Sadržaj

 Zrak i disanje Sadržaj

Slika 1. Udisanjem u pluća ulazi kisik, izdisanjem izlazi ugljikov dioksid.

Zrak

Osnovni su sastojci zraka (volumni udio): dušik (78,08%), kisik (20,95%), argon (0,93%), te u promjenjivim količinama vodena para (0 do 4%) i ugljikov dioksid (0,04%), a u neznatnim količinama ostali plinovi. Kisik i ugljikov dioksid su istaknuti jer čine osnovu disanja.




Danas smo na neistraženom području jer udio CO2 u atmosferi prelazi 400 ppm. Najveći udio CO2 u atmosferi, 421 ppm, izmjeren je na postaji Mauna Loa na Havajima u svibnju 2022. godine, što nije viđeno milijunima godina. Srednja vrijednost udjela CO2 u veljači 2022. godine iznosila je 419,28 ppm, a u veljači 2023. godine već je porasla na 420,41 ppm. Očito, udio CO2 u atmosferi neprekidno raste od početka industrijske revolucije (1850. god.) kad je iznosio samo 285 ppm.


Disanje

Disanje je nešto što svi radimo, a da toga obično nismo svjesni. Udahnemo i izdahnemo oko 23.000 puta dnevno, približno 16 puta u minuti. Disanje nas pokreće. Pluća nas opskrbljuju kisikom, plinom koji održava život našeg tijela. Pluća udišu zrak, zatim iz udahnutog zraka izdvajaju kisik i provode ga u krvotok, gdje se prenosi u tkiva i organe koji nam omogućuju hodanje, govor i kretanje. Potrošnje zraka za održivi život je oko 7 litara u minuti pri koncentraciji kisika od 21%.
Pluća također uzimaju ugljikov dioksid iz krvi i ispuštaju ga u zrak kada izdišemo. Mozak kontrolira koliko brzo pluća trebaju uvlačiti zrak. Kada trčimo ili fizički radimo, mozak "govori" plućima da rade brže. Kada spavamo ili se odmaramo, pluća usporavaju rad i udisaja je manje.

 Atmosfera u podmornici Sadržaj

Zamislimo da smo mornari nuklearne podmornice.

Slika 2. Mornari u posadi podmornice.

Podmornice su dizajnirane da ostanu ispod površine što je duže moguće, suvremene i dulje od 100 dana. U biti boravak nuklearnih podmornica pod vodom ograničen je samo zalihama hrane.

A što je s disanjem?

Kako proizvesti kisik u podmornici? Jer ako ste u podmornici s posadom koja obično broji više od sto mornara, a svi udišu kisik, i izdišu ugljikov dioksid, ubrzo će se atmosfera pogoršati. Dakle, u podmornici treba riješiti dva problema: kako proizvesti kisik i kako ukloniti ugljikov dioksid.

Slika 3. Modeli molekula - kisik (O2) i ugljikov dioksid (CO2)

Za rješenje oba ova zahtjeva imat ćemo po dva načina.

Pogledajmo kako proizvesti zrak koji se može disati kad podmornica zaroni ispod površine. Da bi ljudi preživjeli u podmornici, moraju imati podnošljivu atmosferu na svakom mjestu gdje borave mornari, da bi se svako tijelo moglo održati na životu.

Praćenje kvalitete zraka u podmornici

Ako veća grupa ljudi boravi u zatvorenom prostoru, gdje svi spavaju, nastat će na toj lokaciji puno više ugljikovog dioksida od ostalih mjesta u podmornici, ali podnošljivu atmosferu moramo održavati u cijeloj podmornici.

Da bi to postigli, podmorničari prate atmosferu svake pozicije u trupu. Koriste sustav zvani CAMS (Central Atmospheric Monitoring System).

Pogledajmo prvo kako se mjeri sastav atmosfere na bilo kojem mjestu u podmornici.

CAMS ima različite sonde, koje uzimaju uzorke za praćenje kvalitete zraka.

Možemo pomoću njega gledati koliko u zraku u podmornici ima O2, CO, CO2, H2, N2, H2O, R-114 (to je rashladno sredstvo; 1,2-diklortetrafluoretan, ClF2CCF2Cl). U osnovi pratimo dobre i loše plinove i ukupan tlak u podmornici.

Ako postotak kisika postane previsok ili se u zraku pojavi rashladno sredstvo ili nešto postane prenisko, oglašava se zvučni alarm. Dakle, u slučaju da negdje curi rashladno sredstvo, primjerice R-134 (CF3CH2F), imamo osjetnike poput univerzalnog detektora curenja rashladnog sredstva – Universal Refrigerant Leak Detector. A tu je i ručni detektor PHD6 (6 Gas Confined Space Gas Detector), koji nam govori o donjoj razini eksplozivne granice za vodik.

