探究防毒面具为什么能防毒的奥秘

大家知道,防毒面具是用来保护佩戴者的面部和呼吸道免受有毒气体、蒸气或气溶胶伤害的个人防护装备。那么,小小的防毒面具里究竟装有什么神奇的东西?它又是怎样将有毒的物质吸收掉的呢?我们不妨来探究——
简单地说,防毒面具的防毒过程实际上是一个气体分离的过程。当染毒的空气通过面具的滤毒罐时,滤毒罐将有毒的微粒和气体分子等通通地吸收或阻挡住,而只让干净的空气通过,供给人员呼吸,从而保障人员的生命安全。
为了让滤毒罐能正常地工作,面具设计师设计了面具。我们先来了解一下面具的种类、结构和防护原理。
防毒面具种类
防毒面具根据固定系统的不同分为头盔式、头带式和网状头罩式3种(图1);根据眼窗的数量和大小也可分为双目式、单目式和全睑式3种。头盔式面具的主体与头顶部分连在一起,具有佩戴方便、佩戴后稳定性和气密性好等特点。但缺点是对头和面部的压痛较大,影响听力,且对人员面型的尺寸差异范围适应性差,满足全体人员面型所需要的面具规格较多。头带式面具是用头带或头罩将面具固定在人员的面部,优点是对人员头型和尺寸的适应性强,面具规格少,不影响听力。缺点是佩戴相对较复杂,增加了对密合框的压力。网状头罩式则综合了上述两种固定系统的优点。
防毒面具结构
面具是防毒面具的重要组成部分,一般由罩体、阻水罩、眼窗、通话器、呼(吸)气活门及头带组成,有的还根据需要设置有饮水装置、复苏装置、防激光镜片或眼睛矫正镜片等。在双目式和单目式面具结构中,罩体通常用耐毒剂液滴渗透且对人员皮肤无毒、无过敏反应的高弹橡胶制成。而在全脸式面具中,罩体专司与人脸面部、眼窗和固定系统连接的职能,结构得以大大简化。

在面具的内侧周边有密合框,是面具与佩戴者面部贴合的部分或部件,由橡胶材料制成。在双目式和单目式面具结构中,密合框与罩体为一个整体部件;在全睑式面具结构中,密合框是一个独立的部件。密合框的功能是将面具内部空间与外部空间隔绝。根据密合框的结构,可分为单片型密合框、反折边型密合框(又称T型密合框)、双反折边型密合框(又称双T型密合框)、气垫管型密合框、海绵塑料垫密合框、波纹状密合框6种。设计合理、性能优良的密合框能适应人头面型的变化,使绝大多数人员佩戴面具后既可靠又舒适。
对同一种型号和同一种规格的面具而言,密合框的结构和尺寸是固定不变的。决定面具的佩戴气密性主要是密合圈(指密合框与人的脸面接触并形成密封的部位)位置和形状。所谓密合圈的位置是指佩戴面具后与密合框贴合而起密封作用的人脸面部部位。面具密合圈的形状取决于面具的结构,即使同一型号的面具也会因使用者头型的差别而有所变动。
面具的防护效果取决于面具密合框与人员头部之间的密合部位以及与各个接口之间的气密性,如眼窗、通话器、滤毒罐等。

