Химзащитный материал на основе неуглеродных сорбентов для фильтрующей защитной одежды

Развитие общества и научно-технический прогресс неразрывно связаны с увеличением количества и расширением ассортимента применяемых в различных отраслях промышленности химических веществ. Внедрение новых технологий сопряжено с появлением новых факторов риска для здоровья и жизни людей, работающих в металлургической, химической и нефтехимической промышленности, в сельском хозяйстве [1,2].

В последнее десятилетие на многих отечественных предприятиях сложилась тяжелая ситуация в сфере охраны труда. Десятки тысяч человек ежегодно получают травмы различной тяжести, приобретают профессиональные заболевания в результате производственной деятельности. Причиной значительной части заболеваний и несчастных случаев на производстве является недостаточное обеспечение работающих надежными средствами индивидуальной защиты. Анализ условий труда на химически опасных объектах (ХОО) показал, что используемая специальная защитная одежда зачастую не соответствует степени опасности на рабочем месте. По некоторым данным каждый пятый несчастный случай на производстве связан с отсутствием, низким качеством или неправильным использованием средств индивидуальной защиты [3].

Задача сохранения здоровья работающего человека — основной производительной силы общества является составной частью проблемы обеспечения безопасности страны [4].

В комплексе мероприятий по обеспечению безопасности работающих на производстве и профилактике профессиональных заболеваний важную роль играют средства индивидуальной защиты, которые предотвращают или снижают воздействие опасных и вредных факторов на человека. В условиях прогрессирующего старения основных производственных фондов в ряде базовых отраслей промышленности, несовершенства технологических процессов роль средств индивидуальной защиты как наиболее экономически доступной и, одновременно, достаточно эффективной меры сохранения здоровья людей, предупреждения острых и хронических заболеваний работающих резко возрастает.

Создание рынка специальной одежды, появление различных видов средств индивидуальной защиты зарубежного производства выдвигает более высокие требования к разработке специальной защитной одежды как изолирующего, так и фильтрующего типов. Расширение требований к средствам индивидуальной защиты, в частности защиты от целого ряда опасных факторов промышленных производств, возможности использования во всех климатических зонах России, устойчивости к сезонным колебаниям температуры и т. д., ставит перед разработчиками актуальную задачу поиска новых направлений создания защитных материалов, обеспечивающих необходимый комплекс свойств [5, 6].

Специфика различных производств (нефтегазодобывающих, нефтеперерабатывающих, химических, металлургических, энергетических, атомных, сельскохозяйственных и др.) определяет выбор направления разработки и использования специальной защитной одежды. Основное функциональное назначение защитной одежды — обеспечивать безопасность человека при воздействии химических веществ, высоких температур, открытого пламени и других опасных и вредных факторов [7].

Общими для всех видов специальной одежды являются требования:

— максимально снизить риск нанесения вреда здоровью человека в результате воздействия вредных и опасных производственных факторов;

— обеспечить приемлемые условия работы и удобство при эксплуатации одежды;

— материал одежды не должен оказывать токсичное, кожно-раздражающее и кожно-резорбтивное воздействия на человека.

Особое внимание должно быть обращено на предприятия, производящие или использующие опасные и вредные вещества 1-П классов опасности перкутанного действия, например несимметричный диметилгидразин (НДМГ). Для проведения регламентных и ремонтных работ персонал таких предприятий необходимо обеспечить новым видом специальной одежды — фильтрующей защитной одеждой (ФЗО).

ФЗО — средство индивидуальной защиты кожных покровов человека, обеспечивающее защиту от воздействия опасных и вредных веществ перкутанного действия, содержащихся в воздухе в виде газов, паров или аэрозолей. В состав пакета материалов, из которых изготавливают ФЗО, входят фильтрующие химзащитные материалы, способные исключить или снизить до предельно-допустимого уровня (ПДУ) проникновение токсичных веществ к кожным покровам человека.

Для получения химзащитных материалов фильтрующего типа используются различные способы: нанесение сорбентов на ткани или нетканые материалы путем импрегнирования (пропитки), наполнение нетканого материала или другой пористой основы сорбентами, модификация волокон путем введения сорбентов в полимерную массу. В качестве сорбентов используются, как правило, вещества с развитой пористой структурой: активные угли, неуглеродные сорбенты — силикагели, алюмогели, цеолиты, природные и синтетические материалы, обладающие большой внутренней поверхностью и развитой системой пор.

Данная работа направлена на создание химзащитного материала на основе неуглеродных сорбентов для фильтрующей защитной одежды (ФЗО) многократного применения.

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет» и ОАО «Казанский химический научно-исследовательский институт» в рамках научно-исследовательской работы по Федеральной Целевой Программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007;2012 гг.» по теме «Развитие центра коллективного пользования научного оборудования в области получения и исследования наночастиц, оксидов металлов, металлов и полимеров с заданным химическим составом и формой».

Цель и задачи исследования

.

