密闭空间温湿度条件对LiOH吸收效率的影响

2012-09-19杨国威余青霓

载人航天 2012年5期

杨国威，卞强，余青霓，魏巍

（中国航天员科研训练中心，北京100094）

1 引言

一般情况下，CO2在空气中的含量[1]（体积分数）为0.03%～0.04%，当室内CO2浓度大于1.5%时，会引起人体呼吸困难和呼吸频率加快、改变血液pH值、减弱人的活动能力等；当浓度大于3%时，会引起头疼、眩晕、和恶心；当浓度大于6%～8%时，可导致昏迷和死亡。因此严格控制室内，尤其是控制密闭空间中人体代谢产生的CO2浓度至关重要。

当前，国际上短期载人飞行和便携生保系统中大量使用LiOH作为CO2吸收剂，这是由于非再生情况下，LiOH不仅分子量相对较小，可以有效降低发射成本，而且强碱与CO2的化学反应剧烈，在接触面积充分的情况下，反应非常彻底。工程设计上虽然充分考虑了CO2净化器的结构设计、装填物LiOH的成形方式对吸收效率的影响，但是产品在实际工作过程中，在温度、湿度、气体流动等因素的共同作用下，CO2净化器内部微观物理化学过程异常复杂，不仅包含有蒸发、扩散、溶解等物理过程，而且交织着化学反应过程，不同过程之间也存在着相互关联影响。载人航天器密闭空间有人驻留的环境中，正常条件下系统控制的温度为17℃～25℃，相对湿度为30%～70%；但是当系统控制出现故障时，温湿度参数可能会出现较大的波动。环境因素的变化有可能影响CO2净化器内部微观物理化学过程，导致CO2吸收剂孔隙状态发生变化，最终影响CO2净化器的净化效率。

本文旨在摸清故障状态下，温湿度波动对LiOH吸收CO2能力的影响，从而预估该工况条件下CO2净化器的真实净化能力，为决策提供参考依据。

2 试验

2.1 试验材料

试验所用的CO2为北京兆格气体科技有限公司生产，N2为北京普莱克斯实用气体有限公司生产，LiOH为特制，CaCl2为北京奥博星生物技术有限公司生产。

2.2 试验流程

试验采用CO2和N2纯气配成CO2浓度为0.3%的入口气体，加湿器调节湿度，通过恒温水浴槽调节温度（加湿器放入水浴槽中），从而得到所需温度、湿度、CO2浓度的模拟气体，气体通过装有LiOH吸收剂的反应器，发生化学反应2LiOH+CO2=Li2CO3+H2O，从而吸收混合气中的CO2，剩余气体经过干燥管滤除水分后，进入CO2分析仪从而获取反应器出口的CO2浓度，当出口浓度达到0.21%时停止试验，整个试验过程参数通过数字采集装置实时记录数据。具体试验流程如下图所示：

图1 试验流程图

2.3 评价及测试方法

（1）反应器有效工作时间：即在某种环境条件下，反应器控制出口CO2浓度在0.21%内所维持的时间。本次试验设计的指标均来源于CO2净化器性能试验相关技术指标，该时间等效反映了CO2净化器的有效工作时间。

（3）微观形貌：通过扫描电子显微镜观察LiOH微观形貌，电镜为北师大分析测试中心日立S-4800场发射扫描电镜。

根据故障状态下一飞行器座舱密闭空间温湿度可能出现的波动范围，确定本试验模拟气体的温度和湿度的控制值及其组合方式，以研究不同温度和不同湿度对LiOH吸收效率的影响。

3 结果与讨论

3.1 相同温度条件下，湿度对材料吸收效率的影响

表1为模拟气体温度条件为23℃，湿度条件分别为50%、70%、95%三种样品的有效工作时间，其中LiOH通过控制样品体积来控制装填量，表中数据显示装填量差别不大，与1#和2#样品相比，3#样品有效工作时间较短，即模拟气体温度为23℃、湿度为95%情况下，该反应器吸收CO2能力相对较差。

