集体防护滤毒技术研究进展

王永胜　马骏　王丽芳　张婉飞

【摘 要】阐述了国内外集体防护滤毒技术的手段及研究现状，指出了新时期我军集体防护面临的严峻挑战，介绍了活性炭吸附技术、光催化技术、低温等离子体技术的原理、现状、特点及局限性，重点介绍了可再生滤毒技术，最后提供了集体防护滤毒技术的发展思路。

【关键词】集体防护；滤毒技术；可再生滤毒

0 引言

集体防护是利用防护工程、战斗车辆、舰船等防护核生化武器杀伤作用的区别于个体防护的一种手段。早期有德国的DSK永久性防护系统及美国的CPS集体防护系统，上世纪80年代美国海军在舰艇上配置集体防护系统[1]。20世纪50年代，我国当时提出了指挥防护工程防化设施的战术技术要求，开始仿制各种制式集体防护装备。随后主战坦克和步兵战车陆续装备了滤毒通风装置。

1 集体防护面临的挑战

核生化过滤是集体防护的核心技术，战时利用其对放射性尘埃、生物气溶胶颗粒、毒剂气溶胶、有毒烟雾及可吸入颗粒物的过滤及吸附的能力，为舱室提供清洁空气，保证人员的生命安全。 “化武公约”签订后，集体防护的防护目标由原来的5类11种毒剂，扩展到覆盖军用毒剂、工业有毒材料、工业有毒化合物等范围[2]。对于集体滤毒技术而言，提升防护种类、提高防护性能、减负后勤保障，是各国集防发展的目标，新时期滤毒技术面临巨大挑战。

2 滤毒技术的研究

2.1 活性炭吸附技术

利用活性炭或者在活性炭上浸渍催化剂的炭吸附材料制成过滤器。其滤毒性能较好，在规定时间内能有效滤毒。

美国的CPS核生化过滤系统设有粗滤器、高效滤器以及活性炭滤器三级滤器。法国的SPD公司生产的滤毒通风装置广泛应用于英、法等主要欧洲国家，其某型军贸舰配备1500m3/h和300m3/h风量的两套滤毒通风装置，主要滤材为活性炭[3]。

2.2 光催化技术

将催化剂暴露在一定波长光下照射后可与毒剂发生光催化降解反应[4]。特别是TiO2光催化剂，被应用于洗消降解多类包含化学毒剂在内的有机污染物。

Hirakawa等采用红外光谱法，研究了TiO2对GB （沙林）的光催化降解反应，GB分解迅速，最终产物为磷酸、水和二氧化碳[5]。沈忠等制备了一系列浓度的锆掺杂纳米TiO2，发现掺杂后催化剂对DMMP（VX模拟剂）和2-CEES（芥子气模拟剂）的降解速率加快，且催化反应过程中未产生有毒中间产物[6]。

2.3 低温等离子体技术

低温等离子体由大量电子、离子、光子、自由基、中性原子、激发态原子等组成，主要依靠高能电子与活性粒子对污染物降解。可与放射性物质、毒剂及细菌迅速发生作用，洗消低浓度有毒害化合物。

赵红杰等采用反应气耦合等离子体对DFP（沙林模拟剂）进行降解研究，发现对高浓度DFP（>80mg/m3），等离子体单独作用最高降解率为89%，在添加臭氧耦合后降解率在95%以上，降解更彻底[7]。

2.4 小结

活性炭吸附技术近几十年的研究重点是提升氯化氰的防护性能。分别研制了提升其防护性能的浸渍炭；用以改善浸渍炭陈化性能的TEDA炭及无铬炭等。传统的活性炭吸附技术，吸附一段时间后吸附量会达到饱和，需再次更换，因此防护时间有限；光催化技术主要将TiO2光催化剂负载在活性炭等材料上以提高催化剂的稳定性及活性，对不同毒剂负载催化剂及反应条件亦不同，难以做到广谱防护；低温等离子体技术总体上还处于探索性研究阶段，对放电电源要求很高，对于适应复杂多变的战场还需进一步探索。