Целью работы является создание химзащитного материала на основе неуглеродных сорбентов для изготовления ФЗО многократного применения, обеспечивающей защиту кожных покровов человека от воздействия паров токсичных химических веществ в условиях промышленного производства.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести анализ современных химзащитных материалов и защитной одежды на их основе.

2. Обосновать выбор неуглеродных сорбентов и ткани-основы для создания химзащитного фильтрующего материала.

3. Получить химзащитный фильтрующий материал для ФЗО.

4. Изучить влияние импрегнирующего состава и условий нанесения его на ткань на свойства химзащитного фильтрующего материала.

5. Исследовать сорбционные свойства полученного химзащитного фильтрующего материала.

6. Определить ресурс защитных свойств материала при воздействии паров токсичных химических веществ первого и второго классов опасности.

7. Оценить физико-механические характеристики полученного химзащитного материала.

8. Разработать конструкцию фильтрующей защитной одежды длительного использования для промышленного персонала с использованием полученного химзащитного материала.

Методы и объекты исследований.

В качестве объекта исследований выбраны защитные фильтрующие материалы, содержащие в качестве сорбента ферроцианид меди и двухкомпонентную сорбирующую систему на основе золя кремниевой кислоты и ферроцианида меди.

Изучение характеристик разработанного материала включало исследование защитных, физико-механических, физико-гигиенических и сорбционных свойств. Оценку материала проводили по стандартным (ГОСТ и ОСТ) и оригинальным методикам испытаний в лабораторных условиях. Содержание сорбентов на ткани определяли по специально разработанным методикам. Результаты измерений обрабатывали с применением методов математической статистики.

Научная новизна.

1. Впервые изучена возможность закрепления на ткани-носителе двухкомпонеитной сорбирующей системы, содержащей кремнезем и ферроцианид меди, и отработана технология получения химзащитного фильтрующего материала, обладающего полизащитными свойствами.

2. Определены оптимальные параметры технологии получения химзащитного фильтрующего материала: концентрации рабочих растворов, порядок нанесения их на ткани, соотношение компонентов рецептуры.

3. Показано, что материал, содержащий двухкомпонентную сорбирующую систему, обладает большим ресурсом защитных свойств, чем ткани, импрегнированные кремнеземом или ферроцианидом меди.

4. Методом хромато-масс-спектрометрии исследован процесс химического превращения сорбированного химзащитными тканями высокотоксичного горючего — несимметричного диметилгидразина.

5. Изучен механизм защитного действия сорбента ФЦМ от паров токсичного вещества. Показано, что он основан на процессах поверхностной адсорбции, образовании молекулярных продуктов присоединения (аддуктов), а в ряде случаев и на каталитическом влиянии на окислительно-восстановительные процессы.

Практическая значимость работы.

1. Разработан химзащитный фильтрующий материал на основе двухкомпонентной сорбирующей системы, содержащей кремнезем и ферроцианид меди. Полученный материал обеспечивает защиту от целого ряда высокотоксичных химических веществ, обладает низкой электризуемостыо, устойчив к многократным стиркам и нейтрализациям, имеет достаточную прочность, эластичность, драпируемость и разрешен для использования при изготовлении ФЗО.

2. Разработана технология получения химзащитного фильтрующего материала на промышленном отделочном оборудовании с использованием отечественного сырья.

3. Разработана нормативно-техническая документация на химзащитный материал, получено санитарно-эпидемиологическое заключение на ткань.

4. Разработана конструкция комплекта фильтрующей защитной одежды ФЗО-МП-2, получен сертификат соответствия на комплект.

5. Экономический эффект от внедрения составляет 3 млн. рублей.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментальных исследований влияния основного импрегнирующего состава и порядка нанесения компонентов рецептуры на процесс закрепления на тканях ферроцианида меди и на свойства полученных химзащитных материалов.

2. Результаты экспериментальных исследований влияния условий нанесения на ткань двухкомпонентной сорбирующей системы на свойства химзащитного фильтрующего материала.

3. Результаты экспериментальных исследований сорбционных свойств химзащитных фильтрующих материалов.

4. Результаты сравнительной оценки защитных свойств импрегнированных тканей при воздействии паров высокотоксичных химических соединений.

5. Результаты экспериментальных исследований физико-механических и физико-гигиенических свойств импрегнированных тканей.

6. Результаты исследований хромато-масс-спектрометрическим методом процессов трансформации несимметричного диметилгидразина на импрегнированных тканях.

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах состоит в следующем: в выборе неуглеродных сорбентов и ткани-основы для их нанесения, обосновании методов проведения исследований, непосредственном участии в проведении экспериментов, в анализе и обобщении полученных результатов, в разработке нормативно-технической документации на химзащитный материал и комплект фильтрующей защитной одежды. Апробация в промышленных условиях, реализация при выпуске партий химзащитных тканей и ФЗО на их основе на промышленном оборудовании.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Новые технологии в производстве кожи и меха» (Казань, май 2005 г.) — Всероссийской научно-технической конференции в МГТУ им. Косыгина (Москва, 2005 г.) — Седьмой Международной иаучно-методической конференции «Применение информационных технологий при сравнительном анализе защитной одежды» (Казань, 2006 г.) — Научно-практической конференции «Эргономические испытания как основа организационно-технологических решений» (Казань, 2006 г.) — Научной сессии Казанского государственного технологического университета (Казань, 2006, 2007, 2008 гг) — Российской научной конференции (Казань, 2006 г.) — Форуме «Омская школа дизайна» (Омск, 2006 г.) — Международной научно-методической конференции «Моделирование технологического процесса: связь науки и производства» (Омск, 2007 г.) — IV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых (Казань, май 2008 г.) — Всероссийском научном конгрессе (Тамбов, декабрь 2008 г.) — Российской научной конференции (Тамбов, октябрь 2009 г.).

