密閉空間溫濕度條件對LiOH吸收效率的影響

楊國威，卞 強，余青霓，魏 巍

（中國航天員科研訓練中心，北京100094）

1 引言

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

當前，國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不僅分子量相對較小，可以有效降低發(fā)射成本，而且強堿與CO2的化學反應劇烈，在接觸面積充分的情況下，反應非常徹底。工程設計上雖然充分考慮了CO2凈化器的結構設計、裝填物LiOH的成形方式對吸收效率的影響，但是產品在實際工作過程中，在溫度、濕度、氣體流動等因素的共同作用下，CO2凈化器內部微觀物理化學過程異常復雜，不僅包含有蒸發(fā)、擴散、溶解等物理過程，而且交織著化學反應過程，不同過程之間也存在著相互關聯(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℃，相對濕度為30%～70%；但是當系統(tǒng)控制出現(xiàn)故障時，溫濕度參數可能會出現(xiàn)較大的波動。環(huán)境因素的變化有可能影響CO2凈化器內部微觀物理化學過程，導致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，溫濕度波動對LiOH吸收CO2能力的影響，從而預估該工況條件下CO2凈化器的真實凈化能力，為決策提供參考依據。

2 試驗

2.1 試驗材料

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

2.2 試驗流程

試驗采用CO2和N2純氣配成CO2濃度為0.3%的入口氣體，加濕器調節(jié)濕度，通過恒溫水浴槽調節(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，氣體通過裝有LiOH吸收劑的反應器，發(fā)生化學反應2LiOH+CO2=Li2CO3+H2O，從而吸收混合氣中的CO2，剩余氣體經過干燥管濾除水分后，進入CO2分析儀從而獲取反應器出口的CO2濃度，當出口濃度達到0.21%時停止試驗，整個試驗過程參數通過數字采集裝置實時記錄數據。具體試驗流程如下圖所示：

圖1 試驗流程圖

2.3 評價及測試方法

（1）反應器有效工作時間：即在某種環(huán)境條件下，反應器控制出口CO2濃度在0.21%內所維持的時間。本次試驗設計的指標均來源于CO2凈化器性能試驗相關技術指標，該時間等效反映了CO2凈化器的有效工作時間。

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

根據故障狀態(tài)下一飛行器座艙密閉空間溫濕度可能出現(xiàn)的波動范圍，確定本試驗模擬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LiOH吸收效率的影響。

3 結果與討論

3.1 相同溫度條件下，濕度對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間，其中LiOH通過控制樣品體積來控制裝填量，表中數據顯示裝填量差別不大，與1#和2#樣品相比，3#樣品有效工作時間較短，即模擬氣體溫度為23℃、濕度為95%情況下，該反應器吸收CO2能力相對較差。

圖2為23℃條件下不同濕度對LiOH利用率的影響曲線，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，并且相對較高。試驗中觀察反應器發(fā)現(xiàn)，3#樣品表面濕度較大，LiOH藥粒粘結在一起，不易分開；觀察藥粒斷層，3#存在大塊結晶現(xiàn)象，而其余兩種樣品均沒有，這是由于在95%的濕度條件下，隨著化學反應生成水的增加，水分在局部范圍內形成飽和，在材料表面凝結，從而會出現(xiàn)LiOH的局部溶解[2]或者LiOH·H2O結晶（Li2CO3沒有水合結晶）[3]，阻止部分LiOH的反應；而在50%或70%濕度條件下，化學反應生成水通過擴散形成蒸汽，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，濕度對材料吸收效率影響較大，其中濕度為95%時，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間

圖2 23℃條件下不同濕度對LiOH利用率的影響

圖3為化學反應前LiOH藥粒斷層SEM，從圖中可以看出，LiOH堆積成片層結構，該結構下部包含有大量孔隙，有利于化學反應完全，有利于利用率的提高；圖4為2#與3#LiOH樣品化學反應后的掃描照片，化學反應后LiOH片層結構變?yōu)殡s亂堆積的顆粒狀結構，孔隙明顯減少，且相互堆積，導致微觀氣流不暢，從而最終影響CO2凈化器裝置的流阻，這與實際試驗測試數據相吻合。與2#相比，3#樣品發(fā)生化學反應后的微觀顆粒明顯較大，這是因為在濕度較大的情況下，反應不完全，在外側LiOH·H2O和局部水溶液的包覆下，顆粒中心的LiOH未能參加反應，從而使反應后顆粒較大，而模擬氣體濕度為70%情況相對較好，反應較為完全。

