Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Khoa học và Công nghệ nhiệt đới, Số 22, 05 2021 79 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THÀNH PHẦN KHỞI ĐỘNG DÙNG TRONG MẶT NẠ CÁCH LY KIỂU TÁI SINH ÔXY VƯƠNG VĂN TRƯỜNG(1), HÀ NGỌ[.]
Nghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THÀNH PHẦN KHỞI ĐỘNG DÙNG TRONG MẶT NẠ CÁCH LY KIỂU TÁI SINH ÔXY VƯƠNG VĂN TRƯỜNG(1), HÀ NGỌC THIỆN(1), VŨ TRẦN DƯƠNG(1), NGUYỄN HÙNG THÁI(1) ĐẶT VẤN ĐỀ Mặt nạ cách ly (MNCL) kiểu tái sinh ôxy trang bị sử dụng để bảo vệ quan hô hấp, mắt, da mặt khỏi hỗn hợp độc hại có khơng khí, khơng phụ thuộc vào tính chất nồng độ Khi sử dụng MNCL, quan hơ hấp cách ly hồn tồn với mơi trường xung quanh, hỗn hợp khí thở tuần hồn khơng gian kín mặt nạ với nồng độ khí (ơxy, cacbonic) nước giới hạn cho phép [1, 2] Bộ phận có chức tái sinh ơxy bình tái sinh có chứa thành phần gồm thành phần khởi động (bánh khởi động) thành phần tái sinh Các thành phần chế tạo sở chất tái sinh ôxy thường peroxide superoxide kim loại kiềm kiềm thổ Na2O2, K2O2, Ca(O2)2, KO2, NaO2, Thành phần khởi động nằm cấu khởi động gồm ampul chứa dung dịch chất lỏng mồi (dung dịch muối dung dịch axít) đảm bảo tạo lượng ôxy cần thiết để thở giai đoạn đầu sử dụng MNCL Quá trình diễn ngắn, từ 15 đến 30 giây [3] Bánh khởi động (BKĐ) cần phải đáp ứng yêu cầu như: có hàm lượng ơxy cao đơn vị khối lượng; kịp thời tạo lượng nước đủ để kích hoạt tầng tái sinh giai đoạn đầu; có độ bền học cao, giữ ổn định cấu trúc trình vận hành, [3] Nguyên liệu hóa chất dùng để chế tạo BKĐ có độ hoạt động hóa học cao, hút ẩm mạnh Do đó, việc chế tạo BKĐ đòi hỏi phải thực mơi trường có độ ẩm 20% thiết bị, công nghệ chuyên dụng Nội dung báo này, giới thiệu số kết nghiên cứu chế tạo BKĐ dùng MNCL kiểu tái sinh ôxy thiết bị, công nghệ nước THỰC NGHIỆM 2.1 Ngun liệu, hóa chất NaO2 (hàm lượng ơxy hoạt động 31,5%, Nga), KO2 (hàm lượng ôxy hoạt động 39,2%, Nga); KHSO4 (≥ 99%, Merck); bột Al (≥ 97%, Merck); H2SO4, H3PO4 (Merck); nước cất lần, pH từ 5,6 đến 6,8; CaSiO3 (≥ 98%, Nga); bột talc Mg3Si4O10(OH)2 (kích thước hạt ≤ μm, Trung Quốc); hạt tái sinh OKCh-3 (hàm lượng hoạt động 25,5%, Nga); dung dịch mồi hỗn hợp hai axit theo tỷ lệ thể tích gồm dung dịch H2SO4 35%, dung dịch H3PO4 63% nước 11 : 44 : 45) 2.2 Phương pháp chế tạo BKĐ Cân định lượng thành phần nguyên liệu gồm NaO2, KO2; KHSO4; bột Al, CaSiO3 theo đơn chế tạo cho vào hộp kín dung tích lít, trộn lắc Cân 100g hỗn hợp hóa chất đưa vào khn ép tạo hình BKĐ (đường kính 95,0 mm, chiều cao 12,0 mm), lực ép 60 Mpa, thời gian ép 20 giây Bánh khởi động sau ép bảo quản hộp kín Các thao tác tiến hành phịng cơng nghệ nhiệt độ 25 ± 2oC độ ẩm 20% Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 22, 05-2021 79 Nghiên cứu khoa học công nghệ 2.3 Phương pháp xác định tổng hàm lượng ôxy hoạt động mẫu Tổng hàm lượng ôxy hoạt động thực thiết bị đo thể tích khí LML-2 (kết nối với máy đo lưu lượng khí) Cho BKĐ vào buồng phản ứng thiết bị, bơm vào