Противогазы - история и устройство

Войны, которые ведет человечество с применением оружия массового поражения (отравляющих веществ) поставили перед учеными всего мира задачу создания средств защиты органов дыхания людей. В настоящее время уже разработано множество различных средств защиты органов дыхания, применяемых в военных целях и в различных отраслях промышленности. Существует множество типов таких средств, делящихся по их степени очистки, специфичности к определенным газовым смесям.

Николай Дмитриевич Зелинский, выдающийся русский ученый-химик, является автором одного из важнейших изобретений начала 20 века – угольного противогаза. Среди русских ученых, занимавшихся этим вопросом, следует также выделить Шилова А. Н. , Титова А. А. , Ловица Т. Е. Все эти ученые занимались проблемой поглощения газов твердыми материалами в различных условиях. Результатом их работ стали формулы и закономерности, которые применяют и сейчас.

Цель статьи: расширить кругозор, углубить химические знания и применить их на практике.

Задачи:

1. Рассмотреть историю создания противогаза.

2. Познакомиться со средствами защиты органов дыхания, принципом действия противогаза.

3. Выяснить сущность явления адсорбции.

4. Исследовать адсорбционные свойства активированного угля на практике.

История создания противогаза. Н. Д. Зелинский – изобретатель угольного противогаза

Выдающийся химик-органик Николай Дмитриевич Зелинский (1861-1953г. ) родился в Тирасполе, где его помнят спустя десятилетия, им гордятся.

Ученый с мировым именем, Н. Д. Зелинский обогатил химическую науку рядом блестящих открытий и множеством выдающихся исследований. Многие работы академика оказали большое, иногда решающее влияние на развитие различных областей химии. Для всех работ Н. Д. Зелинского характерны широкий диапазон, глубина знаний, строгая научность.

Один из фундаментальных трудов Зелинского - его физико-химические исследования, приведшие к созданию угольного противогаза. Обратимся к его истории.

В августе 1914г началась Первая мировая война. Владельцы монополий, финансовые воротилы стремились нажиться на поставках вооружений и обмундирования для многомиллионных армий. Они надеялись обзавестись новыми рынками сбыта, сферами экономического и политического влияния.

Война 1914г резко отличалась от всех прежних войн. Чрезвычайно возросла роль артиллерии. Появились новые мощные взрывчатые вещества: тринитротолуол (тротил), пикриновая кислота (мелинит), шире стал применяться пироксилин (бездымный порох). Несмотря на применение новейших средств ведения войны, использование авиации и танков, война к концу 1914 г приняла затяжной характер. В воюющих странах по обе стороны линии фронта стал ощущаться недостаток продовольствия и военных материалов. Уже в первые месяцы войны в Германии возник острый дефицит каучука, бензина и селитры-источника азотной кислоты, необходимой для производства взрывчатых веществ. В такой тяжелой обстановке ученые воюющих стран были мобилизованы на выполнение военных заданий. Одни из них работали над изысканием методов получения синтетического каучука, искусственного жидкого топлива, толуола, азотной кислоты из недефицитного сырья. Другие предлагали ускорить окончание войны применением новых средств массового уничтожения.

В конце 1914г группу немецких химиков во главе с Ф. Габером, директором Берлинского физико-химического института, вопреки Гаакской конвенции 1898 и 1907 гг. предложила немецкому командованию применять в боевых условиях газообразные или легколетучие жидкие ядовитые вещества в виде облака, движущегося на неприятельские позиции по ветру.

Первая химическая атака была проведена немцами на северо-западе Бельгии, у реки Ипр, против канадских и французских частей. Было израсходовано 180т хлора на участке шириной 6 км. Концентрация хлора составила 0,01-0,1%, что является смертельной дозой для человека. В результате этой атаки пострадало более 15000 человек, из них 5000 умерли в течение суток.