防毒面具防护原理
当人员佩戴防毒面具后,呼吸气路循环过程是:吸气时,染毒气体通过滤毒罐,有害物质被吸除,成为洁净空气并通过吸气活门进入面具内,气流经口鼻罩或阻水罩引导进入人员呼吸道内;呼气时,人体呼出的气体经面具呼气活门排人大气中。
滤毒罐
对防毒面具有了基本了解后,让我们再来看看滤毒罐的结构和原理。
滤毒罐-结构
滤毒罐通常由包括吸附剂层和过滤层的密封容器组成。其中吸附剂层是过滤有毒气体的,过滤层的作用则是过滤有害气溶胶。
滤毒罐根据装填方式的不同,分为轴流式(层装式)(图3)和径流式(套装式)(图4)两种。轴流式滤毒罐内吸附剂层是床层方式装填的,截面不变,气体沿滤毒罐轴向流动。径流式滤毒罐内吸附剂层是套装的,截面是变化的,气体沿滤毒罐径向流动。
根据滤毒罐与面具的连接方式的不同,可分为直接式和导气管式两类。直接式滤毒罐直接与面具相连,一般放置在面具的嘴部正下方或左颊处,也有一些滤毒罐放置在面具的右颊处,以便于左撇子佩戴者使用。还有一些面具左右颊均设有滤毒罐接口,可根据使用者的需要将滤毒罐放置在任意一侧,未利用的接口可安装一副通话器3也可在左右两侧均装上滤毒罐而形成双罐型面具。直接式滤毒罐一般为轴流式结构。导气管式滤毒罐通过一状橡胶导气管与面具相连,一般为径流式结构,其体积、质量比轴流式的大,防毒时间比轴流式的长,防毒性能也较轴流式的好。
滤毒罐-防毒原理
因为对蒸气状毒剂的吸附和对有害气溶胶的过滤是两种不同的过程,下面分别介绍其防毒原理。
(1)吸附剂层的防毒原理
有毒蒸气主要通过呼吸器官、眼睛和皮肤伤害人员。不论何种有毒物质,也不论采用何种方法,有毒蒸气总是存在的。因此,对于有毒蒸气的防护是基本的,防毒面具都必须具有吸附有毒蒸气用的吸附剂层。
防毒面具吸附剂层中,用的是载有催化剂或化学吸附剂的活性炭。这种活性炭通常称为浸渍活性炭或浸渍炭,或称为防毒炭或催化炭。
活性炭是一种经过活化处理的无定形炭,是多孔吸附剂。其主要成分是碳,约占其含量的80%—98%,是一种石墨螺层形微晶结构。在各结晶之间充满着许多形状不定和大小不一的空隙,这就造成了活性炭的多孔性。
单位质量的活性炭的孔隙所具有的面积,称为比表面积。孔隙越多,其比表面积也就越大。目前防毒用的活性炭比表面积一般在800—900m2左右。
活性炭的孔隙按大小通常分为微孔、过渡孔、大孔3类,有时过渡孔亦称为中孔。微孔是最小的一类孔隙,由于这类孔隙小而数量多,所形成的比表面积就大,约占活性炭比表面积总数的90%以上。活性炭对毒剂蒸气的吸附,主要靠微孔的作用。因此,微孔又可称为吸附孔,它的多少和分布在相当大的程度上决定某种特定活性炭的吸附能力。过渡孔的比表面积不超过活性炭比表面积总数的5%。一般来说,普通活性炭的结构是三分散的,即含有微孔、过渡孔和大孔。在吸附过程中,这3种孔隙是互相连通的,各有特殊功能,微孔在内,过渡孔和大孔在吸附过程中起通道作用。
在活性炭的过渡孔和大孔表面上,载有铜、银、铬或钼、锌等金属氧化物,这就是浸渍活性炭。这些金属氧化物的加人数量,对防毒性能影响较大。除添加这些金属氧化物外,为进一步提高防毒性能和稳定性,有的浸渍炭上还加有少量的火碱(氢氧化钠)、氮苯、葡萄糖、三乙撑二胺之类的化学药剂。
(2)滤烟层的防毒原理
滤烟层是专门用来过滤有害气溶胶的。战场上使用的毒烟(固体微粒)、毒雾(液体微粒)、放射性灰尘和由细菌或病毒造成的含细菌、病毒的配剂微粒等,在军事上均称为有害气溶胶。
目前常用的玻璃纤维滤烟层是由许多层纵横交错的纤维网格组成的,气溶胶微粒通过时,接触到纤维上而被阻留。
滤烟层有两种:完全的与非完全的。完全的滤烟层中的过滤材料将大于孔隙的粒子挡在外面。然而,大部分面具的滤烟层是非完全滤烟层,即过滤材料孔隙大于粒子直径,在这种情况下,就得通过采用截留、沉降、惯性、扩散和静电效应的组合来去除粒子。
截留效应:当空气流通过纤维时,气流中的粒子和纤维表面碰撞而被捕获。粒子尺寸增大,截留捕获的可能性也增大。
沉降效应:只有较大的粒子(大于2um)可以通过沉降捕获。由于这种捕获取决于重力对气流中粒子的吸引力,因此通过滤烟层的流速必须很低。
惯性效应:当气流分散并突然改变方向时,具有足够惯性的粒子不能充分地改变方向以避开纤维,这样,这些粒子就碰撞到纤维表面上而被捕获。尺寸、密度、速度和形状决定了粒子的惯性。
扩散效应:较小的粒子在空气流中做无规则的运动,当粒子尺寸减小、空气温度升高时,粒子的扩散活动加剧,增加了粒子被捕获的可能性。
静电效应:目标粒子具有自然的电荷,而使过滤纤维带有相反的电荷。因而,粒子被吸引到纤维上。
防毒面具的佩戴
佩戴防毒面具时,使用者首先要根据自己头型大小选择合适的面具。佩戴防毒面罩时,将中、上头带调整到适当位置,并松开下头带,用两手分别抓住面罩两侧,屏住呼吸,闭上双眼,将面罩下颌部位罩住下颌,双手同时向后上方用力撑开头带,由下而上戴上面罩,并拉紧头带,使面罩与脸部确实贴合,然后深呼一口气,睁开眼睛,检查面罩佩戴气密性。其方法是用双手掌心堵住呼吸阀体进出气口,然后猛吸一口气,如果面罩紧贴面部,无漏气即可,否则应查找原因,调整佩戴位置直至气密。佩戴时应注意不要让头带和头发压在面罩密合框内,也不能让面罩的头带爪弯向面罩内。同时,男性使用者在佩戴面具之前应将自己的胡须剃净。
了解了防毒面具为什么能防毒的奥秘,也就为我们正确使用防毒面具来保护我们的生命奠定了基础。