bánh khởi động 1ml dung dịch mồi Quan sát ghi lại lượng khí thơng qua đồng hồ đo lưu lượng khí 2.4 Thử nghiệm đánh giá độ bền học BKĐ Để đánh giá độ bền học BKĐ sau chế tạo đảm bảo chất lượng trình vận chuyển bảo quản sử dụng thiết bị thử độ rung model TGC-FT-OC (Đài Loan) BKĐ cho vào hộp đựng đậy nắp kín thử nghiệm thiết bị rung lắc TGC-FT-OC với biên độ 25 mm, tần số 60-80 lần/phút thời gian 30 phút Kết thúc thử nghiệm đánh giá tiêu dạng ngoài, độ cứng (bằng thiết bị đo độ cứng Erichsen 60098/023) độ giảm khối lượng 2.5 Phương pháp kiểm tra trở lực hộp tái sinh RP-6 Kiểm tra trở lực tiến hành sau kết thúc trình kiểm tra phổi nhân tạo thử nghiệm người lưu lượng khí vào 30L/min "Thiết bị kiểm tra trở lực" Bật thiết bị kiểm tra trở lực, mở khí nén trì áp suất khí nén đồng hồ tổng 4kG/cm2, lưu lượng khí vào 60 L/min Kết nối hộp RP-6 với thiết bị thơng qua ống vịi voi, điều chỉnh lưu lượng khí kiểm tra 30L/min, đọc kết trở lực đồng hồ đo 2.6 Thử nghiệm khả tái sinh ơxy người tình nguyện Để đánh giá chất lượng BKĐ, khả tái sinh ôxy hộp tái sinh RP-6, tiến hành thử nghiệm người tình nguyện Người tình nguyện lựa chọn người khoẻ mạnh, tiền sử không mắc bệnh tim mạch, thần kinh, không sử dụng rượu bia chất kích thích 72 trước thử nghiệm kiểm tra sức khoẻ sơ trước sau thử nghiệm (đo cân nặng, huyết áp, tần số thở) Cho người tình nguyện thở hồn tồn hộp tái sinh RP-6 chế độ khác nhau: thực công việc với cường độ hoạt động trung bình; trạng thái nghỉ ngơi tương đối yên tĩnh Đo thời gian thở đánh giá theo yêu cầu kỹ thuật mặt nạ cách ly IP-6 [1] KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Nghiên cứu lựa chọn tối ưu chủng loại, xây dựng đơn chế tạo BKĐ Tùy thuộc tính kỹ thuật loại MNCL mà BKĐ sử dụng hộp tái sinh có yêu cầu tương ứng BKĐ cần phải thỏa mãn yêu cầu như: có hàm ơxy lớn đơn vị khối lượng; phản ứng với dung dịch mồi tạo lượng ôxy cần thiết đáp ứng nhu cầu hô hấp ban đầu; trình khởi động cần phải tạo lượng nước đủ để kích hoạt thành phần tái sinh; có cấu trúc phù hợp; có độ bền học cao; giữ ổn định cấu trúc trình vận hành, an toàn cho người sử dụng Trên sở tài liệu tham khảo [3-5], nhóm nghiên cứu xây dựng thành phần đơn chế tạo BKĐ bảng 80 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 22, 05-2021 Nghiên cứu khoa học công nghệ Bảng Đơn sở chế tạo BKĐ STT Nguyên liệu Khối lượng, % Kali superoxide KO2 36-42 Natri superoxide NaO2 12-18 Kali bisulfat KHSO4 Al(OH)3 36-42 Bột nhôm Al 2,5-3,5 Chất liên kết (Wollastonit) 2,5-3,5 Trong đó: natri superoxide NaO2 kali superoxide KO2 đóng vai trị chất sinh khí ôxy tức mồi BKĐ; bột nhôm (Al) nguồn sinh nhiệt đủ lớn giúp phân hủy chất để tạo nước tức thì; nhơm hydroxit Al(OH)3 kali bisulfat KHSO4 vai trò nguồn tạo nước; Wollastonit CaSiO3 chất liên kết tạo độ tơi xốp, ổn định cấu trúc cho BKĐ Như trình bày trên, vật liệu chế tạo BKĐ hóa chất có độ hoạt động hóa học cao KO2, NaO2 chất có tính ôxy hoá mạnh, kiềm mạnh hút ẩm mạnh dễ xảy phản ứng hoá học