О газовой атаке на Ипре русское командование узнало уже на следующий день. Вскоре стало известно, что газовая атака готовится немцами и на русском фронте. Необходимо было срочно разработать мероприятия по химической защите. Однако бюрократизм и неразбериха, царившие в правительственных кругах, привели к тому, что через месяц и русские войска, оказались полностью беззащитными во время газовой атаки 31 мая 1915 г под Варшавой и понесли тяжелые потери. В обстановке полной растерянности началась лихорадочная деятельность самых различных организаций по изобретению и изготовлению всевозможных защитных масок. Проведение всех мероприятий по противогазовой обороне было передано верховному начальнику санитарной и эвакуационной части принцу А. П. Ольденбургскому. Далекий от науки, самоуверенный титулованный чиновник решил, что для защиты от отравляющего действия газов достаточно многослойных марлевых масок. По его призыву женские общественные организации изготовили несколько миллионов таких масок. Однако после второй газовой атаки немцев 7 июля 1915г была выявлена полная непригодность марли как защитного средства от ядовитых газов.

Сразу же после получения известий о первой газовой атаке на позиции русских войск Н. Д. Зелинский приступил к поиску путей защиты от газообразных ядов и созданию противогаза. Ему как химику было ясно, что ядовитое вещество можно попытаться перевести в безвредное соединение химическим путем. Именно так поступили создатели некоторых типов противогазов для борьбы с отравляющим действием хлора. Главными действующими реагентами в противогазах были гипосульфит (тиосульфат) натрия Na2S2O3 и сода Na2CO3:

Na2S2O3+4Cl2+5H2O= Na2SO4+ H2SO4+8HCL

Na2CO3+2 HCL=2NaCL+H2O+CO2

Na2CO3+H2SO4= Na2SO4+H2O+ CO2

В результате реакций образуются неядовитые продукты

Но предложенная смесь неуниверсальна; она обезвреживает только хлор. А если немцы применят другое отравляющее вещество, например фосген? Нужна была какая-то совершенно иная идея. Внимательно просматривает Н. Д. Зелинский официальные сообщения с фронта, обращая особое внимание на те случаи, когда подвергшиеся действию ядовитых газов солдаты все же спасались. Что же оказалось? В живых оставались те, кто во время атаки дышали через влажную тряпку, через слой рыхлой земли, или плотно укрывал голову шинелью. Ученому стало ясно, что причину защиты от ядовитых газов надо искать в их адсорбции пористыми телами. Ему вспомнились недавние работы с древесным углем. Правда, в тех исследованиях наблюдалась адсорбция из этанола спиртов с достаточно большой молекулярной массой. Древесный уголь для адсорбции ядовитых газов никто никогда не применял. Окончательный ответ на поставленный вопрос может дать только эксперимент.

Первые опыты были проведены в Центральной лаборатории Министерства финансов. В герметически закрытой комнате зажгли большой кусок серы. При этом образовался ядовитый оксид серы(IV).

S+O2= SO2

Когда концентрация газа стала достаточно высокой, в комнату, прижимая к носу платок с прокаленным углем, вошли Н. Д. Зелинский и С. С. Степанов. Полчаса находились испытатели в отравленной атмосфере без каких-либо последствий для здоровья.

Началось систематическое исследование свойств угля. Оказалось, что обычный уголь обладает невысокой поглотительной способностью. Увеличить его поглотительные свойства можно путем активирования. Смысл активации угля состоит в том, что с внутренней поверхности пор удаляются адсорбированные тяжелые углеводороды и смолистые вещества. Сначала уголь пропитывали спиртом или эфиром, а затем прокаливали. Из пор удалялись высокомолекулярные органические вещества, а уголь приобретал большую пористость и, следовательно, высокоразвитую поверхность. Дальнейшие опыты показали, что активацию можно проводить и водяным паром. При высоких температурах в порах угля образуется так называемый водяной газ: t0

H2O+C = H2 + СО

Этот газ разрыхляет уголь и увеличивает пористую поверхность.