CAMS sustav nam omogućava ne samo praćenje koncentracije kisika i ugljikova dioksida već bilo koje vrste plinova koji bi mogli iscuriti u atmosferu i ugroziti posadu.



 Desalinizacija obrnutom osmozom Sadržaj

Postoje dva načina da se na podmornici proizvede kisik.

Znajući osnovnoškolsku kemiju odmah nam za dobivanje kisika pada na pamet elektroliza vode. Uzmete dvije elektrode, stavite ih u vodu i spojite na izvor istosmjernog napona. I naravno, H2O se elektrolizom razlaže na vodik i kisik. Morska voda je svuda oko podmornice, pa je možemo uzeti, koliko god želimo. Podmornica ima nuklearni reaktor pa ni struja za elektrolizu nije u pitanju.

Slika 4. Elektrolizom se voda razlaže na kisik i vodik

Ali ako pokrenemo elektrolizu morske vode sa NaCl u njoj, oslobodit ćemo plinoviti klor i vodik, a ne kisik i vodik. A to ubija ljude.

Dakle, prije elektrolize, morsku vodu prvo moramo pročistiti. A na podmornici za to koriste sustav koji se naziva reverzna osmoza.

Slika 5. Voda prelazi u otopinu veće koncentracije i razrjeđuje ju.

Slika 6. Tlačenjem koncentrirane otopine kroz membranu voda se čisti od primjesa.




   Postrojenje za obrnutu osmozu







 Dobivanje kisika elektrolizom Sadržaj

Za elektrolizu ćemo nakon osmoze koristiti super čistu vodu u koju je dodan kalijev hidroksid KOH. Naime, deionizirana voda slabo provodi električnu struju. Kalijev hidroksid  je jak elektrolit, povećava električnu provodnost vode i time olakšava dobivanje kisika i vodika iz vode.

Slika 7. Elektroliza vode nakon desalinizacije reverznom osmozom.

Time razlažemo vodu na vodik i kisik. Kisik je za disanje posade, a vodik ispuštamo u more. To je važno jer ako na podmornici imate nuklearni reaktor, možete elektrolizom proizvesti kisika koliko želite.

 Kloratne svijeće Sadržaj

No, ako ikada iz bilo kojeg razloga izgubite napon za elektrolizu, kisik možete proizvesti tako da zapalite  podmorničku svijeću, koja ne zahtijeva nikakvu struju.

Slika 8. Kloratna svijeća kakva se koristi na podmarnicama.

Dvije glavne kemikalije u ovoj svijeći su natrijev klorat (NaClO3) i čisto željezo (Fe). (Željezo ne smije sadržavati ugljik jer bi gorenjem nastao otrovan ugljikov monoksid, CO.) Na vrhu je „upaljač“ od crvenog fosfora, nešto poput žigice, čime se postiže potrebna temperatura, 500 – 600 °C, za početak gorenja svijeće.

Pri gorenju svijeće događaju se dvije bitne reakcije:

1. Kad željezo izgara stvara se željezni oksid i oslobađa se toplina. Gorenje željeza je egzotermna reakcija (toplina se oslobađa), pa temperatura svijeće poraste

                     Dobivanje topline:     4 Fe + 3 O2 →  2 Fe2O3

2. Toplina od željeznog oksida (Fe2O3) oslobađa kisik iz natrijevog klorata. Pri povišenoj temperaturi natrijev klorat se raspada na natrijev klorid i kisik.                  

                     Dobivanje kisika:       2 NaClO3 →  2 NaCl + 3 O2

Slika 9. Tipična svijeća sadržava oko 83 % natrijeva klorata, 7 % željeza u prahu, 7 % inertnog punila (glina, staklo, …) i 3 % barijeva peroksida, BaO2.

Ljepota ove tehnike dobivanja kisika iz svijeće je u tome što je svijeća s kisikom kruta i vrlo malog volumena, a može proizvesti ogromnu količinu kisika.

No, ima i jedna ʺkvakaʺ. Naime, pritom se razvija malo klora i njegovih oksida, a zbog ostataka vlage nastaje i hipoklorasta kiselina, HOCl. Zato se u sastav svijeće stavlja i barijev peroksid, ili se dobiveni kisik propušta kroz filtar koji sadržava barijev peroksid.