tiếp xúc với vật liệu hữu cơ, nước Do vật liệu lựa chọn để tạo cấu trúc cho BKĐ phải sợi vơ cơ, có hoạt tính hố học thấp (vật liệu trơ) Các tái sinh khơng khí Nga sản xuất năm 2001 năm 2013 sử dụng amiang trắng làm vật liệu cấu trúc Tấm tái sinh Việt Nam sản xuất sử dụng amiang mác A-2-22 có đường kính sợi trung bình khoảng 30-60 nm [6] Nhóm nghiên cứu sử dụng sợi Wollastonit CaSiO3 làm vật liệu chất liên kết tạo cấu trúc 3.2 Kết nghiên cứu lựa chọn chất làm nguồn tạo nước BKĐ Trên sở đơn xây dựng bảng 1, tiến hành khảo sát chất vai trò nguồn tạo nước BKĐ sử dụng nhôm hydroxit Al(OH)3 kali bisulfat KHSO4 Nhóm nghiên cứu tiến hành lựa chọn, thay đổi tỷ lệ thành phần thiết lập đơn bảng Bảng Thành phần đơn chế tạo BKĐ sở kali superoxide Đơn № N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 NaO2 14 14 14 14 14 14 14 14 Thành phần BKĐ, phần khối lượng KO2 KHSO4 Al(OH)3 Bột Al CaSiO3 40 36 3 40 38 3 40 40 3 40 42 3 40 36 3 40 38 3 40 40 3 40 42 3 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 22, 05-2021 81 Nghiên cứu khoa học cơng nghệ BKĐ chế tạo theo quy trình cơng nghệ mục 2.2 Thành phần đơn tối ưu xác định thực nghiệm, thông qua thử nghiệm chất lượng, khảo sát thông số làm việc bánh khởi động thiết bị đo thể tích khí LML-2 (kết nối với máy đo lưu lượng khí) theo mục 2.3 Các thơng số khảo sát gồm: thể tích khí ơxy giải phóng, khoảng thời gian kích hoạt BKĐ, thời gian làm việc BKĐ Ngồi ra, mùi khí với nước q trình nhả ôxy đánh giá trực tiếp Hình dạng, màu sắc BKĐ sau phản ứng quan sát, đánh giá mắt thường Kết thử nghiệm cho bảng Bảng Kết thử nghiệm BKĐ theo đơn nghiên cứu N1-N8 Đơn t1, t2, № giây giây VO2, Tình trạng BKĐ sau lít phản ứng N1 21 11,8 Giữ hình dạng N2 20 11,8 Giữ hình dạng N3 20 11,7 Giữ hình dạng N4 20 11,6 Giữ hình dạng N5 36 11,4 Giữ hình dạng N6 35 11,3 Giữ hình dạng N7 35 11,2 Giữ hình dạng N8 35 11,0 Giữ hình dạng Mùi* Cảm giác có mùi nồng, luồng khí ấm Cảm giác có mùi nồng, luồng khí ấm Cảm giác có mùi nồng, luồng khí ấm Cảm giác có mùi nồng, luồng khí ấm Mùi nồng, hắc, khí khơ Mùi nồng, hắc, khí khơ Mùi nồng, hắc, khí khơ Mùi nồng, hắc, khí khơ Ghi Sử dụng KHSO4 Sử dụng Al(OH)3 t1: Khoảng thời gian tính từ lúc dung dịch mồi bắt đầu rơi vào BKĐ đến lúc bắt đầu sinh khí ơxy BKĐ; t2: Khoảng thời gian tính từ lúc dung dịch mồi bắt đầu rơi vào BKĐ đến BKĐ phản ứng hoàn toàn; VO2 : Thể tích khí ơxy sinh từ BKĐ * Mùi, nước ngửi trực tiếp khí q trình nhả ơxy Các phản ứng xảy bánh khởi động theo [7] 2KO2 (NaO2 ) + 4H+ (H3PO4, H2SO4, H2O) 2K+ + 2H2 O + O2 + Q 4KO2 + 2H2 O 4KOH + 3O2 + Q (2) 4NaO2 + 2H2 O 4NaOH + 3O2 + Q (3) 4Al + 3O2 2Al2 O3 + Q (4) Al2 O3 + 2KOH(NaOH) + 3H2O 2K(Na)[Al(OH)4] 82 (1) (5) Tạp chí Khoa học Công nghệ nhiệt đới, Số 22, 05-2021 Nghiên cứu khoa học công nghệ Đối với đơn sử dụng KHSO4 (N1 đến N4) xảy phản ứng: KOH(NaOH) + H2SO4 K2SO4 + H2 O (7) Đối với đơn sử dụng Al(OH)3 (N5 đến N8) xảy phản ứng: Trong trình phản ứng BKĐ tạo mùi nồng khó tránh khỏi mơi trường