密閉空間溫濕度條件對(duì)LiOH吸收效率的影響

楊國(guó)威，卞 強(qiáng)，余青霓，魏 巍

（中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京100094）

1 引言

一般情況下，CO2在空氣中的含量[1]（體積分?jǐn)?shù)）為0.03%～0.04%，當(dāng)室內(nèi)CO2濃度大于1.5%時(shí)，會(huì)引起人體呼吸困難和呼吸頻率加快、改變血液pH值、減弱人的活動(dòng)能力等；當(dāng)濃度大于3%時(shí)，會(huì)引起頭疼、眩暈、和惡心；當(dāng)濃度大于6%～8%時(shí)，可導(dǎo)致昏迷和死亡。因此嚴(yán)格控制室內(nèi)，尤其是控制密閉空間中人體代謝產(chǎn)生的CO2濃度至關(guān)重要。

當(dāng)前，國(guó)際上短期載人飛行和便攜生保系統(tǒng)中大量使用LiOH作為CO2吸收劑，這是由于非再生情況下，LiOH不僅分子量相對(duì)較小，可以有效降低發(fā)射成本，而且強(qiáng)堿與CO2的化學(xué)反應(yīng)劇烈，在接觸面積充分的情況下，反應(yīng)非常徹底。工程設(shè)計(jì)上雖然充分考慮了CO2凈化器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝填物L(fēng)iOH的成形方式對(duì)吸收效率的影響，但是產(chǎn)品在實(shí)際工作過(guò)程中，在溫度、濕度、氣體流動(dòng)等因素的共同作用下，CO2凈化器內(nèi)部微觀物理化學(xué)過(guò)程異常復(fù)雜，不僅包含有蒸發(fā)、擴(kuò)散、溶解等物理過(guò)程，而且交織著化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，不同過(guò)程之間也存在著相互關(guān)聯(lián)影響。載人航天器密閉空間有人駐留的環(huán)境中，正常條件下系統(tǒng)控制的溫度為17℃～25℃，相對(duì)濕度為30%～70%；但是當(dāng)系統(tǒng)控制出現(xiàn)故障時(shí)，溫濕度參數(shù)可能會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)。環(huán)境因素的變化有可能影響CO2凈化器內(nèi)部微觀物理化學(xué)過(guò)程，導(dǎo)致CO2吸收劑孔隙狀態(tài)發(fā)生變化，最終影響CO2凈化器的凈化效率。

本文旨在摸清故障狀態(tài)下，溫濕度波動(dòng)對(duì)LiOH吸收CO2能力的影響，從而預(yù)估該工況條件下CO2凈化器的真實(shí)凈化能力，為決策提供參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的CO2為北京兆格氣體科技有限公司生產(chǎn)，N2為北京普萊克斯實(shí)用氣體有限公司生產(chǎn)，LiOH為特制，CaCl2為北京奧博星生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)。

2.2 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)采用CO2和N2純氣配成CO2濃度為0.3%的入口氣體，加濕器調(diào)節(jié)濕度，通過(guò)恒溫水浴槽調(diào)節(jié)溫度（加濕器放入水浴槽中），從而得到所需溫度、濕度、CO2濃度的模擬氣體，氣體通過(guò)裝有LiOH吸收劑的反應(yīng)器，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)2LiOH+CO2=Li2CO3+H2O，從而吸收混合氣中的CO2，剩余氣體經(jīng)過(guò)干燥管濾除水分后，進(jìn)入CO2分析儀從而獲取反應(yīng)器出口的CO2濃度，當(dāng)出口濃度達(dá)到0.21%時(shí)停止試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程參數(shù)通過(guò)數(shù)字采集裝置實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)。具體試驗(yàn)流程如下圖所示：

圖1 試驗(yàn)流程圖

2.3 評(píng)價(jià)及測(cè)試方法

（1）反應(yīng)器有效工作時(shí)間：即在某種環(huán)境條件下，反應(yīng)器控制出口CO2濃度在0.21%內(nèi)所維持的時(shí)間。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)的指標(biāo)均來(lái)源于CO2凈化器性能試驗(yàn)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，該時(shí)間等效反映了CO2凈化器的有效工作時(shí)間。

（3）微觀形貌：通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察LiOH微觀形貌，電鏡為北師大分析測(cè)試中心日立S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡。

根據(jù)故障狀態(tài)下一飛行器座艙密閉空間溫濕度可能出現(xiàn)的波動(dòng)范圍，確定本試驗(yàn)?zāi)M氣體的溫度和濕度的控制值及其組合方式，以研究不同溫度和不同濕度對(duì)LiOH吸收效率的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 相同溫度條件下，濕度對(duì)材料吸收效率的影響

