способ извлечения воздуха из воды

Формула изобретения

1. Способ извлечения воздуха из воды путем газообмена между водой и газовой средой полой камеры, ограниченной пленкой-мембраной, отличающийся тем, что в качестве пленки-мембраны применяют пористый материал со сквозными порами диаметром до 100 мкм, причем газообмен осуществляют при давлении воздуха в полой камере, превышающем суммарное давление атмосферы и гидростатического столба погружения камеры.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление воздуха в камере ниже давления, необходимого для преодоления сил поверхностного натяжения воды на границе раздела газовой и жидкой фаз в порах пленки-мембраны.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что давление воздуха в камере поддерживают путем принудительной подачи газа.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве газа используют воздух, или кислород, или азот, или гелий, или их смеси.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что в качестве пленки-мембраны применяют тканые или нетканые полимерные, хлопчатобумажные, шерстяные, шелковые, синтетические материалы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области проведения подводных работ и может быть использовано при создании аппаратов для автономного подводного плавания с практически неограниченным временем пребывания под водой, а также для жизнеобеспечения людей под водой и их деятельности.

В настоящее время для этих целей используют акваланги или замкнутые, герметичные устройства типа подводных лодок.

В первом случае для дыхания под водой используют баллоны со сжатым или сжиженным газом, в состав которого входит кислород, а во втором случае, как правило, используют регенерационные химические элементы для сорбции углекислого газа и восстановления кислорода (патент РФ 2138421, B 63 С, 11/00, 11/36, опубл. 1999 г.).

Недостатками известных решений являются сложность и дороговизна, а время пребывания под водой ограничивается запасом газа в баллоне или объемом регенерационных элементов.

Наиболее близким к предлагаемому способу по своей сущности является способ, основанный на извлечении кислорода из воды и выводе углекислого газа через полую камеру, выполненную из селективных пленочных пластмассовых мембран, который нами принят за прототип ("Наука и жизнь", 1965 г., 3, с.139; "Наука и жизнь", 1967 г., 2, с. 86). Однако существенным недостатком способа является то, что скорость газообмена между воздухом и водой, зависящая от величины скорости диффузии кислорода и углекислого газа через мембрану, при небольшой движущей силе (определяемой разницей парциальных давлений кислорода внутри камеры и снаружи над водой) является весьма низкой, вследствие чего для обеспечения человека кислородом требуется мембрана площадью 6 м², что весьма дорого, требует сложной конструкции камеры и применения дефицитных пластмассовых материалов.

Задачей предлагаемого изобретения является существенное увеличение скорости газообмена между воздухом камеры и водой и снижение количества используемой пленки-мембраны.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе извлечения воздуха из воды путем газообмена между водой и газовой средой полой камеры, пленкой-мембраной, при этом в качестве пленки-мембраны применяют пористый материал со сквозными порами диаметром до 100 мкм, причем газообмен осуществляется при давлении воздуха в полой камере, превышающем суммарное давление атмосферы и гидростатического столба погружения камеры. Кроме того, давление воздуха в камере ниже давления, необходимого для преодоления сил поверхностного натяжения воды на границе раздела газовой и жидкой фаз в порах пленки мембраны.

Кроме того, давление воздуха в камере поддерживают путем принудительной подачи газа. В качестве газа используют воздух или кислород, или азот, или гелий, или их смеси.

В качестве пленки-мембраны применяют тканые или нетканые полимерные, хлопчатобумажные, шерстяные, синтетические материалы.

В настоящем изобретении используются силы поверхностного натяжения на границе раздела фаз (в данном случае воздух-вода); силы поверхностного натяжение воды позволяют поддерживать избыточное давление воздуха. Граница раздела фаз при этом находится в порах используемой мембраны. Таким образом, в порах мембраны устанавливается непосредственный контакт между газовой средой и водой и газообмен осуществляется непосредственно, минуя диффузию через вещество мембраны, что значительно увеличивает его скорость, а это, в свою очередь, позволяет снизить площадь мембраны.

Достаточно всего 10-50 мм водяного столба избыточного давления, чтобы исключить попадание воды внутрь камеры, хотя газообмен в целом и газообмен по отдельным газовым компонентам проходит и при значительно больших значениях избыточного давления. Интенсивность газообмена зависит от разницы парциальных давлений газовых компонентов внутри камеры и над соприкасающейся с мембраной водой.