Все новые и новые опыты убеждают Н. Д. Зелинского в правильности выбранного пути. Под впечатлением полученных результатов ученый пишет докладную записку в Управление санитарной и эвакуационной части о необходимости создания угольного противогаза. Не получив ответа, Н. Д. Зелинский в июне 1915г делает доклад на заседании санитарно-технического отдела Русского технического общества, а в августе выступает с сообщением об адсорбционных свойствах угля на экстренном заседании экспериментальной комиссии при медицинской комиссии Всероссийского союза городов в Москве. Комиссия решила немедленно приступить к испытанию угля. Испытания проводились и на животных, и на людях. Результаты показали полную пригодность активированного угля как адсорбента ядовитых газов.

В то же время в лаборатории Н. Д. Зелинского решался и такой технический вопрос, как крепление угольного фильтра на лице. В разгар этой работы в лабораторию пришел инженер с фабрики «Треугольник» Э. Л. Куммант. Он предложил соединить коробку с активированным углем с резиновой маской. Маска имела два стекла, была эластично и плотно прилегла к голове любого размера. Сочетание противогаза Н. Д. Зелинского с маской Э. Д. Кумманта оказалось очень удачным. Сравнительные испытания показали, что этот противогаз намного лучше всех известных средств защиты.

Казалось, что теперь путь широкого использования противогаза Н. Д. Зелинского открыт. Ученый предложил принять разработанный им противогаз на вооружение армии. Однако новый противогаз не был сразу признан верховным командованием. Дело в том, что к важному делу противохимической защиты примазались многочисленные горе - изобретатели, которые не хотели останавливать прибыльное производство неудовлетворительных противогазовых средств. Из-за этого даже летом 1916г русская армия имела только немногим более 100000 противогазов Н. Д. Зелинского. только после губительной немецкой химической атаки с применением фосгена 20 июня 1916г под Сморганью русская армия получила противогазы Н. Д. Зелинского в нужном количестве. В результате потери от газовых атак резко снизились.

Чтобы усилить эффективность химических атак, немецкое командование решило применить еще более ядовитые вещества. 12 июля 1917г. снова в районе реки Ипр германская армия применила дихлордиэтилсульфид-«горячий газ»-против наступавших англо-французских частей. По названию реки дихлордиэтилсульфид стали позднее называть ипритом. Применение его привело к большим человеческим жертвам. Его печальное происшествие заставило союзников России в срочном порядке обеспечить свои армии противогазами, действующими по принципу противогаза Н. Д. Зелинского, снабдив их дополнительными коробками с химическим поглотителем.

Имя Зелинского стало достоянием России. В огромном потоке писем, шедших с фронта от солдат и офицеров, содержались теплые слова благодарности - это было самой большой наградой Н. Д. Зелинскому, который не получил никакого официального вознаграждения. Касаясь темы противогаза, Н. Д. Зелинский с заслуженной гордостью говорил: «Я изобрел его не для нападения, а для защиты молодых жизней от страданий и смерти».

Средства защиты органов дыхания

Средства защиты органов дыхания служат для отделения из газопаровой смеси вредных газов, пыли, туманов, аэрозолей. Среди русских ученых, занимавшихся этим вопросом, следует выделить Н. Д. Зелинского (создатель первого угольного противогаза), Шилова А. Н. , Титова А. А. , Ловица Т. Е. Все эти ученые занимались проблемой поглощения газов твердыми материалами в различных условиях. Результатом их работ стали формулы и закономерности, которые применяют и сейчас.

В настоящее время уже разработано множество различных средств защиты органов дыхания, применяемых в различных отраслях промышленности и в военных целях. Существует множество типов таких средств, делящихся по их степени очистки, специфичности к определенным газовым смесям.

Принято делить средства защиты органов дыхания следующим образом:

1. Ватно-марлевые повязки, респираторы

2. Противогазы а) фильтрующие б) изолирующие.

