Разработка регенерируемого поглотителя диоксида углерода для систем жизнеобеспечения человека при длительных космических полетах

При разработке систем жизнеобеспечения для длительных космических полетов важнейшими задачами являются поглощение диоксида углерода из воздуха, получение диоксида углерода с концентрацией выше 98 % и получение из диоксида углерода кислорода с помощью процесса Боша – Сабатье. Для решения этих задач необходим регенерируемый поглотитель диоксида углерода, адаптированный к условиям космического полета. Предложен новый способ получения хемосорбентов на основе гидратированного оксида циркония с использованием полиакрилатов в качестве связующего и полимерной матрицы. Разрабатываемый регенерируемый поглотитель диоксида углерода (РПДУ) для применения его в условиях космических полетов должен соответствовать нормативным требованиям санитарно-химической и токсикологической безопасности материалов, предназначенных для оборудования обитаемых герметичных помещений, быть устойчивым к радиационному излучению и к воздействию плесневых грибов. При изучении процессов сорбции/десорбции диоксида углерода установлена взаимосвязь между технологическими параметрами синтеза хемосорбентов и кинетическими параметрами процессов массопереноса сорбата в циклах «сорбция – регенерация». Установлено, что оптимальным с точки зрения эксплуатационных характеристик разработанных поглотителей является весовое соотношение «адсорбент – наполнитель/полимерная матрица» 89÷94/11÷6. Экспериментально показано, что основные эксплуатационные характеристики разработанных материалов не меняются в условиях экспериментов на протяжении 2 000 циклов «сорбция – регенерация». Полученные хемосорбенты были исследованы методами физико-химического анализа. С помощью методов газовой хроматографии и хроматомасс-спектрометрии проведены санитарно-химические исследования и токсикологическая оценка количественного и качественного состава компонентов газовыделения РПДУ и газовоздушной смеси, образующейся при регенерации РПДУ. Кроме того, проведены микробиологические испытания образцов РПДУ на предмет стойкости материала к воздействию плесневых грибов. Полученные результаты подтверждают возможность использования разработанных материалов в системах жизнеобеспечения пилотируемых космических кораблей для освоения дальнего космоса.

хемосорбция, системы жизнеобеспечения, гидратированный оксид циркония, диоксид углерода, полиакрилаты, связующее, водостойкость, циклы «сорбция – регенерация», регенерация, динамическая активность, санитарнохимические исследования, токсикологическая оценка, микробиологические испытания

1. Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королева в первом десятилетии ХХ1 века. – М.: РКК «Энергия», 2011. – 832 с.

2. Иванов, Д.И. Системы жизнеобеспечения человека при высотных и космических полетах / Д.И. Иванов, А.И. Хромушкин. – М.: Машиностроение, 1968. – С. 61.

3. Воронин, Г.И. Жизнеобеспечение экипажей космических кораблей / Г.И. Воронин, А.И. Поливода. – М. Машиностроение. – 1967. – 236 с.

4. Presti, J. Superoxide life support system for submersibles / J. Presti, H. Wallman, A. Petroctlli // Undersea Technol. –1967. – Vol. 8. – P. 20.

5. Petroctlli, A. Some notes on the use of superoxides in regenerative air system / A. Petroctlli, A. Capolesto // Aerospase Med. –1964. – Vol. 31. – P. 440.

6. Аврущенко А.Е., А.Ф. Новиков, В.И. Френкель. Системы электрохимической регенерации воздуха атомных подводных лодок. – Издательство «Русская история», Москва. 2002. – 431 с.

7. Патент 2316391 РФ, МПК D01J 20/06. Шубина В.Н., Путин С.Б.. и др. Способ получения регенерируемого поглотителя диоксида углерода // 2008. Заявлена 05.09.2006; опубликована 10.02.2008. Бюл. № 4–7 с.

8. Гранкина, Ю.А. Синтез регенерируемого поглотителя диоксида углерода на основе гидратированного оксида циркония для концентрирования и удаления СО2 в обитаемых замкнутых объектах / Ю.А. Гранкина, В.Н. Шубина [и др.] // ЖПХ. – 2016. – Т. 89. – № 1. – С 44–49.

9. Постернак, Н.В. Методы концентрирования диоксида углерода в системе регенерации воздуха в условиях длительных пилотируемых космических полетов / Н.В. Постернак [и др.] // Вестник ТГТУ. – 2012. – Т. 18. – № 1. – С. 173–181.

10. Yang, R.T. Adsorbents: fundamentals and applications / R.T. Yang. – N.Y.: 2003. Wiley – Interscience. – 410 p.

11. Aristov, Yu.I. Novel materials for adsorptive heat pumping and storage: screening and nanotailoring of sorption properties / Yu.I. Aristov // J. Chem. Eng. Jpn. – 2007. – Vol. 40. – No. 13. – P. 1241–1251.

12. Патент 6451095 US. МПК В01D 53/06. Keefer B.G., Doman D.G., McLean R. Modular pressure swing adsorption apparatus // 2002.

13. Патент 1323468 ЕРВ. МПК B01J 20/18. Fritz H., Hoefer H., Hammer J. Adsorbing material comprised of porous functional solid incorporated in a polymer matrix // Патент 1323468 ЕРВ. МПК B01J 20/18. 2001.

14. Патент 2939330 Fr. МПК В01J 20/18. Serge N., Alice M., Patrick A. Adsorbant zeolitique a liant organique // Патент 2939330 Fr. МПК В01J 20/18. 2008.