Получен именной сертификат на комплект ФЗО-МП-2 за участие в конкурсе «Дизайн специальной и корпоративной одежды для Комплекса городского хозяйства г. Москвы», который проходил 16.02.2006 г. в г. Москве КВЦ «Сокольники».

Комплект ФЗО-МП-2 завоевал золотую медаль и диплом лауреата конкурса на лучшее инновационное решение в области безопасных условий труда «Здоровье и безопасность 2008» в номинации «Средства индивидуальной защиты».

Получены патенты: патент на полезную модель № 64 482 от 1 марта 2007 г. -Огнехимзащитный костюм (комплект ФЗО-МП-2) — патент на полезную модель № 86 848 от 27 февраля 2009 г. — Комплект комбинированной защитной одеждыпатент на полезную модель № 87 326 от 26 июня 2009 г. — Универсальная защитная одежда.

Структура и объем диссертации

.

Работа изложена на 159 страницах, содержит 32 таблицы и 44 рисунка, перечень литературы из 112 наименований и состоит из введения, 4 глав, выводов, литературы и 4 приложений.

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель исследования, отражены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приведен обзор современных защитных материалов и средств индивидуальной защиты на их основе. Дана оценка эффективности отечественных и зарубежных защитных материалов. Рассмотрены основные принципы создания материалов для средств индивидуальной защиты кожи фильтрующего типа. Сформулированы задачи диссертации.

Во второй главе представлен объект исследования, описаны методы исследования свойств материалов, полученных на основе неорганических неуглеродных сорбентов. Приведена характеристика препаратов, используемых для получения сорбента на ткани-основе, а также блок схема получения химзащитного материала в лабораторных условиях и на опытно-промышленном оборудовании.

В третьей главе представлены результаты разработки химзащитного материала, предназначенного для изготовления промышленной фильтрующей защитной одежды: обоснован выбор ткани-основы для нанесения сорбентовисследовано влияние состава компонентов и порядка нанесения их на ткань на свойства полученной химзащитной тканиисследована возможность получения на ткани двухкомпонентной сорбирующей системы, содержащей кремнезем и ферроцианид меди (шифр ТЛ-3). Приведены результаты оценки защитных свойств импрегнированных тканей, устойчивости их к стирке и нейтрализации. Исследована кинетика сорбции паров бензола, несимметричного диметилгидразина, тетраоксида азота химзащитными тканями. Приведены результаты спектроскопических и хромато-масс-спектрометрических исследований импрегнированных тканей и продуктов присоединения ФЦМ с различными веществами.

В четвертой главе приведена технологическая схема получения химзащитного материала, его санитарно-токсикологическая оценка, конструкция фильтрующей защитной одежды многократного применения для промышленного персонала, приведены результаты камерных испытаний ФЗО.

выводы.

1. Разработан новый химзащитный материал на основе неуглеродных сорбентов — кремнезема и ферроцианида меди.

2. Исследованы сорбционные и защитные свойства химзащитных материалов, содержащих неуглеродные сорбенты — ферроцианид меди и кремнезем.

3. Показано, что использование кремнезема в качестве пористого носителя повышает сорбционную активность ферроцианида меди, увеличивает ресурс защитных свойств импрегнированной ткани.

4. Впервые установлено, что наиболее эффективно обеспечивается защита от токсичных химических соединений, имеющих неподеленную пару электронов при атомах азота, серы.

5. Показано, что защитные свойства химзащитного материала обусловлены комплексом физико-химических процессов, протекающих на его поверхности — физической адсорбцией двухкомпонентной сорбирующей системы, химическим взаимодействием хемосорбента ферроцианида меди с токсичными химическими веществами.

6. Установлено, что ткани, импрегнированные комплексным сорбентом — кремнеземом и ферроцианидом меди, не обладают кожно-раздражающим и кожно-резорбтивным действием, не вызывают развития повышенной чувствительности кожи к повторным воздействиям и рекомендованы для изготовления комплектов фильтрующей защитной одежды.

7. На базе нового химзащитного материала разработана конструкция фильтрующей защитной одежды ФЗО-МП-2, НТД на ее изготовление (ТУ 8572−191−209 600−2006).

8. Показано в результате камерных физиолого-гигиенических испытаний, что работа в ФЗО не ухудшает тепловое состояние организма человека, благодаря высоким физико-гигиеническим показателям импрегнированного выбранными неуглеродными сорбентами материала.