có lẫn nước nhiệt độ cao tồn khí sinh ra ngồi chưa ghép nối phản ứng với tầng hạt hộp nên thử riêng bánh khởi động có mùi Do ampul chứa lượng nhỏ dung dịch mồi BKĐ (1 ml dung dịch) nên thực tế phản ứng (1) xảy nhanh điểm để khơi mào cho phản ứng từ (2) đến (8) Có thể nói, ơxy chủ yếu sinh từ phản ứng (2) (3) Phản ứng phân hủy nhôm hydrôxyt cần nhiều nhiệt so với phân hủy KHSO4 (575oC so với 240oC), thời gian khởi động lâu hơn, mặt khác nhiệt độ cao dễ dàng làm khuếch tán KOH NaOH với nước (tạo cảm nhận mùi hắc) Từ kết bảng cho thấy sử dụng Al(OH)3 làm nguồn tạo nước BKĐ, khí tạo có mùi nồng, hắc, khí khơ so với đơn sử dụng KHSO4 Thời gian kích hoạt BKĐ thời gian làm việc BKĐ kéo dài nhiều so với đơn sử dụng KHSO4 (lần lượt giây so với giây 35 giây so với 20 giây), thể tích khí tạo có phần đơn vị khối lượng BKĐ Do trường hợp sử dụng Al(OH)3 chất làm nguồn tạo nước khơng thích hợp Chúng lựa chọn KHSO4 làm nguồn chất tạo nước BKĐ với hàm lượng 40% cho nghiên cứu 3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ thành phần kali superoxide natri superoxide Sau lựa chọn nguồn chất tạo nước BKĐ KHSO4 hàm lượng 40%, tiến hành khảo sát tỷ lệ thành phần kali superoxide KO2 natri superoxide NaO2 vai trò chất sinh khí ơxy ban đầu BKĐ chế tạo theo quy trình cơng nghệ mục 2.2 với tỷ lệ bột Al 3% CaSiO3 3% Thành phần đơn tối ưu xác định thực nghiệm, thông qua thử nghiệm chất lượng, khảo sát thông số làm việc bánh khởi động độ cứng, độ bền học, thể tích khí ơxy giải phóng, khoảng thời gian kích hoạt BKĐ, thời gian làm việc BKĐ Kết thử nghiệm cho bảng Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 22, 05-2021 83 Nghiên cứu khoa học công nghệ Bảng Tỷ lệ thành phần KO2 NaO2 đơn chế tạo BKĐ Độ cứng Độ giảm BKĐ, k.lượng, N % t1, giây t2, giây VO2, lít Tình trạng BKĐ sau phản ứng 0,5 20 11,6 Giữ hình dạng 1,0 0,5 20 11,8 Giữ hình dạng 16 0,8 1,0 25 11,9 Giữ hình dạng 18 0,6 1,7 32 11,9 BKĐ bị vỡ TT KO2, % NaO2, % N9 42 12 1,0 N10 40 14 N11 38 N12 36 Từ kết bảng cho thấy tăng hàm lượng NaO2 từ 12 lên 18% đồng thời giảm hàm lượng KO2 từ 42% xuống 36% (tương ứng với đơn từ N9 đến N12), độ cứng bánh khởi động giảm đồng thời độ giảm khối lượng BKĐ thử nghiệm độ bền học tăng Điều có nghĩa độ bền học BKĐ đặc biệt đơn 12 thành phần NaO2 chiếm đến 18% (Độ giảm khối lượng đến 1,7% BKĐ bị vỡ sau phản ứng) Khi tăng hàm lượng NaO2 BKĐ thời gian kích hoạt BKĐ thời gian làm việc tăng lên (ở đơn N10 thời gian kích hoạt thời gian làm việc BKĐ 20 giây, đơn N12 tương ứng 32 giây) Thể tích ơxy tăng lên từ 11,6 lít với đơn N9 lên 11,8 lít với đơn N10 11,9 lít với đơn N11, N12 Điều giải thích sau: NaO2 có dung lượng tái sinh lớn (0,43 kg O2 so với 0,34 kg O2 kg chất) toả nhiều nhiệt giải phóng lít O2 (2,46 kcal so với 2,27 kcal) Tuy nhiên hệ tái sinh sử dụng NaO2 có nhiều phản ứng cạnh tranh phản ứng với nước, sản phẩm rắn tạo thành bề mặt hạt NaO2 cản trở phản ứng lớp bên Hệ sử dụng NaO2 tạo lớp phủ NaOH nhanh hệ sử dụng KO2 NaOH có