表1為模擬氣體溫度條件為23℃，濕度條件分別為50%、70%、95%三種樣品的有效工作時(shí)間，其中LiOH通過(guò)控制樣品體積來(lái)控制裝填量，表中數(shù)據(jù)顯示裝填量差別不大，與1#和2#樣品相比，3#樣品有效工作時(shí)間較短，即模擬氣體溫度為23℃、濕度為95%情況下，該反應(yīng)器吸收CO2能力相對(duì)較差。

圖2為23℃條件下不同濕度對(duì)LiOH利用率的影響曲線(xiàn)，從圖中可以看出3#樣品利用率最低，只有43.32%；而1#和2#樣品LiOH利用率差別不大，并且相對(duì)較高。試驗(yàn)中觀察反應(yīng)器發(fā)現(xiàn)，3#樣品表面濕度較大，LiOH藥粒粘結(jié)在一起，不易分開(kāi)；觀察藥粒斷層，3#存在大塊結(jié)晶現(xiàn)象，而其余兩種樣品均沒(méi)有，這是由于在95%的濕度條件下，隨著化學(xué)反應(yīng)生成水的增加，水分在局部范圍內(nèi)形成飽和，在材料表面凝結(jié)，從而會(huì)出現(xiàn)LiOH的局部溶解[2]或者LiOH·H2O結(jié)晶（Li2CO3沒(méi)有水合結(jié)晶）[3]，阻止部分LiOH的反應(yīng)；而在50%或70%濕度條件下，化學(xué)反應(yīng)生成水通過(guò)擴(kuò)散形成蒸汽，提高局部氣體含濕量，但不足以使水汽飽和，隨氣流流向下游。因此在23℃條件下，濕度對(duì)材料吸收效率影響較大，其中濕度為95%時(shí)，LiOH利用率較低。

表1 23℃條件下三種樣品不同濕度條件下的有效工作時(shí)間

圖2 23℃條件下不同濕度對(duì)LiOH利用率的影響

圖3為化學(xué)反應(yīng)前LiOH藥粒斷層SEM，從圖中可以看出，LiOH堆積成片層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)下部包含有大量孔隙，有利于化學(xué)反應(yīng)完全，有利于利用率的提高；圖4為2#與3#LiOH樣品化學(xué)反應(yīng)后的掃描照片，化學(xué)反應(yīng)后LiOH片層結(jié)構(gòu)變?yōu)殡s亂堆積的顆粒狀結(jié)構(gòu)，孔隙明顯減少，且相互堆積，導(dǎo)致微觀氣流不暢，從而最終影響CO2凈化器裝置的流阻，這與實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)相吻合。與2#相比，3#樣品發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后的微觀顆粒明顯較大，這是因?yàn)樵跐穸容^大的情況下，反應(yīng)不完全，在外側(cè)LiOH·H2O和局部水溶液的包覆下，顆粒中心的LiOH未能參加反應(yīng)，從而使反應(yīng)后顆粒較大，而模擬氣體濕度為70%情況相對(duì)較好，反應(yīng)較為完全。

圖3 化學(xué)反應(yīng)前LiOH藥粒斷層SEM

圖4 2#與3#樣品化學(xué)反應(yīng)后斷層的SEM（×20.0K）

為了驗(yàn)證上述結(jié)果的正確性，本文開(kāi)展了較高溫度條件下，相對(duì)濕度對(duì)材料吸收效率影響的試驗(yàn)。表2為28℃條件下三種樣品在不同濕度條件下的有效工作時(shí)間，在初始LiOH裝填量相當(dāng)?shù)那闆r下，6#有效工作時(shí)間明顯較短，該結(jié)果與23℃條件下規(guī)律相似，且對(duì)比數(shù)據(jù)差別不大。

表2 28℃條件下三種樣品不同濕度條件下的有效工作時(shí)間

從圖5可以看出，與23℃條件下相對(duì)比可知，28℃條件下濕度對(duì)LiOH吸收效率的影響規(guī)律相似，95%濕度條件下LiOH利用率只有47.47%，且從藥粒斷層同樣可以看出6#樣品同樣存在大塊結(jié)晶現(xiàn)象，從圖6化學(xué)反應(yīng)后的SEM中也可以看出，存在明顯大塊水合結(jié)晶和典型液體流動(dòng)的痕跡，飽和水蒸汽凝結(jié)在LiOH表面，使LiOH出現(xiàn)局部溶解，這將會(huì)減小CO2與LiOH的接觸面積，降低反應(yīng)速度，最終影響了LiOH的吸收效率。

