1. 引言
载人水下航行器不同于无人水下航行器，它需要承载工作人员，密闭舱室内空气环境又不同于自然界的大气环境，它是人为环境，为了使工作人员在密闭舱室内生存并有效地进行作业，需要人为地创造一个合适的生存条件，为防止人员二氧化碳中毒，必须不断清除将其控制在一定浓度以下。
载人水下航行器内的二氧化碳主要是由人的呼吸产生的，二氧化碳的呼出率变化范围很宽，它取决于人员的活动程度。根据文献[1]，每人每小时平均产生的二氧化碳约为25 L。密闭空间内，随着二氧化碳浓度的升高和暴露时限的延长，人员机体的各项生理生化指标变化逐渐明显，心理测试指标也会相应发生改变。二氧化碳的浓度过大就会扰乱人体正常的新陈代谢，当浓度高于1%时，人就会产生头昏、乏力，思维迟钝的感觉，浓度达到3%以上时，就会导致生命危险[2]。为解决上述问题，设计人员根据各种二氧化碳清除技术的优缺点，结合使用环境、空间大小、使用舒适性等因素，使用氢氧化锂作为该载人水下航行器载人舱内二氧化碳清除的技术手段[3]。
目前，国际海事组织(IMO)、美国船级社(ABS)、英国船级社(LR)对载人水下航行器二氧化碳浓度要求均为低于0.50% [4]-[6]。与载人水下航行器密闭环境类似的潜艇，美国海军潜艇医学研究实验室对潜艇的二氧化碳卫生标准的规定为90天以内定为0.50%，而根据2003年报道，美国9艘SSBN和10艘SSN的相关数据表明，SSBN的舱室二氧化碳平均浓度分别为0.35%，SSN的舱室二氧化碳平均浓度为0.41% [7]。徐佳骏等[8]对潜水员使用的循环式呼吸器中二氧化碳中毒等风险和循环式呼吸器相关研究进行总结，为循环式呼吸器潜水风险的预防提供了有益借鉴。顾靖华等[9]指出，研制体积小、吸收效率高的二氧化碳吸收装置是今后循环式呼吸器发展的一个重点。通过开展二氧化碳吸收剂的成分、颗粒形状和颗粒大小等方面的研究，研制高效的二氧化碳吸收剂；另一方面，研究二氧化碳吸收剂罐形状、材料、内部结构等对吸收反应的影响，从而优化二氧化碳吸收剂罐，提高吸收能力，延长使用时间。Zilberman [10]分析和研究了各种二氧化碳吸收剂的原理特性和反应机理，认为氢氧化锂是一种可靠和高效的吸收剂，能够作为主要的二氧化碳吸收剂原料。
从国际相关领域的发展趋势来看，二氧化碳的规定浓度会越来越低，为工作人员提供更安全、更舒适的大气环境。图1为氢氧化锂二氧化碳吸收装置示意图。
Figure 1. Schematic diagram of a lithium hydroxide carbon dioxide absorption device
图1. 氢氧化锂二氧化碳吸收装置示意图
LiOH是一种强碱，原料一般呈粉末状，而且由于LiOH密度较轻，约为1.45 g/cm3，粉末很容易散发到空气中，粉末散发会造成人员接触后皮肤腐蚀，刺激性粉尘随空气进入人体呼吸道，会严重刺激人体的呼吸器官，对工作人员造成不适和伤害，不利于密闭环境直接使用，所以在使用时需制备成有发达孔隙的颗粒，以便更好地与二氧化碳反应，目前市场上常见的有药片状LiOH颗粒、不规则片状LiOH颗粒、柱状LiOH颗粒、板块状LiOH吸收剂以及球形LiOH颗粒。如下图2~4所示。
Figure 2. Samples of tablet-shaped and irregular-shaped LiOH particles
图2. 药片状和不规则片状LiOH颗粒样品图
Figure 3. Cylindrical LiOH particles and plate-shaped LiOH absorbent samples
图3. 圆柱状LiOH颗粒和板块状LiOH吸收剂样品图
Figure 4. Spherical LiOH particle sample
图4. 球形LiOH颗粒样品图
2. LiOH吸收吸收性能分析
吸收滤芯主要包括滤芯框架、吸收剂和其它辅助措施。滤芯吸收性能与吸收剂颗粒的比表面积、孔隙率、强度，装填量以及装填后空隙率、厚度、阻力等因素相关，通常情况下，利用相等吸收剂装填量的氢氧化锂滤芯将密闭空间二氧化碳浓度控制在某数值p%以下，二氧化碳浓度随时间变化曲线存在以下三种情况：
