张 强，刘何清，刘天宇，谭经照，欧聪颖



呼吸参数对化学氧自救器生氧参数的影响研究*

张 强1，刘何清1，刘天宇1，谭经照2，欧聪颖1

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭市 411201；2.湖南科技大学 化学化工学院，湖南 湘潭市 411201)

针对化学氧自救器在使用过程中存在生氧温度过高的问题，通过理论分析和实验室研究的方法，研究人体做功量和呼吸频率对化学氧自救器生氧温度、速率的影响。研究结果表明，人体活动强度、做功量增加，将造成呼吸量、呼出二氧化碳量及浓度的增加；呼出二氧化碳量及浓度增加，将引起自救器生氧反应速率的增加；呼吸频率越高，呼入的CO2量越大，生氧反应的速度越快，产热量越大，瓶内氧气温度上升速度越快；药剂量有限或无限，均存在生氧温度最高值；呼吸频率小，生氧反应速率小，最高温度值小，反应持续的时间越长，自救器有效防护时间越长。

化学氧自救器；呼吸参数；生氧温度；生氧速率

0 引 言

自救器是我国矿山行业使用较为广泛的一种个体防护装备，是矿山井下发生瓦斯或粉尘爆炸、火灾和瓦斯突出等灾害事故时工人第一时间实施自救的便携装备。多年的统计数据显示，由于吸入有毒有害气体而窒息或中毒死亡的井下工人人数占矿井灾害死亡总体人数的90%以上[1]。因此，《煤矿安全规程》第十条规定入井人员必须随身携带自救器[2]。

自救器主要分为3种类型：过滤式自救器、压缩氧自救器和化学氧自救器[3]。由于化学氧自救器具有体积小、重量轻、使用环境不受限制、氧气释放量大的优点，它已成为我国采矿业广泛使用的便携式个体防护装备[4−5]。

目前，ZH型矿用化学氧自救器在我国得到广泛应用，其结构原理见图1，其生氧原理是利用KO2与人体呼出的CO2发生化学反应并释放出足量的氧气，在一段时间内保障使用者的正常呼吸，其化学反应方程式为[6−7]：

4KO2+2CO2=2K2CO3+3O2

该化学反应为放热反应，反应过程中释放的热量是导致自救器生氧温度过高的根本因素[8]。若该放热反应的反应速率过快，不仅影响自救器的生氧温度，还会影响使用舒适性及有效防护时间。通过分析化学反应方程式，得出影响反应速率的主要因素为人体呼吸参数、参与反应药剂量及环境温度。

对于一种定型自救器产品，其内部的KO2质量一定，而人体呼吸量和参与反应的CO2的量则是不确定的，主要受使用人活动强度及呼吸频率的影响。为最大限度发挥自救器的救生功能，有必要对不同呼吸参数下的生氧温度、反应速率及自救器可使用时间开展研究，为科学使用自救器救生提供参考。

本文通过实验实测的方式研究人体呼吸参数对化学氧自救器生氧速率及生氧温度的影响，为将来研制与合理使用化学氧自救器提供参考。

1—气囊；2—呼吸阀；3—呼吸软管；4—口具塞；

1 不同活动强度人体呼吸参数及 分析

人体吸入氧气并排出二氧化碳以维持生命过程。人体吸入的氧气量和排出的CO2量跟人体活动强度密切相关。一般生活常识认为，人体活动量增加，呼吸量及呼出的CO2量将随之增加，但它们之间的量化关系没有关注。笔者结合人体呼出气体成分对生氧化学反应速率的影响，找出其对生氧反应速率的影响规律。

1.1 不同活动强度或做功量下的人体呼吸参数

为探究不同活动强度下人体呼吸参数的变化，抚顺矿业集团和沈阳研究院通过对德国DRAGER公司的人体测试数据并参照其测试内容和方法对井下工作人员不同做功量下的生理参数进行了实验测定。得出不同活动强度下的人体生理呼吸参数，经数据整理见表1、表2[9]。

表1 不同活动强度下的生理呼吸参数

表2 不同做功量下的生理呼吸参数

1.2 做功量对人体生理呼吸参数的影响分析

结合表1和表2中的实测数据，设做功量为(kg∙m/min)，呼吸量为(L/min)，CO2呼出量为，利用Origin软件进行数据拟合，得出做功量、呼吸量与CO2呼出量之间的相互关系[10]，如图2~图4所示。

从图2~图4可得出：

(1) 人体的做功量与呼吸量、呼吸量与CO2呼出量之间呈线性增加。

图2 呼吸量与CO2呼出量的关系

图3 做功量与呼吸量的关系

图4 做功量与CO2呼出量的关系

(2) 人体做功量与CO2呼出量呈指数函数关系。且人体做功量越大，单位做功变化量下人体呼出CO2变化量越大。

1.3 做功量对生氧反应速率的影响分析

通过分析药剂的性质和药剂的化学反应可知，影响生氧化学反应速率的主要人体呼吸参数是：呼吸量和CO2呼出量[10]。设人体呼出气体中CO2浓度为CO2，结合图2~图4可推算出CO2与人体做功量、呼吸量之间的函数关系：