BaO2 + Cl2  →  BaCl2  + O2

2 BaO2 + 4 HOCl  →  2 BaCl2 + 2 H2O + 3 O2

Ovaj način dobivanja kisika vrlo je važan za stvari poput svemirskih letjelica. Amerikanci i rusi godinama koriste svijeće s kisikom u svemiru i samo su jednom izmakli kontroli na svemirskoj stanici Mir. Svijeće s kisikom su nevjerojatne. One su učinkovit način dobivanja  kisika u podmornici.

 Uklanjanje ugljikovog dioksida Sadržaj

Dakle, sad znamo kako doći do kisika u podmornici. Imamo svijeće i elektrolizu, ali još uvijek nam ostaje problem s ugljikovim dioksidom. Dok dišemo, izdišemo ugljikov dioksid, CO2, koji moramo eliminirati iz atmosfere.

Zašto je CO2 nepoželjan ako ga u zraku ima samo 0,042%?

Ugljikov dioksid je plin teži od zraka i zato se nakuplja u donjim dijelovima prostorija, istiskujući zrak u gornje slojeve pri čemu kisik postaje nedostupan.

U slučaju da se u prostoriji (najčešće su to vinski podrumi) nakupi mnogo ugljikovog dioksida, može doći do gubitka svijesti i smrti. U prostoru zasićenom ugljikovim dioksidom čovjek udiše zrak u kojem nema kisika, udisaji postaju sve duži, dolazi do gubitka svijesti pa i smrti. Prisutnost ugljikovog dioksida u količini koja onemogućava normalno disanje može se lako utvrditi običnom svijećom. Ako se svijeća ugasi znak je da prostoriju treba odmah napustiti i prozračiti.
Zanimljivi pokusi s CO2 I.dio
Zanimljivi pokusi s CO2 II.dio

Slika 10. Silazak u podrum s upaljenom svijećom može utvrditi prisutnost ugljikovog dioksida koji je gušći (teži) od zraka (oko 44 g/mol za ugljikov dioksid u odnosu na oko 29 g/mol za molekule zraka)


No baš to svojstvo istiskivanja zraka i kisika koristi se za gašenje vatre. Ugljikov dioksid ni vatri ne da ʺdisatiʺ.

Slika 11. Vatrogasni aparat s ugljikovim dioksidom.

Za uklanjanje CO2 koriste se dva procesa.

 Amin (H2NCH2CH2OH) Sadržaj

Prvi proces koristi tekuću kemikaliju, 2-aminoetanol ili monoetanolamin ili skraćeno MEA ili samo amin (H2NCH2CH2OH).

Slika 12. Model molekule monoetanolamina.

Amin može poprimiti dva stanja, OBOGAĆENI amin i OSIROMAŠENI amin. Kad je obogaćen sa CO2 onda je u zasićenju u tekućini, a kad je osiromašen ima sposobnost apsorbiranja CO2, jer je ʺispražnjenʺ. Ne sadržava više CO2. Dakle, upravo ta sposobnost apsorpcije CO2 čini monoetanolamin tako korisnim.

Postrojenje ima dvije glavne komponente - apsorpcijsku i eliminacijsku kolonu. U apsorpcijskoj koloni amin se raspršuje po zagađenom zraku i upija iz njega sav CO2. A onda se taj zrak kroz pročistač vraća u prostoriju.

Nakon toga ostaje OBOGAĆENI amin jer je u sebe preuzeo CO2, koji se pumpa kroz izmjenjivač topline do eliminacijske kolone. Pod visokim tlakom, što uzrokuje višu temperaturu vrenja, CO2 se izdvaja, odnosno amin se "osiromašuje".

Gdje onda ide CO2 ?

Pošalju ga u kompresor i u sitnim mjehurićima istisnu u more.

Dakle, prvo se zrak koji sadržava CO2 upuhuje u apsorpcijsku kolonu gdje se osiromašeni MEA raspršuje kroz ugljikovim dioksidom zagađeni zrak. Razlog raspršivanja je povećavanje površine između ugljičnog dioksida u zraku i osiromašenog amina, jer maksimalna kontaktna površina potiče apsorpciju CO2 u osiromašeni MEA. Otopina obogaćenog amina skuplja se na dnu apsorpcijske kolone iz koje se potom kroz protustrujni izmjenjivač topline predgrije i pumpa u eliminacijsku kolonu. U eliminacijskoj koloni, pri višoj temperaturi, obogaćeni amin otpušta CO2 pa se tako dobije tzv. osiromašeni amin.

