密闭环境中二氧化碳的控制(高清版)

密闭环境中二氧化碳的控制

陈根年

（中国船舶工业总公司第七一八研究所）

目录

1.二氧化碳的危害

国际标准化组织(ISO)定义，“空气污染：通常系指由于人类活动和自然过程引起某些物质介入大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间，并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境。”

二氧化碳是最常见的气体。地球大气圈底层的二氧化碳含量约0. 03%。它主要来自有机物的燃烧和动物的呼吸。正常人每小时约呼出21L二氧化碳。在潜艇的密闭舱室内，如不消除二氧化碳，全体艇员呼出的二氧化碳不到5h浓度就积累至1%，15h可以升至3%。

大量的实验说明，人在含3%二氧化碳的空气中暴露数十小时，工作能力、智力活动能力显着下降。在含 1.5%二氧化碳的空气中暴露几十天，工作能力和基础生理指标无明显变化，慢性呼吸性的酸碱度和电解质平衡出现明显的适应性改变，离开这个环境若干天也未完全恢复。在含0.5%～0.8%二氧化碳的空气中长期暴露，尚未发现明显的变化。二氧化碳浓度若升高到5%，同时氧气浓度降低至10.5%，人员在这种环境中暴露几十小时，20%的人主诉头痛、恶心、畏寒、运动功能出现某些障碍。二氧化碳浓度更高时，人舍窒息死亡。

在密闭环境中，由于人自身的活动，二氧化碳浓度迅速升高，成为威胁人的安全的最主要因素。在长期的生物演变过程中，人已适应现在的大气环境。在人造环境中，力图把空气质量控制到大气那样和谐、清净是科学工作者长期努力的目标。

2.清除二氧化碳的基本方法

2.1.二氧化碳的理化性质

二氧化碳，分子式CO2,分子量44，沸点-78.2℃,溶点-56.6℃，气态比重1.976（标准状况），无色，无味，0.lMPa压力下在水中的溶解度0.1688(20℃)、0. 0576(60℃)、0(100℃)，溶于水后生成H2CO3，弱酸性，易与碱性物质反应生成碳酸盐或碳酸氢盐。

根据二氧化碳的性质，从空气中分离出二氯化碳可采用下列三类方法。

2.1.1.直接分离法。

利用二氧化碳的熔点比较高，固体二氧化碳（干冰）易保存的特点，深度冷却空气至一定温度以下可得到干冰。利用二氧化碳分子与其它分子在某些膜中传递速度的差异，可用膜技术把二氧化碳从空气中分离出来。植物的光合作用也是一种气体分离过程。

2.1.2.化学吸收法。

利用某种化学物质与空气中的二氧化碳反应生成相应的盐。这个过程在通常条件下有的可逆，有的不可逆，前者称为再生型吸收法，后者称为非再生型吸收法。

碱金属氢氧化物（如氢氧化锂、碱石灰）、碱金属碱土金属的过氧化物或超氧化物（如超氧化钠、超氧化钾）是非再生型吸收剂。

水、液体胺是再生型吸收剂。

2.1.

3.物理吸附法：

利用某些物质对不同分子的吸附能力的差异，可把二氧化碳从空气中分离出来。这是一个可逆过程。

分子筛、固态胺（弱碱性离子交换树脂）是典型的二氧化碳吸附剂。

2.2.适用于密闭环境的二氧化碳控制方法

在工业中，从混合气体中完全分离或部分分离二氧化碳，可以采用多种方法。从密闭的空气中分离二氧化碳的难度比工业生产大得多。其原因有：

2.2.1.二氧化碳浓度比较低，化学吸收的推动力比较小。

2.2.2.卫生学要求高。

吸收（吸附）过程不得产生二次污染。采用的化学物质对人体不仅不得产生急性、亚急性毒性，也不得有慢性毒性。

2.2.

3.密闭空间小，能源有限。

对吸收（吸附、分离）的工艺设备要求体积小，占地面积小，占的空间高度低，重量要轻。过程的耗能要少。

2.2.4.由于密闭空间内载人有限，后勤保障难，

要求处理二氧化碳的过程简单，易操作，可靠性高，容易维修，

容易实现自动化。

另一方面，密闭环境都是一些特殊场所，对处理二氧化碳过程的经挤性要求比工业过程低，也可以不考虑反应产物的综合利用。

人们曾经研究过几十种方法，经过筛选，许多方法虽然十分诱人，但是没有能发展成实用方法，例如，藻类光合作用既吸收二氧化碳又产生氧，但是效率太慨，需要巨大的光能，目前尚难以满足。像鱼那样从海水中直接分离氧，并把密闭空间中的二氧化碳等有害气体溶于海水是很有前途的方法，可惜现在的气体分离膜的分离能力不够高，如要满足一个人的呼吸需要则要安装10平方米的膜，现在密闭空间难以安装这么多的膜。

实际应用于密闭空间的清除空气中二氧化碳的方法只有碱金属氧氧化物吸收、一乙醇胺再生式吸收、分子筛变温变压吸附等。

3.碱金属氢氧化物吸收

3.1.常见的碱金属碱土金属氧化物和氢氧化物吸收二氧化碳的理论容

量见表1。

表1常见的固体吸收剂吸收二氧化碳的理论容量

氧化锂的容量最大，但是动力学特性不够好。氢氧化钠和氢氧化钾的吸湿性很强，实际应用不方便，它们都没有得到应用。

3.2.氢氧化锂的性质

在存在水蒸汽时，氢氧化锂与二氧化碳的主要反应是：

2LiOH+ 2H2O→2LiOH·H2O

2LiOH·H2O + CO2→Li2CO2+ 3H2O

3.3.钠石灰

钠石灰是混合碱，一般组成是：78. 5%氢氧化钙、4.0%氧氧化钠、17.5%水。少量氢氧化钠的存在可以大大加速氢氧化钙的吸收过程。

吸收反应式是：

CO2+H2O→H2CO3

H2CO3+ NaOH→Na2CO3+ H2O

Na2CO3+ Ca(OH)2→CaCO3+ NaOH

氢氧化锂、碱石灰与二氧化碳是气-固相化学反应，速度主要受固体颗粒的尺度，孔隙率、表面积及湿含量的影响，环境的湿度也有相当的影响。

图1提供了氢氧化锂、碱石灰的实验数据。在1～2秒时，氢氧化锂的实际吸收容量最好。

反应时间（s）

图l氢氧化锂、碱石灰的实验数据（27℃，RH90%时）氢氧化锂的综合性能好，已用于潜艇，与生氧器配套满足艇员的呼吸需要。载人宇宙飞船处在失重状态，显然不能使用液体吸收剂，氢氧化锂是理想的二氧化碳吸收剂。