃度會變得不穩(wěn)定，局部地區(qū)的氧含量會有很大的波動，甚至會超過23%。在二氧化碳去除方面，法國一直將堿石灰用于常規(guī)潛艇二氧化碳的去除，堿石灰通常是氫氧化鈉與氧化鈣組成的混合物，具有易于操作、成本低廉的優(yōu)點，使用堿石灰一般可控制二氧化碳濃度在1.5%以下，但吸收效率較低，每公斤堿石灰大約僅能吸收0.4 kg的二氧化碳氣體。日本潛艇用氫氧化鋰去除二氧化碳，我國研制的氧燭氫氧化鋰空氣再生裝置已應用于各型常規(guī)潛艇[16]。在有害氣體凈化方面，常規(guī)潛艇中裝備以活性炭等多孔物質作為吸附材料的空氣凈化濾器。

AIP(裝備有不依賴空氣推進裝置)潛艇由于其特殊性，在艙室空氣保障上難于柴電常規(guī)潛艇和核潛艇。氧氣供應方面采用液氧汽化和SPE電解水制氧結合的方式，采用固態(tài)胺去除二氧化碳，固態(tài)胺吸附二氧化碳效率高、過程可逆。與分子篩相比，固態(tài)胺具有吸附時受水蒸氣影響較小，脫附再生溫度較低的優(yōu)點。AIP潛艇采用低溫有害氣體燃燒技術、等離子技術、光催化等技術對有害氣體凈化[17]。

3.3 救生艙

目前市面上的救生艙種類有：礦用救生艙、火災救生艙、海嘯救生艙，其中礦用救生艙最為普遍。礦用救生艙是煤礦井下的緊急救生設備，主要是為了在煤礦發(fā)生意外時，保護被困人員在井下等候救援。南非、加拿大、美國、澳大利亞等礦業(yè)發(fā)達國家的救生艙在氧氣供應方面，將高壓氣瓶、壓縮空氣作為主要供氧措施，在主要氧氣供應意外中斷時采用氧燭作為應急氧源[18]。二氧化碳去除方面選用價格低廉、性能可靠，保質期長的堿石灰作為二氧化碳的吸收劑。

美國斯特塔安全設備(Strata Safety Products)公司作為全球最大的救生艙供應商，配套氧氣瓶和壓縮空氣瓶對避難艙內供應氧氣。其獲得專利的二氧化碳凈化裝置是由壓縮空氣為動力，內填堿石灰藥卷作為去除劑，裝置工作時可以對脫除避難艙內的二氧化碳[19]。生化避難艙(ChemBioshelter)公司的充氣式避難艙利用懸掛在艙內含有堿石灰等成分的幕簾去除二氧化碳，具有清洗效率高、成本費用低、環(huán)保效果好的特點。避難艙開發(fā)領域處于前列的澳大利亞邁安科(MineArc)公司，在艙內安裝有三套空氣供應系統(tǒng)：即經過過濾和降噪處理的壓縮空氣系統(tǒng)、醫(yī)療級氧氣瓶系統(tǒng)以及1 h內提供2600 L氧氣的氧燭系統(tǒng)。

與國外相比，救生艙在國內的研究起步較晚。北京科技大學承擔的礦用可移動救生艙科研項目于2008年在模擬巷道內完成了4人、96 h的安全驗證試驗[20]。曹利波等進行了分子篩、鈉石灰與超氧化鉀藥板凈化二氧化碳試驗，認為吸收速率高、安全性好、產熱少的鈉石灰更適合于礦用救生艙內二氧化碳去除[21]。西安科技大學的張小波通過對二氧化碳去除原理和方法的分析，比較了六種常用二氧化碳凈化技術的優(yōu)缺點，總結得出堿石灰法是最適合去除礦用救生艙內二氧化碳的方法[22]。南京航空航天大學的佘陽梓設計了一套無源的救生艙環(huán)境控制系統(tǒng)，在四人艙中選用過氧化鈉搭配活性炭凈化空氣，在八人艙中選用高壓氣瓶供氧，利用堿金屬鹽去除二氧化碳、霍加拉特劑催化氧化一氧化碳[23]。天津理工大學的王鐘偉設計了一種高層建筑火災救生艙采用高壓氧氣瓶作為氧源，堿石灰作為二氧化碳吸收劑[24]。

4 結論與展望

綜上所述，密閉空間空氣保障系統(tǒng)是維持密閉空間人員生存的重要系統(tǒng)，不同類型的密閉空間系統(tǒng)根據(jù)保障任務、空間大小、使用人數(shù)、能源動力等不同采用不同的空氣保障技術。目前，密閉空間空氣保障系統(tǒng)中空氣保障技術的研究偏向于固體聚合物電解質(SPE)電解制氧，分子篩、固態(tài)胺清除二氧化碳，催化燃燒技術凈化有害氣體。伴隨著空氣保障技術的發(fā)展，密閉空間空氣保障系統(tǒng)總體上是由非再生式向再生式發(fā)展、由分散式向一體化發(fā)展、由人工化向智能化發(fā)展。