Пиротехнический состав для получения кислорода

 

Использование: для получения кислорода в системах жизнеобеспечения на летательных и подводных аппаратах, в спасательных средствах защиты органов дыхания. Сущность изобретения: пиротехнический состав содержит, мас.%: хлорат натрия 75 - 90; магний 2 - 5; катализатор - кислородное соединение кальция из ряда, включающего пероксид, оксид или гидроксид или их смесь в любом соотношении 5 - 23. Выход кислорода - 230 - 265 л/кг, температура горения - 610 - 700^oС. Состав не содержит токсичных соединений. 1 табл.

Изобретение относится к области получения газообразного кислорода из твердых составов, генерирующих кислород за счет самоподдерживающейся термокаталитической реакции, протекающей между компонентами состава в узкой области горения. Такие составы называют кислородными свечами. Они отличаются малой скоростью распространения зоны реакции тем, что в газообразных продуктах горения преобладает один газ кислород. Генерируемый кислород может использоваться в системах жизнеобеспечения на летательных и подводных аппаратах, в аварийных ситуациях диспетчерских служб, в спасательных средствах защиты органов дыхания.

Пиротехнические составы для получения кислорода содержат три основных компонента: кислородоноситель, горючее и катализатор. В качестве кислородоносителя в большинстве известных решений используется хлорат натрия. В качестве горючего применяют порошок металла. В качестве катализатора обычно берут пероксид бария или оксид переходного металла. Кроме трех основных компонентов составы иногда содержат до 7% наполнителя для улучшения механических свойств свечи.

Известен состав хлоратного источника кислорода [1] включающий в качестве катализатора ферраты (IV) щелочно-земельного металла с порядковым номером от 12 до 56 или марганца, кобальта, никеля, цинка. Выход кислорода не превышает 220 л/кг. Твердый остаток после генерации кислорода содержит до 15% железа и немного оксидов переходных металлов.

Наиболее близким к изобретению является состав [2] содержащий, мас. хлоpат натрия 86-93; магний 1,2-8; диоксид марганца 4-6. Выход кислорода с этого состава составляет 235±5л/кг. Остаток после генерации кислорода имеет 7-10% марганца.

Недостаток известных составов состоит в том, что в твердом остатке после генерации кислорода содержатся соединения тяжелых металлов, представляющие опасность при попадании в воду и далее в почву. Попадая с водой в почву, тяжелые металлы переходят в растения и включаются в трофические цепи животных и человека. Соединения бария относятся к сильно токсичным веществам. К ядовитым веществам относятся оксиды марганца, кобальта и никеля. Общим токсическим действием обладают оксидные соединения меди и железа.

Цель изобретения обеспечение экологической безопасности состава, генерирующего кислород в пиротехническом режиме.

Это достигается путем использования хлората натрия в качестве кислородоносителя, магния в качестве горючего, а катализатором служит один из ряда кислородных соединений кальция пероксид, оксид, гидроксид или их смесь в любом соотношении. Компоненты состава берут в следующим отношении, мас. хлорат натрия 75-90; магний 2-5; катализатор 5-23. Состав не содержит экологически опасных соединений тяжелых переходных металлов и бария, что обеспечивает экологическую чистоту твердого остатка после генерации кислорода.

Возможность использования в качестве катализатора любой из трех форм кислородных соединений кальция основана на особом механизме их каталитического действия. В отличие от оксидов переходных и тяжелых металлов механизм каталитического действия оксидных производных кальция состоит в переносе кислорода от аниона СlO₃^- в газовую фазу за счет быстро протекающего превращения СаO + [О] ^_→_{←_} CaO₂ (1) При протекании реакции слева направо СаO отрывает атом кислорода от аниона СlО₃^- и превращается в СаO₂. Температура в зоне горения 600-700^оС. Образующийся пероксид кальция тотчас распадается, а реакция (1) идет справа налево. Выделяющийся атомарный кислород рекомбинирует в молекулярный и покидает зону горения, а активный СаO вновь вступает в реакцию (1). Поэтому для поддержания необходимой скорости процесса безразлично, в каком виде вводить оксид кальция: сразу после начала процесса в системе появляются оба действующих соединения и из СаO, и из СаO₂, и из Са(OH)₂ за счет термического распада последних.

При использовании пероксида кальция (технический продукт обычно содержит 5-20% СаO и Са(OH)₂ выход кислорода лежит в пределах 260-270 л/кг, но состав оказывается более дорогим. При использовании СаO или Са(OH)₂) или их смеси цена состава ниже, но выход кислорода несколько уменьшается. Дополнительный эффект использования системы СаO₂-CaO-Ca(OH)₂ в качестве катализатора состоит в том, что благодаря довольно высокому содержанию в составе предлагаемый катализатор помимо основной функции обеспечивают механическую прочность блока, особенно в ходе горения, поскольку частицы тугоплавкого оксида кальция служат каркасом и предотвращают растекание жидкой фазы в зоне горения и деформацию блока.

Составы готовят смешением компонентов в шаровой мельнице в течение часа. Испытания прессованных образцов блоков проводят в модельной камере сжигания, снабженной воспламенительным устройством с электрической спиралью и выходным отверстием для кислорода. Измеряют объем выделившегося газа с помощью газосчетчика ГСБ-400, температуру во фронте горения термопарой, вставленной в блок прессованного образца на глубину 5 мм. Состав остатка определяют методами химического анализа.

П р и м е р 1. Спрессованный цилиндрический блок диаметром 14 мм и высотой 150 мм, содержащий, мас. хлорат натрия 81; магний 3; пероксид кальция 16, после инициирования равномерно горит с температурой 630^оС и выделяет чистый кислород без примеси пыли в количестве 265 л/кг.

Результаты испытаний с изменением содержания компонентов состава представлены в таблице.

Из представленных в таблице данных следует, что при уменьшенном количестве магния состав не горит. При увеличенном количестве магния относительно заявленных границ состав горит с высокой температурой в зоне горения, превышающей 1000^оС. Это приводит к нестабильному и неравномерному горению в результате образования большого количества жидкой фазы (температура плавления образующегося хлорида натрия 801^оС) и выделению кислорода с большим содержанием пыли (выше 50 мг/л ). При завышенном или заниженном содержании хлората или катализатора состав теряет работоспособность.

Таким образом, изобретение позволяет получить экологически безопасный состав, генерирующий кислород. Твердый остаток не содержит токсичных соединений тяжелых металлов. Состав по изобретению обеспечивает достаточно высокий выход кислорода 230-265 л/кг и сравнительно невысокая температура его горения 610-700^оС.

Формула изобретения

ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ СОСТАВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КИСЛОРОДА, включающий хлорат натрия в качестве кислородоносителя, металлический магний в качестве горючего и катализатора, отличающийся тем, что катализатор содержит кислородное соединение кальция из ряда, включающего пероксид, оксид или гидроксид либо их смесь в любом соотношении, при следующем содержании компонентов, мас.%: Хлорат натрия - 75 - 90 Металлический магний - 2 - 5 Катализатор - 5 - 23

РИСУНКИ

Рисунок 1