1) 吸收剂颗粒的强度很高，比表面积、孔隙率较小，造成二氧化碳吸收速度慢，而且空气不能完全穿透颗粒，吸收效率低，二氧化碳浓度下降到一定程度就开始上升，很快就达到限值，氢氧化锂没有使用(反应)完全，会造成一定的浪费，如图5中曲线1所示。
2) 吸收剂颗粒强度适中，比表面积、孔隙率一般，二氧化碳吸收速度较快，空气能穿透绝大部分颗粒，吸收效率较高，二氧化碳浓度在初阶段能下降到较低水平，但随后平稳上升，虽然满足在p%以下，但二氧化碳浓度控制的全程平均值较高，如图5中曲线2所示。
3) 吸收剂颗粒强度合理，比表面积、孔隙率较大，因此二氧化碳吸收速度很快，空气能完全穿透颗粒，吸收效率高，二氧化碳浓度迅速下降到较低值，且能在较低值保持比较持久，氢氧化锂材料基本完全被利用，如图5中曲线3所示趋势。曲线3表明二氧化碳浓度随时间变化的稳定时间最长，效率较高。
Figure 5. CO2 concentration change curve under the action of different physical properties of filter elements
图5. 不同物性滤芯作用下二氧化碳浓度变化曲线
3. 新型吸收滤芯性能试验研究
吸收剂颗粒作为吸收功能材料，其吸收性能与颗粒形状、粒径、孔径、有效孔隙率、比表面积以及颗粒强度、表面粗糙度等相关。新型滤芯使用的是一种球形LiOH颗粒，颗粒均匀，强度适中，具有较好的透气性和较大的比表面积。
LiOH颗粒填充进滤芯框后，滤芯的吸收性能受吸收剂颗粒性能、颗粒装填总量、装填松紧程度、颗粒之间空隙等因素影响。颗粒填充进滤芯框，颗粒形状、粒度分布、装填松紧程度以及颗粒尺寸与容器尺寸比等因素的不同，吸收剂床层空隙率也会随之改变。容器直径与球体直径之比对整个填充空隙率有极大的影响，当比值大于50时，这种影响才能够得以基本消除[11]。
3.1. 试验环境
通过环境试验舱模拟了某型载人水下航行器在实际工作环境下的状态，包括舱容大小、人数、温湿度等。
3.2. 材料与方法
1) 试验设备、仪器
试验设备为升级后的氢氧化锂吸收装置，配套的新型LiOH滤芯，LiOH颗粒充填量为2500 g。吸收装置风机性能曲线如图6所示，风机工作点在理想区间。
Figure 6. Fan performance curve
图6. 风机性能曲线
试验所用仪器设备名称及精度要求见下表1。
Table 1. Instrument and equipment name and accuracy requirements
表1. 仪器设备名称及精度要求
序号 |
仪器设备名称 |
单位 |
数量 |
精度要求 |
备注 |
1 |
环境模拟试验舱 |
个 |
1 |
定制密封 |
4.1 m3 |
2 |
CO2检测仪 |
台 |
2 |
≤±2.0% |
量程：0%~20% VOL |
3 |
CO2质量流量控制器 |
台 |
1 |
≤±1.0% F.S |
0~5 SLM |
4 |
电子秤 |
台 |
1 |
1 g |
0~20 kg |
5 |
空气净化器 |
台 |
1 |
/ |
/ |
6 |
游标卡尺 |
个 |
1 |
量程：0~200 mm； 精度：0.1 mm |
/ |
7 |
卷尺 |
个 |
1 |
量程：0~3000 mm； 精度：1 mm |
/ |
8 |
CO2气瓶 |
瓶 |
4 |
纯度99.9%以上 |
/ |
9 |
万用表DE78AS |
个 |
1 |
电流精度：±3% 电压精度：±1.5% |
/ |
10 |
温湿度变送器 |
台 |
1 |
湿度：±3% RH 温度：±0.3℃ |
/ |
3.3. 试验流程
1) 记录舱室内二氧化碳本底浓度，启动二氧化碳吸收装置，同时将气体质量流量计清零，同期二氧化碳通入速率设定为75 L/h，试验开始。试验期间，试验开始后的30 min每隔10 min记录环境模拟试验舱内的二氧化碳浓度、温度、相对湿度。