圖5 28℃條件下不同濕度對(duì)LiOH利用率的影響

圖6 6#樣品化學(xué)反應(yīng)后斷層的SEM

通過(guò)分析23℃和28℃兩組溫度條件下濕度的影響，發(fā)現(xiàn)濕度對(duì)LiOH吸收效率影響規(guī)律相似，模擬氣體濕度為50%、70%情況下反應(yīng)器有效工作時(shí)間差別不大，LiOH成形顆粒內(nèi)部不會(huì)形成游離水和大塊水合結(jié)晶，且LiOH利用率相對(duì)較高；而95%的相對(duì)濕度將會(huì)嚴(yán)重影響LiOH的吸收效率，即在試驗(yàn)氣體流速不變，入口氣體濕度臨近飽和的情況下，化學(xué)反應(yīng)水蒸汽的加入，將會(huì)導(dǎo)致顆粒內(nèi)部水蒸汽飽和，形成局部LiOH溶液和LiOH·H2O，從而阻礙反應(yīng)的正常進(jìn)行，導(dǎo)致凈化效率的下降，甚至無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。

3.2 相同濕度條件下，溫度對(duì)材料吸收效率的影響

表3為95%濕度條件下三種樣品在不同溫度條件下的有效工作時(shí)間，從表中可以看出，模擬氣體溫度在16℃～28℃時(shí)，反應(yīng)器的有效工作時(shí)間差別不大，而從圖6的LiOH利用率曲線(xiàn)也可以看出，該濕度條件下，LiOH利用率均在50%左右，可以說(shuō)明溫度在16℃～28℃范圍內(nèi)對(duì)吸收劑LiOH的吸收效率影響不大。

表3 95%濕度條件下三種樣品在不同溫度條件下的有效工作時(shí)間

圖7 相對(duì)濕度95%條件下不同溫度對(duì)LiOH利用率的影響

同樣為了驗(yàn)證上述結(jié)果的正確性，本文開(kāi)展了50%濕度條件下，艙內(nèi)溫度對(duì)材料吸收效率影響的試驗(yàn)。表4和圖8為50%濕度條件下三種樣品在不同溫度條件下的有效工作時(shí)間和利用率，同樣可以發(fā)現(xiàn)模擬氣體溫度在23℃～33℃時(shí)，反應(yīng)器有效工作時(shí)間差別不大；濕度相同的條件下，溫度對(duì)LiOH吸收效率影響不大。

表4 50%濕度條件下三種樣品在不同溫度條件下的有效工作時(shí)間

圖8 相對(duì)濕度50%條件下不同溫度對(duì)LiOH利用率的影響

4 結(jié)論

1）23℃和28℃兩組溫度條件下，濕度對(duì)LiOH的影響規(guī)律相似，即相同溫度條件下，相對(duì)濕度在70%以下，不會(huì)形成游離水和大塊LiOH·H2O；相對(duì)濕度95%以上，材料表面會(huì)形成水溶液和大塊水合結(jié)晶，阻礙反應(yīng)進(jìn)行，最終使LiOH吸收效率明顯降低。

2）50%和95%兩組濕度條件下，溫度對(duì)LiOH的影響規(guī)律類(lèi)似，即在16℃～33℃范圍內(nèi)，溫度對(duì)反應(yīng)器有效工作時(shí)間影響不大，對(duì)吸收劑LiOH的吸收效率影響不明顯。

3）在正常人體舒適條件下，即密閉環(huán)境中氣體溫度22℃～24℃，相對(duì)濕度為50%～70%條件下，LiOH利用效率較高；在故障狀態(tài)下，臨近飽和的濕度將會(huì)嚴(yán)重影響LiOH利用效率，需要引起注意?！?/p>

［1］朱天樂(lè)，郝吉明.室內(nèi)空氣污染物控制.化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2003.

［2］趙卓，傅平豐.LiOH·H2O水合結(jié)晶與CO2的反應(yīng)動(dòng)力學(xué).航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2007，20（5）:344-348.

［3］天津化工研究院等編.無(wú)機(jī)鹽工業(yè)手冊(cè)（第二版）下冊(cè).化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2003.

［4］尉遲斌，盧士勛，周祖毅.實(shí)用制冷與空調(diào)工程手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社，北京，2003.