Выбор материала и размера пор мембран для создания полой камеры проводился на специальном стенде-камере. Сверху камеры устанавливался образец пористой мембраны диаметром 50 мм и укреплялся сверху нижней полой герметичной части стенда. Нижняя часть стенда снабжена манометром для замера давления воздуха. Кроме того, к нижней части стенда подведена подача воздуха. При установлении сухой пористой мембраны воздух практически беспрепятственно проходит через поры мембраны. При погружении стенда в воду ее сопротивление многократно увеличивается, так как на границе раздела фаз воздух-вода в порах мембраны силы поверхностного натяжения воды препятствует свободному прохождению воздуха. Сопротивление полой мембраны обратно пропорционально диаметру отверстий пор и изменяется от 5 мм водяного столба при диаметре пор 100 мкм до нескольких атмосфер избыточного давления при диаметре пор менее 0,01 мкм. При дальнейшем погружении стенда под воду сопротивление мембраны дополнительно возрастает на величину гидростатического давления столба воды и зависит от глубины погружения.

Проверка газообмена между водой и полой камерой осуществлялась на специально созданных аппаратах. Результаты испытаний приведены в нижеследующих примерах, которые иллюстрируют, но не ограничивают возможность использования предлагаемого изобретения.

Пример 1.

Испытатель через загубник с патрубком, соединенным с полой камерой объемом около 100 л, образованной путем обтяжки смоченной водой хлопчатобумажной тканью двух колец диаметром по 800 мм с размером сквозных пор до 100 мкм при расстоянии между кольцами 200 мм, опускался под воду на глубину от 0,3 до 1,5 м. Давление внутри камеры было на 30-50 мм водяного столба больше суммарного давления атмосферы и гидростатического столба, которое изменялось от 1,03 до 1,15 ата. При опускании камеры в воду к ней подвешивался груз для преодоления выталкивающей силы воды. При этом дыхание осуществлялось только воздухом, находящимся внутри камеры. Выдох осуществлялся также внутрь камеры. Время, проведенное испытателем под водой, составляло 50 мин. Вдох и выдох через камеру осуществлялся без заметных усилий.

В отсутствие газообмена между воздухом камеры и водой испытатель мог бы дышать данным объемом воздуха не более 10 мин, после чего из-за исчерпывания кислорода и накопления СО₂ дыхание оказалось бы невозможным. Следовательно, газообмен между воздухом камеры и водой осуществлялся нормально.

Пример 2.

Способ осуществляют аналогично примеру 1, но в качестве пористых мембран применяют "ядерные" фильтры на основе полиэтилентерефталата с диаметром пор 0,01 мкм. Испытатель провел под водой 40 мин.

Пример 3.

Способ осуществляют аналогично примеру 1, но в качестве пористых мембран применяют комбинированную ткань на основе шерстяных и синтетических волокон. Диаметр пор материала находится в пределах от 15 до 80 мкм. Испытатель провел под водой 2,0 ч, опускаясь на глубину до 2,6 м. Давление внутри камеры было на 90 мм водяного столба больше суммарного давления атмосферы и гидростатического столба, составлявшего 1,26 ата.

Пример 4.

Способ осуществляют аналогично примеру 1, но погружение проводят на глубину 7,0 м при давлении внутри камеры на 70 мм водяного столба выше значения 1,7 ата. При этом за счет гидростатического давления камера сжималась и объем ее уменьшался приблизительно до 58 л. Для восстановления объема камеры из баллона со сжатым воздухом через специальное устройство была проведена подпитка воздуха до восстановления объема камеры 100 л. Дыхание не вызывало затруднений у испытателя. Опыт продолжался 30 мин.

Пример 5.

Способ осуществляют аналогично примеру 4, но подпитку для восстановления объема проводят смесью гелий - кислород с 20 об.% кислорода. В течение 45 мин испытатель дышал этой смесью без заметных затруднений при вдохе и выдохе. При этом часть подаваемого газа выходила из камеры через наиболее крупные поры мембраны. Давление внутри камеры было на 220 мм водяного столба выше значения 1,7 ата.

Пример 6.

Из материала на основе вискозы и стеклоткани с диаметром пор менее 70 мкм был изготовлен купол объемом 50 л. Купол помещают под воду и заполняют его объем азотом. После 5 ч нахождения купола под водой отбирают пробу газа на содержания кислорода. Анализ показал присутствие кислорода под куполом в количестве 18,7 об.%, что свидетельствует о диффузии кислорода из воды.

Как видно из представленных примеров, предложенный способ позволяет работать под водой в течение длительного времени (до двух и более часов) на различных глубинах, при этом за счет извлечения воздуха (кислорода) из воды концентрация кислорода поддерживается постоянной даже при значительно меньшей (около 1,5 м²) поверхности мембраны.