nhiệt độ nóng chảy thấp KOH (318oC so với 360oC) [8, 9] Ngoài tỷ trọng NaO2 (2,2 g/cm3) cao nhiều so với KO2 (0,6 g/cm3) Điều giải thích tăng hàm lượng NaO2 độ cứng độ bền BKĐ giảm Như tỷ lệ thành phần kali superoxide natri superoxide đơn chế tạo BKĐ 40% 14% phù hợp 3.4 Kết thử nghiệm người tình nguyện Bánh khởi động chế tạo theo đơn N10, đường kính 95 mm, chiều dày 12 mm, khối lượng 100 g Sau sử dụng chế tạo hộp tái sinh RP-6 theo quy trình cơng nghệ chế tạo hộp tái sinh RP-6 Khối lượng chất tầng hạt tái sinh OKCh-3 650 g Tiến hành thử nghiệm người tình nguyện theo mục 2.5 Kết thử nghiệm cho bảng 84 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 22, 05-2021 Nghiên cứu khoa học công nghệ Bảng Kết thử nghiệm người tình nguyện hộp tái sinh RP-6 TT Huyết áp, Huyết áp, cân nặng cân nặng sau trước đeo đeo (mmHg; (mmHg;kg) kg) Thời gian làm việc Hộp tái sinh (phút) Trở lực Nhiệt độ bề hộp tái mặt hộp sinh sau Mô tả tái sinh (khi đeo trạng khác hoạt động) * (mmH2O) a Trạng thái nghỉ ngơi 01 02 03 RP-6 (Nga) 04 05 06 RP-6 (Nga) 115/76 68 117/78 62 113/71 57 113/74 68 121/77 62 116/75 57 - - 121/74 70 116/73 64 114/73 67 - 183 108 185 112 189 105 ≥ 150 ≤ 120 ≤ 12 b Hoạt động bình thường (đi bộ) 120/75 58 96 70 118/80 62 94 64 117/77 65 98 67 - ≥ 40 ≤ 120 Mùi bánh khởi động bình thường, luồng khí hít vào ấm, cảm giác dễ chịu - Mùi bánh khởi động bình thường, luồng khí hít vào ấm, cảm giác dễ chịu ≤ 12 - * Nhiệt độ lớn đo bề mặt hộp tái sinh (khi hoạt động) Tình trạng sức khỏe người thử nghiệm trước sau sử dụng hộp tái sinh ơxy RP-6 bình thường Các tiêu nghiên cứu thời gian làm việc hộp tái sinh, nhiệt độ bề mặt hộp tái sinh trở lực hộp tái sinh tương đương với mẫu đối chứng [1] KẾT LUẬN - Đã xây dựng thành phần đơn phối liệu chế tạo bánh khởi động sử dụng chế tạo hộp tái sinh ôxy RP-6 gồm thành phần: KO2: 40%; NaO2: 14%; KHSO4: 40,0%; Al: 3,0%; CaSiO3 3% - Đã chế tạo bánh khởi động kiểm tra, thử nghiệm thông số làm việc Kết thử nghiệm cho thấy lượng thể tích khí ơxy tức thời sinh đạt 11,8±0,2 lít, tổng thời gian cụm khởi động hoạt động 20±1 giây - Đã thử nghiệm khả làm việc BKĐ hộp tái sinh ôxy RP-6 người tình nguyện Kết cho thấy tiêu nghiên cứu thời gian làm việc hộp tái sinh, nhiệt độ bề mặt hộp tái sinh trở lực hộp tái sinh tương đương với mẫu đối chứng Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 22, 05-2021 85 ... hộp tái sinh trở lực hộp tái sinh tương đương với mẫu đối chứng [1] KẾT LUẬN - Đã xây dựng thành phần đơn phối liệu chế tạo bánh khởi động sử dụng chế tạo hộp tái sinh ôxy RP-6 gồm thành phần: ... bề mặt hộp tái sinh (khi hoạt động) Tình trạng sức khỏe người thử nghiệm trước sau sử dụng hộp tái sinh ôxy RP-6 bình thường Các tiêu nghiên cứu thời gian làm việc hộp tái sinh, nhiệt độ bề mặt. .. nghiệm khả làm việc BKĐ hộp tái sinh ơxy RP-6 người tình nguyện Kết cho thấy tiêu nghiên cứu thời gian làm việc hộp tái sinh, nhiệt độ bề mặt hộp tái sinh trở lực hộp tái sinh tương đương với mẫu