• Простейшие средства защиты органов дыхания

Когда нет ни противогаза, ни респиратора, то есть тех средства защиты, которые изготавливаются промышленностью, можно воспользоваться простейшими: ватно-марлевой повязкой или противопылевой тканевой маской. Они довольно надежно защищают органы дыхания человека от радиоактивной пыли, вредных аэрозолей и от бактериологических средств. Ватно-марлевая повязка, пропитанная определенным раствором, обеспечит защиту от таких ядовитых веществ как аммиак, хлор. Однако ни ватно-марлевая повязка, ни противопылевая тканевая маска не защищает от многих ядовитых сильнодействующих веществ.

Ватно-марлевая повязка изготавливается из марли длиной 100 см и шириной 50 см. На среднюю часть марли кладут ровный слой ваты размером 30*20 см и толщиной 2 см.

Ватно-марлевую повязку при использовании накладывают на лицо так, чтобы нижний край закрывал низ подбородка, а верхний доходил до глазных впадин, хорошо закрывая рот и нос. Разрезанные концы повязки завязывают так: верхние-на затылке, нижние-на темени.

Если надвигается облако хлора, рекомендуется смочить повязку 2% раствором питьевой соды. При выбросе аммиака рекомендуется использовать 5% раствор лимонной кислоты, для пропитки маски. Противопылевая тканевая маска состоит из двух основных частей корпуса и крепления.

Корпус изготавливается из 4-5 слоев ткани. Верхний делается из неплотной ткани, внутренние слои из более плотных тканей, а нижний внутренний слой из нелиняющих тканей, так как она прилегает к лицу человека. Раскройка корпуса осуществляется по выкройкам или лекалам.

Долго пользоваться ватно-марлевыми повязками не рекомендуется. Необходимо как можно быстрее выходить с зараженной территории.

Респираторы

Респираторы представляют собой облегченные средства защиты органов дыхания от вредных газов, паров, аэрозолей и пыли. Широкое распространение они получили на шахтах, на рудниках, на химических вредных и запыленных предприятиях, при работе с удобрениями и ядохимикатами в сельском хозяйстве. Ими пользуются на АЭС, на металлургических предприятиях, при покрасочных, погрузочных, разгрузочных работах.

Очистка вдыхаемого воздуха от вредных примесей осуществляется за счет физико-химических процессов (адсорбции, хемосорбции и катализа), и от аэрозольных примесей - путем фильтрации через волокнистые материалы.

Респираторы делятся на два типа: первый-это респираторы, у которых полумаска и фильтрующий элемент одновременно служит и лицевой частью; второй-очищает вдыхаемый воздух в фильтрующих патронах, присоединенных к полумаске.

В качестве фильтров в противопылевых респираторах используют тонковолокнистые фильтрующие материалы.

В зависимости от срока службы респираторы могут быть одноразового потребления (ШБ-1, «Лепесток», «Кама», У-2К, Р-2), которые после отработки не пригодны для дальнейшей эксплуатации. В респираторах многоразового применения предусмотрена замена фильтров.

Респираторы обладают рядом достоинств: малое сопротивление дыханию, малый вес. Это продлевает время нахождения в респираторе и уменьшает давление на лицевую часть. Однако запрещается их применение для защиты от высокотоксичных веществ типа синильной кислоты и др, а также от веществ, которые могут проникнуть в организм через неповрежденную кожу.

• Противогазы

Противогазы предназначены для защиты от вредных газов с существенной концентрацией.

Противогазы делятся на фильтрующие и изолирующие.

Изолирующие противогазы

Изолирующие противогазы в отличие от фильтрующих полностью изолируют органы дыхания от окружающей среды. Дыхание осуществляется за счет запаса кислорода, находящегося в самом противогазе. Изолирующим противогазом пользуются тогда, когда невозможно применить фильтрующий, в частности, при недостатке кислорода в окружающей среде, при очень высоких концентрациях отравляющих веществ, сильнодействующих ядовитых веществ и других вредных веществ, при работе под водой.