2 H2NCH2CH2OH + CO2 ⇄  HOCH2CH2NH-COO +  HOCH2CH2NH3+
osiromašeni amin                                    obogaćeni amin              

Plin koji napušta eliminacijsku kolonu sadržava ugljikov dioksid. Njega se komprimira i istiskuje u more u obliku vrlo finih mjehurića. Tako se raspršuje u morsku vodu bez previše buke.

Slika 13. Postrojenje za uklanjanje ugljikovog dioksida - apsorpcijska i eliminacijska kolona.

Osiromašeni amin se zatim može ponovno koristiti za prskanje u apsorpcijskoj koloni. I cijeli proces počinje ispočetka.



Činjenica da možete uzeti osiromašeni amin, a zatim ga učiniti obogaćenim, pa ga ponovno učiniti osiromašenim, fantastična je, jer to znači da na podmornici nemate potrošnog materijala i možete kontinuirano uklanjati CO2 iz zraka na neodređeno vrijeme.

To je stvarno velika stvar kad morate biti pod vodom duže vrijeme.

Dakle, ovaj aminski sustav je PRESUDAN za ostanak u podmornici ispod površine.

A monoetanolamin je jedan od načina da se ugljikov dioksid eliminira iz podmornice.




 Litijev hidroksid Sadržaj

Drugi je način s litijevim hidroksidom (LiOH).

Kad se litijev hidroksid izloži djelovanju zraka, apsorbirat će CO2 iz zraka.

2 LiOH  + CO2  →  Li2CO3  +  H2O

Tako se litijev hidroksid koristi na mnogo različitih mjesta, u odijelima za mornaričke ronioce. Ili kada astronaut izvodi EVA (aktivnost izvan kapsule), koristi litijev hidroksid u svemirskom odijelu kako bi uklonio CO2.

Ako nestane struje i nema mogućnost napajanja MEA sustava, mogu se jednostavno otvoriti posude s litijevim hidroksidom. Sve dok je izložen zraku, apsorbirat će CO2 iz atmosfere. To je spasonosan pasivni način za uklanjanje CO2 iz atmosfere kako bi se moglo preživjeti u podmornici.

Slika 14. Kanistri s litijevim hidroksidom za uklanjanje CO2 u slučaju nužde.

Dakle, kako disati na podmornici?:

1.    Moramo proizvesti kisik i.

2.    Moramo ukloniti CO2.

Primarni načini za kisik su elektroliza i svijeće s kisikom.

A za uklanjanje CO2 to će biti monoetanolamin, i litijev hidroksid.

Radimo li sve to, samo u pravim količinama, možemo disati pod vodom u podmornici.

 Relativna vlaga zraka Sadržaj

Dodatni problem u vezi kvalitete zraka koji treba riješiti, a nije kemijske prirode, je povećanje vlage unutar podmornice. Postoji stalna proizvodnja vlage, koja se ispušta u zrak isparavanjem iz četiri glavna izvora: 1) akumulacijskih spremnika, 2) kuhanja, 3) ljudi, i 4) kaljuže. Ova proizvodnja vlage u prosjeku iznosi oko 400 litara vode dnevno pod normalnim uvjetima.

Ako se podmornica kreće po površini, lako je isprazniti višak vlage. Ali ako je uronjena, mora se ukloniti kondenzacijom tijekom recirkulacije zraka u klima uređaju. Međutim, ima dovoljno mjesta za klimatizacijske strojeve kojima se kontrolira rosište, odnosno podešava bilo koja željena temperatura. Kontrolom rosišta kontrolira se relativna vlaga, a upravo je relativna vlažnost, više nego temperatura zraka, ono što uzrokuje neudobnost boravka u podmornici.

Sažetak principa klimatizacije.

U podmornici zrak neprestano dobiva toplinu i vlagu. U isparivaču se zrak brzo i znatno ohladi i gubi vlagu.
Istini za volju, kada se zrak vraća iz isparivača u prostor podmornice, on može sniziti temperaturu u njoj za nekoliko stupnjeva, ali osnovni zahtjev je ili 1) smanjenje relativne vlažnosti, ili 2) sprječavanje kondenzacije u prostoriji.
U prvom slučaju, relativna vlažnost smanjuje se kondenzacijom, odnosno hlađenjem zraka ispod točke rosišta u isparivaču.
U drugom slučaju, kondenzacija se sprječava snižavanjem rosišta zraka, a to se opet postiže hlađenjem zraka, a time i uklanjanjem dijela vlage kondenzacijom, u isparivaču.

Sastavio : Hrvoje Mesić
Redaktor: prof. dr. sc. Milan Sikirica