结合图2~图4与式(1)、式(2)可看出，随着人体做功量的增加，人体的呼吸量和呼出二氧化碳浓度均会增加，两者的增加会引起自救器生氧反应速率的增加。对于生氧药剂质量一定的化学氧自救器而言，生氧反应速率的增加，自救器的有效防护时间下降。

2 呼吸频率对自救器生氧参数的 影响

人体的呼吸频率是影响化学氧自救器氧气温度、氧气释放速率的因素之一，随着人体呼吸频率的改变，人体的呼吸量和呼出气体成分也随之变化，从而影响生氧反应速率和生氧温度[10−11]。由于工人在使用自救器逃生奔跑的过程中难以自主控制呼吸频率，不同的奔跑速度和体质，人的呼吸频率不同。本文由于实验装置的限制，不能在奔跑状态下开展试验。因此，选择静坐状态下进行。通过研究不同呼吸频率对该状态下氧气释放速率和氧气温度的影响规律，以指导使用者如何降低自救器的生氧温度，并在实际使用过程中延长使用时间。

2.1 实验方案及实验过程

实验在湖南科技大学化学与化工学院实验平台进行，实验原理见图5。

实验采用AB204-N梅特勒-托利多普及型分析天平和精密天平进行KO2药剂称量，其称量范围为0~ 400 g，精度±0.1 mg；通过DS1922L型纽扣式无线传感器采集生氧温度，然后通过与传感器配套的温度测量系统进行数据处理。DS1922L无线传感器温度测量范围为−40 ℃~85 ℃，有0.5 ℃和0.0625 ℃ 2种精度可供选择，为保证实验过程的精确性，本实验选用0.0625 ℃精度，传感器数据记录时间间隔在1 s至 273 h内可供选择[10]。本实验数据记录时间间隔设置为30 s。

准备4份每份为10 g的KO2药剂粉末，将其分别置于抽滤瓶中。在相同的实验环境条件下分别用15，20，25，30次/min 4种呼吸频率向抽滤瓶中吹入气 体[10, 12]。当生氧药剂KO2绝大部分变为淡黄色后，界定为药剂反应完，停止吹气。当传感器测量的温度接近或等于环境初始温度时，将其记录为实验的结束时间点。

1—抽滤瓶；2—滤嘴；3—生氧药剂；4—瓶口；5—棉花；6—温度传感器

2.2 实验结果及分析

在等质量不同呼吸频率下抽滤瓶内氧气温度随时间的变化关系如图6所示。在实验开始前，瓶内气体温度等于环境温度(经实测实验环境温度为 21.685 ℃)。

图6 不同呼吸频率下生氧温度的对比

在放氧反应的初始阶段，参与反应的药剂量充足，呼入的CO2与KO2药剂充分反应，装置中的气体蓄热量大于通过装置的散热量，热量逐渐累积，导致氧气的温度逐渐增加。

当反应一段时间后，一是反应产物K2CO3覆盖于KO2药剂表面、减小了CO2与KO2药剂的接触面积；二是参与反应的KO2药剂量逐渐减少，二者均会造成呼入的CO2与KO2药剂反应不充分，放出的热量减 少[10]，从而导致生氧温度的增加速度减慢，此时会出现2种情况：一是气体的蓄热量仍大于通过装置的散热量，氧气温度继续增加但会比之前生氧温度增加速率变慢；二是气体的蓄热量开始小于通过装置的散热量，此时氧气温度逐渐减小。

当药剂变为淡黄色，本实验认定为KO2药剂耗尽，停止吹气时。此时，在内外温差作用下向瓶外环境散发热量，致使瓶内氧气温度逐渐下降。

结合图6可以得出以下结论：

(1) 生氧药剂充足阶段，随着时间增加生氧温度迅速上升，且呼吸频率越高，瓶内氧气温度上升速率越大。亦即，呼吸频率越高，呼入的CO2量越大，反应的速度越快，产热量越大，氧气温度上升速度越快；

(2) 呼吸频率越小，生氧温度最高值越小，且其出现的时间越晚；

(3) 当药剂变为淡黄色，停止吹气，生氧温度达到最大值，随后因为装置散热量大于产热量，开始出现下降趋势，直至与环境温度相同；

(4) 人体呼吸频率越低，生氧反应速率较小，反应持续的时间较长，即有效防护时间也会较长；

(5) 停止呼气后，瓶内氧气温度降低速率也出现与呼吸频率明显的相关性。呼吸频率高，其温度下降速度也就快，实验结束的时间越早。

3 结 论

(1) 人体活动强度、做功量增加，呼吸量、呼出二氧化碳量及浓度均会增加；呼出二氧化碳量及浓度增加，将引起自救器生氧反应速率的增加。

(2) 呼吸频率越高，呼入的CO2量越大，化学氧产生的速度越快，产热量越大，瓶内氧气温度上升速度越快。

(3) 相同生氧药剂量下，每一种呼吸频率均出现一个最高温度值，且人体呼吸频率越小，生氧反应速率较小，导致生氧最高温度值变小但反应持续的时间会增加，即自救器有效防护时间延长。

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国家自然科学基金资助项目(51474105).

(2018−07−15)

张 强(1993—)，男，四川绵阳人，硕士研究生，研究方向为个体防护，Email:706834335@qq.com。