Для полной защиты органов дыхания применяют изолирующие противогазы ИП-4 и ИП-5, которые обеспечивают не только защиту органов дыхания, но и глаз, кожи лица от сильнодействующих ядовитых веществ, независимо от свойств и концентрации. Они позволяют работать даже там, где полностью отсутствует кислород воздуха. С помощью противогаза ИП-5 можно выполнять легкие работы под водой на глубине до 7 м.

Принцип действия таких противогазов основан на выделении кислорода из химических веществ, при поглощении углекислого газа и влаги, выдыхаемых человеком.

Изолирующие противогазы состоят из лицевой части, регенеративного патрона, дыхательного шланга и сумки.

Регенеративный патрон обеспечивает получение кислорода для дыхания, поглощение углекислого газа и влаги из выдыхаемого воздуха.

Корпус патрона снаряжен регенеративным продуктом, в котором установлен пусковой брикет, который обеспечивает выделение кислорода, необходимые в первые минуты для дыхания.

Запас кислорода в регенеративном патроне позволяет выполнять работу при тяжелых физических нагрузках в течение 45 минут, при средних-70 минут, а при легких или в состоянии относительного покоя-3 часа.

Фильтрующие противогазы.

Фильтрующие противогазы ГП-5 и ГП-7 защищают органы дыхания от таких сильнодействующих ядовитых веществ, как хлор, сероводород, сернистый газ, тетраэтилсвинец, нитробензол, фенол, фосген и хлорэтан.

Принципы защитного действия у ГП-5 и ГП-7 схожи. Вместе с тем, ГП-7 имеет ряд существенных преимуществ по эксплутационным и по физиологическим показателям. Например, уменьшено сопротивление фильтрующе-поглощающей коробки, что облегчает дыхание. «Независимый» обтюратор обеспечивает более надежную герметизацию и в то же время уменьшает давление на голову, и позволяет увеличить время пребывания в противогазе. Благодаря этому ГП-7 могут пользоваться люди старше 60 лет, а также больные люди с легочными и сердечно-сосудистыми заболеваниями. Наличие у противогаза ГП-7 переговорного устройства обеспечивает четкое понимание передаваемой речи, что значительно облегчает пользование средствами связи.

С целью расширения возможностей противогазов по защите от сильнодействующих ядовитых веществ для них введены дополнительные патроны ( ДПГ-1; ДПГ-3).

ДПГ-3 в комплекте с противогазом защищает от аммиака, хлора, диметиламина, нитробензола, сероводорода, сероуглерода, синильной кислоты, тетраэтилсвинца, фенола, фосгена, хлороводорода, хлористого циана и этилмеркаптана.

ДПГ-1, кроме того, что защищает еще от двуокиси азота, хлорметана, окиси углерода и окиси этилена.

В комплект дополнительных патронов входят соединительная трубка и вставка. С лицевой частью противогаза патрон связан с помощью соединительной трубки, для чего на один из концов наворачивается горловина. В дне патрона нарезана внутренняя резьба для присоединения к фильтрующе-поглощающей коробке ГП-5 или ГП-7.

Внутри патрона ДПГ-1 два слоя шихты - специальный поглотитель и гопкалит. В ДПГ-3-только один слой поглотителя. Чтобы защитить шихты от увлажнения при хранении, горловины должны быть постоянно закрытыми: наружная-с навинченным колпачком с прокладкой; внутренняя-с ввернутой заглушкой.

Сопротивление потоку воздуха не более 10 мм водного столба при расходе 30 л/мин. Масса патрона ДПГ-1 не более 500 г; ДПГ-3-350 г.

Гопкалитовый патрон-тоже дополнительный патрон к противогазам для защиты от окиси углерода.

По конструкции аналогичен ДПГ-1 и ДПГ-3. Снаряжается он осушителем и собственно гопкалитом. Осушитель представляет собой силикагель, пропитанный хлоридом кальция. Предназначен для защиты гопкалита от влаги, от которой он теряет свои свойства. Гопкалит-это смесь оксида марганца с окисью меди, играет роль катализатора и окисляет окись углерода до двуокиси углерода.