图2为23℃条件下不同湿度对LiOH利用率的影响曲线，从图中可以看出3#样品利用率最低，只有43.32%；而1#和2#样品LiOH利用率差别不大，并且相对较高。试验中观察反应器发现，3#样品表面湿度较大，LiOH药粒粘结在一起，不易分开；观察药粒断层，3#存在大块结晶现象，而其余两种样品均没有，这是由于在95%的湿度条件下，随着化学反应生成水的增加，水分在局部范围内形成饱和，在材料表面凝结，从而会出现LiOH的局部溶解[2]或者LiOH·H2O结晶（Li2CO3没有水合结晶）[3]，阻止部分LiOH的反应；而在50%或70%湿度条件下，化学反应生成水通过扩散形成蒸汽，提高局部气体含湿量，但不足以使水汽饱和，随气流流向下游。因此在23℃条件下，湿度对材料吸收效率影响较大，其中湿度为95%时，LiOH利用率较低。

表1 23℃条件下三种样品不同湿度条件下的有效工作时间

图2 23℃条件下不同湿度对LiOH利用率的影响

图3为化学反应前LiOH药粒断层SEM，从图中可以看出，LiOH堆积成片层结构，该结构下部包含有大量孔隙，有利于化学反应完全，有利于利用率的提高；图4为2#与3#LiOH样品化学反应后的扫描照片，化学反应后LiOH片层结构变为杂乱堆积的颗粒状结构，孔隙明显减少，且相互堆积，导致微观气流不畅，从而最终影响CO2净化器装置的流阻，这与实际试验测试数据相吻合。与2#相比，3#样品发生化学反应后的微观颗粒明显较大，这是因为在湿度较大的情况下，反应不完全，在外侧LiOH·H2O和局部水溶液的包覆下，颗粒中心的LiOH未能参加反应，从而使反应后颗粒较大，而模拟气体湿度为70%情况相对较好，反应较为完全。

图3 化学反应前LiOH药粒断层SEM

图4 2#与3#样品化学反应后断层的SEM（×20.0K）

为了验证上述结果的正确性，本文开展了较高温度条件下，相对湿度对材料吸收效率影响的试验。表2为28℃条件下三种样品在不同湿度条件下的有效工作时间，在初始LiOH装填量相当的情况下，6#有效工作时间明显较短，该结果与23℃条件下规律相似，且对比数据差别不大。

表2 28℃条件下三种样品不同湿度条件下的有效工作时间

从图5可以看出，与23℃条件下相对比可知，28℃条件下湿度对LiOH吸收效率的影响规律相似，95%湿度条件下LiOH利用率只有47.47%，且从药粒断层同样可以看出6#样品同样存在大块结晶现象，从图6化学反应后的SEM中也可以看出，存在明显大块水合结晶和典型液体流动的痕迹，饱和水蒸汽凝结在LiOH表面，使LiOH出现局部溶解，这将会减小CO2与LiOH的接触面积，降低反应速度，最终影响了LiOH的吸收效率。

图5 28℃条件下不同湿度对LiOH利用率的影响

图6 6#样品化学反应后断层的SEM

通过分析23℃和28℃两组温度条件下湿度的影响，发现湿度对LiOH吸收效率影响规律相似，模拟气体湿度为50%、70%情况下反应器有效工作时间差别不大，LiOH成形颗粒内部不会形成游离水和大块水合结晶，且LiOH利用率相对较高；而95%的相对湿度将会严重影响LiOH的吸收效率，即在试验气体流速不变，入口气体湿度临近饱和的情况下，化学反应水蒸汽的加入，将会导致颗粒内部水蒸汽饱和，形成局部LiOH溶液和LiOH·H2O，从而阻碍反应的正常进行，导致净化效率的下降，甚至无法继续进行。