2) 当环境模拟试验舱内二氧化碳的浓度达到0.50%时，关闭二氧化碳吸收装置和二氧化碳气体钢瓶，试验结束，此时二氧化碳的通入量Q1；其中，密闭舱室二氧化碳浓度从本底浓度升到0.50%，需要的二氧化碳量Q2。打开环境模拟试验舱，取出LiOH滤芯。图7为环境模拟试验舱。
Figure 7. Environmental simulation test chamber (volume: 4.1 m3)
图7. 环境模拟试验舱(体积：4.1 m3)
3.4. 试验结果及分析
模拟舱内二氧化碳本地浓度为0.04%，根据流量计数据显示，密闭舱室二氧化碳浓度升到0.50%，需要的二氧化碳量Q2为6.56 L；至试验结束，二氧化碳的通入量Q1为949.00 L，则二氧化碳总吸收量为942.4 L。试验从2025年3月6日上午8:35分到晚上21:09 (武汉天气最高气温15℃，最低气温5℃)，总时长12时34分钟(共754分钟)。
LiOH吸收剂充填的重量为2500 g。
则吸收剂的实际吸收率为：942.4 L × 1.997 g/L ÷ 2500 g = 0.753 g/g。
二氧化碳浓度的数据曲线如下图8所示：
Figure 8. Carbon dioxide concentration curve in the environmental simulation chamber
图8. 环境模拟舱内二氧化碳浓度曲线
舱室内温湿度曲线如下图9所示：
Figure 9. Temperature curve in the environmental simulation cabin
图9. 环境模拟舱内温度曲线
Figure 10. Humidity curve in the environmental simulation cabin
图10. 环境模拟舱内湿度曲线
LiOH吸收CO2是一个放热反应，并且反应会生成水。从图8可看出，2500 g球形颗粒吸收剂可在754分钟内将舱室内二氧化碳浓度控制在0.50%以下；从图9可看出，舱室内温度有一个明显上升过程，但随着LiOH吸收剂逐渐消耗，舱室内的热量被舱壁传递到环境中，温度逐渐下降；从图10可看出，舱室内湿度逐渐上升。
根据试验过程和试验数据，随着温度的升高，LiOH∙H2O水合结晶开始脱水，脱出的结晶水和反应生成水因蒸发而脱离固体反应物，温度越高，水合结晶脱水速率越高，反应速率也越快，水蒸气越快蒸发到舱室中。
试验结果表明，在载人水下航行器密闭舱室内，人员额定工作条件下二氧化碳吸收有很好的吸收效果。
1) 新型滤芯可12小时内将CO2浓度控制在0.50%以下，能够充分满足载人水下航行器大气环境的要求；
2) 新型滤芯具有清除速率快、控制浓度低、吸收量大等特点；
3) LiOH理论吸收率为0.917 g/g，目前市场上的产品吸收率大多数在0.50 g/g~0.70 g/g之间，GJB 10271-2021《潜艇用氢氧化锂二氧化碳吸收装置规范》中对LiOH吸收剂吸收率的要求为0.70 g/g，本次试验的产品吸收率0.753 g/g优于其要求；
4) 由于LiOH吸收剂在实际工作过程中，在温度、湿度、气流流动等因素作用下，物理化学反应过程异常复杂，包含水蒸气蒸发、扩散，LiOH溶解等物理过程，而且交织着化学反应，不同过程之间相互影响。本试验是在环境模拟舱室内进行，与实际的环境因素存在一定差异，因此本研究存在一定局限性，后期将进一步完善环境条件，从而更准确地检测实际工况条件下的新型滤芯的吸收性能。
4. 结论和展望
载人航行器的CO2浓度直接影响人员的健康和工作状态，其吸收装置和滤芯(含吸收剂)是以满足长自持力潜航人员工效和舒适性需求为目标。通过升级后的吸收装置配套使用，新型滤芯能快速将舱室内二氧化碳浓度降低到较低水平，说明滤芯与装置性能匹配度较好，清除速率快、控制浓度低、吸收量大，说明滤芯中的LiOH颗粒孔隙率高、比表面积大，吸收性能优异。在涉及到二氧化碳吸收的各种载人航行器、呼吸器、密闭工作空间等领域有广泛的应用前景和意义。