圖3 化學反應前LiOH藥粒斷層SEM

圖4 2#與3#樣品化學反應后斷層的SEM（×20.0K）

為了驗證上述結果的正確性，本文開展了較高溫度條件下，相對濕度對材料吸收效率影響的試驗。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間，在初始LiOH裝填量相當的情況下，6#有效工作時間明顯較短，該結果與23℃條件下規(guī)律相似，且對比數據差別不大。

表2 28℃條件下三種樣品不同濕度條件下的有效工作時間

從圖5可以看出，與23℃條件下相對比可知，28℃條件下濕度對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晶現(xiàn)象，從圖6化學反應后的SEM中也可以看出，存在明顯大塊水合結晶和典型液體流動的痕跡，飽和水蒸汽凝結在LiOH表面，使LiOH出現(xiàn)局部溶解，這將會減小CO2與LiOH的接觸面積，降低反應速度，最終影響了LiOH的吸收效率。

圖5 28℃條件下不同濕度對LiOH利用率的影響

圖6 6#樣品化學反應后斷層的SEM

通過分析23℃和28℃兩組溫度條件下濕度的影響，發(fā)現(xiàn)濕度對LiOH吸收效率影響規(guī)律相似，模擬氣體濕度為50%、70%情況下反應器有效工作時間差別不大，LiOH成形顆粒內部不會形成游離水和大塊水合結晶，且LiOH利用率相對較高；而95%的相對濕度將會嚴重影響LiOH的吸收效率，即在試驗氣體流速不變，入口氣體濕度臨近飽和的情況下，化學反應水蒸汽的加入，將會導致顆粒內部水蒸汽飽和，形成局部LiOH溶液和LiOH·H2O，從而阻礙反應的正常進行，導致凈化效率的下降，甚至無法繼續(xù)進行。

3.2 相同濕度條件下，溫度對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間，從表中可以看出，模擬氣體溫度在16℃～28℃時，反應器的有效工作時間差別不大，而從圖6的LiOH利用率曲線也可以看出，該濕度條件下，LiOH利用率均在50%左右，可以說明溫度在16℃～28℃范圍內對吸收劑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間

圖7 相對濕度95%條件下不同溫度對LiOH利用率的影響

同樣為了驗證上述結果的正確性，本文開展了50%濕度條件下，艙內溫度對材料吸收效率影響的試驗。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間和利用率，同樣可以發(fā)現(xiàn)模擬氣體溫度在23℃～33℃時，反應器有效工作時間差別不大；濕度相同的條件下，溫度對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間

圖8 相對濕度50%條件下不同溫度對LiOH利用率的影響

4 結論

1）23℃和28℃兩組溫度條件下，濕度對LiOH的影響規(guī)律相似，即相同溫度條件下，相對濕度在70%以下，不會形成游離水和大塊LiOH·H2O；相對濕度95%以上，材料表面會形成水溶液和大塊水合結晶，阻礙反應進行，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LiOH的影響規(guī)律類似，即在16℃～33℃范圍內，溫度對反應器有效工作時間影響不大，對吸收劑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嚴重影響LiOH利用效率，需要引起注意。◇

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

［2］趙卓，傅平豐.LiOH·H2O水合結晶與CO2的反應動力學.航天醫(yī)學與醫(yī)學工程，2007，20（5）:344-348.

［3］天津化工研究院等編.無機鹽工業(yè)手冊（第二版）下冊.化學工業(yè)出版社，北京，2003.

［4］尉遲斌，盧士勛，周祖毅.實用制冷與空調工程手冊.機械工業(yè)出版社，北京，2003.