15. Патент 1323468 ЕРВ. МПК B01J 20/18. Fritz H., Hoefer H., Hammer J. Adsorbing material comprised of porous functional solid incorporated in a polymer matrix // Патент 1323468 ЕРВ. МПК B01J 20/18. 2001.

16. Патент 2939330 Fr. МПК В01J 20/18. Serge N., Alice M., Patrick A. Adsorbant zeolitique a liant organique // Патент 2939330 Fr. МПК В01J 20/18. 2008.

17. Патент 7655300 US. МПК В32B5/16. Metz H., Devaux A., Suarez S., Kunzmann A. Transparent zeolite – polymer hybrid material with tunable properties // Патент 7655300 US. МПК В32B5/16. 2010.

18. Патент 2390378 РФ. МПК В01J 20/32. Джаннанеонио Р., Вескови К., Каттанео Л., Лонгони Д. Поглощающие системы, содержащие активную фазу, внедренную в пористый материал, распределенный в средстве с низкой проницаемостью // Патент 2390378 РФ. МПК В01J 20/32. 2010.

19. Ферапонтова, Л.Л. Адсорбент на основе цеолита с использованием в качестве связующего полимеров фторпроизводных этилена / Л.Л. Ферапонтова, Н.Ф. Гладышев, С.Б. Путин // Химическая технология. – 2011. – Т. 12. – № 4. – С. 215–222.

20. Ферапонтова, Л. Л. Выбор оптимальных условий получения композиционных сорбционно– активных материалов на основе цеолита и фторпроизводных этилена / Л.Л. Ферапонтова, Н.Ф. Гладышев, С.Б. Путин // Химическая технология. – 2012. – Т. 13. – № 1. – С. 11–17.

21. Ферапонтова, Л.Л. Изучение физико– химических свойств композиционных сорбционноактивных материалов на основе цеолита и полимеров фторпроизводных этилена / Л.Л. Ферапонтова [и др.] // Журнал прикладной химии. – 2012. – Т. 85. – Вып. 3. – С. 470–476.

22. Пат. 2446876 РФ № 2010136355/05. Гладышев Н.Ф., Гладышева Т.В., Ферапонтов Ю.А., Ферапонтова Л.Л.Способ получения формованного сорбента // Пат. 2446876 РФ № 2010136355/05; заявл. 30.08.2010, опубл. 10.04.2012, Бюл. № 10. 14 с.

23. Патент 2481154 РФ № 2011139686/05 Н.Ф., Гладышева Т.В., Ферапонтов Ю.А., Ферапонтова Л.Л. Способ получения гибких композиционных сорбционно-активных материалов // Патент 2481154 РФ № 2011139686/; заявл. 29.09.2011; опубл. 10.05.2013. Бюл. № 13. 14 с.

24. Патент 2543167 РФ № 2013102823/05 Ферапонтова Л.Л., Гладышев Н.Ф., Гладышева Т.В., и др. Способ получения гибких композиционных сорбционно-активных материалов // Патент 2543167 РФ № 2013102823/05; заявл. 22.01.2013, опубл. 27.07.2014. Бюл. № 21. 14 с.

25. Posternak, N.V. Сomposite sorption-active materials based on zeolite and ethylene fluorine derivatives part I. Raw materials, production technology and research methodology for prototypes / N.V. Posternak [et al.] // Advanced Materials and Technologies. – 2017. – № 4. – С. 29–40.

26. Posternak, N.V. Composite sorption-active materials based on zeolite and ethylene fluorine derivatives part II. Preparation of composite sorption-active materials, investigation of their physicochemical properties and selection of optimal synthesis conditions / N.V. Posternak [et al.] // Advanced Materials and Technologies. – 2018. – № 1. – С. 58–68.

27. Патент 2656490 РФ. № 2017121491/05. Яркина Л.А. Булаев Н.А. Ферапонтов Ю.А., Постернак Н.В. Способ получения регенерируемого поглотителя диок сида углерода // Патент 2656490 РФ. № 2017121491/05; заявл. 19.06.2017, опубл. 05.06.2018. Бюл. № 16. 14 с.

28. Физико-химические основы синтеза и переработки полимеров: Межвузовский сборник / Под ред. проф. Ю.Д. Семчикова. – Горький: ГГУ, 1980. – 128 с.

29. ГОСТ Р 50804-95 Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате. – ГОССТАНДАРТ РОССИИ. – Москва: ИПК Издательство стандартов, 1995.

30. ГОСТ Р ИСО 14624-3-2010 Системы космические. Безопасность и совместимость материалов. Часть 3. Определение отходящих газов из материалов и смонтированных изделий. – Москва: Стандартинформ, 2011.

31. ГОСТ 9293-74 Азот газообразный и жидкий. Технические условия. – Издательство стандартов 1974, Стандартинформ, 2007.

32. ГОСТ Р ИСО 16000 Воздух замкнутых помещений. Часть 6. Определение летучих органических соединений в воздухе замкнутых помещений и испытательной камеры путем активного отбора проб на сорбент Тепах ТА с последующей термической десорбцией и газохроматографическим анализом с использованием МСД/ПИД . – 2007.

33. ГОСТ 9.049-91 Единая система защиты от коррозии и старения. Материалы полимерные и их компоненты. Методы лабораторных испытаний на стойкость к воздействию плесневых грибков. – Принявший орган: Госстандарт СССР, 1976.