3 可再生滤毒技术

目前具有很好发展前景的滤毒技术是变温、变压吸附。变温吸附是利用吸附剂平衡吸附量随温度升高而降低的特性，采用常温吸附、升温脱附的方法。变压吸附是通过改变吸附塔压力，采用加压吸附，减压（抽真空）脱附的方法。其采用了纯物理吸脱附的原理，具有防护目标广、滤材可再生的特点，被欧美等国家认为是最具有希望的新一代集体防护滤毒技术。

该技术一般情况采用双塔用以实现吸附、脱附同时进行。低温高压吸附塔，使滤材具有更好的吸附性，高效吸附毒气，直至接近吸附塔出口。高温低压脱附塔，使滤材快速脱除之前吸附的毒气，待脱附完成后降温升压，用于下阶段吸附，如此循环。

英美国家采用一对过滤器轮流对有毒气体过滤，当一个滤器过滤时，另一个采用变温变压脱附沾染物。这种变温变压轮换系统被称为REGEN （可再生过滤）。Battelle Memorial Institute等机构对REGEN系统进行了实毒评价，毒剂模拟剂包括全氟异丁烯、CK（氯化氰）、DMMP等，REGEN系统已广泛配置于海军军舰 [8]。

英国ACT和PALL公司联合研制了基于变压吸附与空气循环温度控制的过滤技术。过滤单元采用填充吸附材料的两个滤垫，一个在冷却高压下吸附，另一个在加热解压下脱附，循环再生[9]。

我国赵秀国等人基于变压吸附技术设计研究了可再生滤毒通风装置[10]，示意图见图1。系统设置两条相同分路分别进行吸脱附，六个单向阀控制气流流向。空气压缩机将一定压力的空气通入粗滤器，气流经单向阀到达过滤吸收器1后分两路，一路送至清洁空气出口，另一路经中间管路后反吹过滤吸收器2中的毒剂，经尾气出口排除。

4 展望

对于集体防护滤毒技术，未来的主要发展方向：一是，继续沿着活性炭吸附技术方向深入研究，改进浸渍活性炭或者增加新滤毒层来满足防护要求；二是，开发新滤毒技术，包括光催化、等离子体等技术。其中可再生滤毒技术具有广谱防护、吸附性能好、脱附效率高、可再生循环吸脱附的特点，具有广阔的发展前景。

【参考文献】

[1]刘秀峰，喻俊峰，张益诚，等.集体防护区超压建立过程分析[J].船海工程，2017，46（03）：147-149.

[2]夏金富，王丽，韩素玲，等.从吸附中的质热传递探讨广谱滤毒技术[C].中国化学会，2013，8：272-279.

[3]朱鸿.浅析某型军贸舰船NBC滤毒通风装置[J].船舶，2013，24（03）：58-63.

[4]沈忠，钟近艺，郑禾.光催化技术在化学毒剂洗消领域的研究进展[J].环境科学与技术，2015（11）：14-20.

[5]Sato K，Hirakawa T，Komano A，et al.Titanium dioxide photocatalysis to decompose isopropyl methylphosphonofluoridate （GB） in gas phase[J].Applied Catalysis B Environmental，2011，106（3-4）：316-322.

[6]沈忠，鐘近艺，王泠沄，等.锆掺杂TiO2光催化降解2-CEES和DMMP的原位红外与固体核磁研究[J].分子催化， 2016，30（3）：260-268.

[7]赵红杰，胡真，李战国.反应气耦合等离子体降解沙林模拟剂[J].环境工程学报，2014，8（8）：3537-3540.

[8]周平，张忠良，康健，等.海军舰艇核生化集体防护发展概况[J].舰船科学技术，2016，38（13）：1-5.

[9]杜红霞，王俊新.基于可再生吸附的核生化过滤技术[J].船海工程，2016，45（02）：4-7.

[10]赵秀国，徐新喜，张文昌，等.可再生滤毒通风装置研究与设计[J].军事医学，2013，37（8）：571-573.endprint