На гопкалитовом патроне указывается его вес. При увеличении веса, за счет поглощения влаги на 20 г и более патроном пользоваться нельзя. Время защитного действия патрона при относительной влажности воздуха 80% около двух часов.

Адсорбция-основа действия противогаза

Адсорбцией называется процесс избирательного поглощения газов, паров и растворенных в жидкости веществ (адсорбатов или адсорбтивом) твердыми пористыми поглотителями (адсорбентами). Адсорбентом называют твердый зернистый материал, имеющий пористую структуру и обладающий большой удельной поглощающей поверхностью.

В настоящее время наиболее распространены следующие твердые адсорбенты: активированный уголь, алюмосиликаты, силикагель, цеолиты (молекулярные сита). Вот некоторые их характеристики:

Характеристика Силикагель Алюмосиликат Акт. уголь

Объем пор (см3/г) _ 0,28-0,9 0,57

Размер пор (10-8 см) <70 5-100 20-25

Удельная поверхность 600-1700 270-500 300-350

Насыпная плотность 200-600 500-800 700

(кг/м3)

В противогазах используется активированный уголь из-за его большой удельной поверхности. Активированные угли представляют собой мелкие кристаллы с решеткой графита. Применяются эти угли в гранулированном виде (1-7 мм) или в виде порошка.

Адсорбционные свойства зависят от природы адсорбента, от удельной поверхности и от структуры, т. е. от величины пор и распределения их по размерам. Адсорбция является поверхностным явлением (т. е. процесс адсорбции протекает на границе раздела фаз газ-тв. тело), который заключается во взаимодействии молекул или ионов адсорбата с поверхностью адсорбента за счет слабых сил межмолекулярного взаимодействия (Ван-дер-Ваальсовых, водородных, электростатических). Скорость такого процесса велика и адсорбция протекает мгновенно, если поверхность адсорбента легко доступна. Для пористых адсорбентов на скорость и полноту адсорбции сильно влияют размеры пор. Для физической адсорбции (существует еще химическая адсорбция-хемосорбция, но этот тип адсорбции для угольных адсорбентов не характерен) характерны: большая скорость, обратимость, уменьшение количества поглощенного адсорбента с повышением температуры.

Противогаз может быть применен только тогда, когда парциальное давление адсорбата мало, в случае же высоких парциальных давлений происходит сильное уменьшение времени защитного действия и степени адсорбции.

Исследование адсорбционных свойств активированного угля на практике

Опыт №1

Цель опыта: Исследование адсорбционных свойств активированного угля на практике.

Методика проведения опыта:

Приготовили разбавленный раствор красителя (фуксина и лакмуса). Налили по 2-3 мл растворов в пробирки, добавили активированный уголь в каждую пробирку, закрыли пробкой и энергично встряхнули несколько раз.

Наблюдения: обесцвечивание растворов фуксина и лакмуса в пробирках.

Опыт №2

Цель опыта: Исследование адсорбционных свойств активированного угля на практике.

Методика проведения опыта:

Получили оксид азота (IV) – бурый газ. Стараясь не допускать потерь газа, быстро поместили в пробирку с газом 2-3 таблетки активированного угля, закрыли ее пробкой и встряхнули несколько раз.

Наблюдения: исчезновение бурой окраски газа в пробирке.

Выводы: в результате проделанных опытов на практике убедились в проявлении у активированного угля адсорбционных свойств.

Угольный противогаз, изобретенный в годы Первой мировой войны, не потерял своего значения и сегодня. Противогаз находит применение в мирной жизни людей: во время работы в опасных экстремальных условиях, связанных со спасением людей, ликвидацией аварий, тушением пожаров (в быту, на производстве). Применение противогазов становится в некоторых случаях необходимо в связи с террористическими актами, которые, к сожалению, происходят в нашей стране и во всем мире.