一種小型便攜式氧燭初步研究

尹吉慶,王廷群,吳傳淑

(武警后勤學院 基礎(chǔ)部，天津 300309)

高原武警部隊在執(zhí)行各種任務(wù)時，需要經(jīng)常面對缺氧環(huán)境。傷員在救治的黃金時間內(nèi)能否及時吸氧，是影響傷死率和戰(zhàn)傷救治能力的重要因素。目前武警部隊單兵便攜式供養(yǎng)裝備主要是氧氣袋。氧氣袋，裝氧少，不易攜帶，在實際的使用并不能滿足部隊需求。現(xiàn)有的制氧設(shè)備造價高，體積大、不易攜帶，武警部隊尚沒有適合單兵攜帶的小型制氧裝備。按不同的方法制氧技術(shù)分物理制氧、化學制氧兩大類。物理制氧基本方法是利用物理原理從空氣中分離出氧氣，包括變壓吸附、薄膜分離、低溫精餾等。化學制氧主要通過化學反應(yīng)從含氧化合物中制取氧氣，如水的電解、超氧化物、氯酸鈉氧燭等。在諸多制氧方法中，變壓吸附制氧方法和氯酸鹽氧燭制氧法比較適合于便攜小型制氧裝備。變壓吸附制氧方法比較適合于研制小型便攜式制氧機，此設(shè)備可應(yīng)用于小型野戰(zhàn)醫(yī)療所。氯酸鹽或高氯酸鹽生氧技術(shù)，俗稱氧燭，一般是由堿金屬氯酸鹽和一定量的催化劑、抑氯劑、助燃劑、粘結(jié)劑等混合壓制或澆鑄而成。氧燭同體積下產(chǎn)氧量是壓縮氧的3倍，體積小巧便攜，而且產(chǎn)氧過程中不需要其他動力，幾乎不受外界條件影響的特點。比較穩(wěn)定，與水不發(fā)生反應(yīng)，有效存儲時間長[1]。現(xiàn)在在潛艇、礦山和空間站等領(lǐng)域氧燭已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。

1 氯酸鹽氧燭制氧

富氧的氯酸鹽被點火裝置引燃后，在催化劑的作用下發(fā)生化學反應(yīng)，同時產(chǎn)生高溫燃燒摻雜其中的金屬粉末，不斷產(chǎn)生熱量，將反應(yīng)持續(xù)下去，一直產(chǎn)生氧氣。這跟蠟燭自主燃燒類似，形象的將這種產(chǎn)氧方式成為氧燭。用化學方程式表示為：

2NaClO3=2NaCl+3O2↑

產(chǎn)生的氧氣含少量氯的化合物ClO2等雜質(zhì)，需經(jīng)過濾材料過濾后方可使用。氯酸鉀是最早的氧燭氧源，但后來被氯酸鈉慢慢取代。相比氯酸鉀，氯酸鈉不易吸水、燃點低等特點。再者，為改善性能提高效率，在氧燭中還經(jīng)常添加易燃金屬、催化劑、抑氯劑和玻璃纖維等[2]。

2 一種小型便攜式的氧燭方案

在地下工程、煤礦或空間站等封閉空間內(nèi)，氧氣的主要來源就是供氧裝置供氧，保持空間氧氣濃度在18.0%～23.0%之間。在傷員受傷至到達救護點之間過程中，可以采用小型便攜式氧燭由醫(yī)護人員手持或綁在腰間來為傷員提供氧氣。綜合資料論文分析，暫定每枚小型氧燭的產(chǎn)氧量為240L，由點火裝置、金屬件外筒、藥柱、送氣管等構(gòu)件組成。因氧燭燃燒時溫度過高，為便于手持使用，降低外壁溫度，采用硅酸鋁玻璃纖維棉包裹藥塊[3]。

表1 氧燭藥柱配方 %

按照以上配方配比精確稱量各藥塊，放入混料機器內(nèi)攪拌均勻，制作加工氧燭藥塊模具。將混好的材料放入模具內(nèi)，置入油壓機中加以一定壓力壓制藥塊。然后將壓好的藥塊在烘箱內(nèi)烘干，作為下藥塊。上藥塊裝配點火裝置，將上下藥塊綁在一起放入金屬筒中，在金屬筒內(nèi)壁上放置隔熱材料，頂部裝入一定量的過濾材料。

將做好的氧燭點火引燃，觀察其啟動情況，同時測量其產(chǎn)氧量、產(chǎn)氧時間，并進一步觀察燃燒過程中是否穩(wěn)定，溫度變化和剩余殘留物等情況。設(shè)計對照試驗，逐項改變各種材料的質(zhì)量配比，仔細分析各種因素對效果的影響，根據(jù)實驗效果最后篩選出最優(yōu)方案。

3 抑制氯氣產(chǎn)生方法原理

制氧材料中含少量雜質(zhì)氯，遇水會生產(chǎn)氯化氫，其在高溫條件下與氯酸鹽發(fā)生化學反應(yīng)，產(chǎn)生含氯化合物，如氯氣、氯氧化物及次氯酸等。化學反應(yīng)式如下:

式中，M為堿金屬。

另外，氧燭中的玻璃纖維等其他物質(zhì)也能造成氯氣的產(chǎn)生。氯氣對人體是有毒性的，空氣中氯氣的含量不允許超過0.001 mg /L。必須采取措施抑制氯氣的產(chǎn)量，普遍的做法是在配方中添加3 %～5 %堿性化合物，以過氧化鋇最為常見[4]，它會與氯氣發(fā)生如下化學反應(yīng)，從而達到吸收氯氣的目的。

試驗證明，BaO2不僅與氯氣反應(yīng)產(chǎn)生氧氣，也會造成氧燭藥塊的溫度升高，所以BaO2一向是氧燭抑氯劑的常用試劑。但是BaO2是有一定毒性的，少量顆粒被吸入后對呼吸道、眼睛和皮膚產(chǎn)生很強的刺激，長時間接觸會導(dǎo)致口腔糜爛，嚴重的造成腹瀉、血壓增高、脫發(fā)等病癥。有文獻提出用無毒的Li2O2代替BaO2作為氧燭的抑氯劑[5]，下一步可進一步設(shè)計實驗驗證。

4 小結(jié)

在封閉空間或應(yīng)急單人供氧情況下小型氧燭是一種比較理想的解決方案，具有很好的應(yīng)用前景。