潜艇舱室空气污染

潜艇舱室空气污染是指潜艇隔舱内气体环境中混杂了有害于人体的物质。舱室空气污染是影响潜艇居住性的重要因素。常规潜艇发明后，曾因舱室内的空气受到污染，又缺乏有效的解决方法，对艇员的健康引起了一定的影响； 有时还因此而中断潜航，甚至发生过严重事故。核动力装置用于潜艇，使长期水下潜航有了可能，但在维持艇内空气环境于正常状态或接近正常状态的有效措施未获彻底解决以前，舱室空气污染仍在很大程度上限制着潜艇性能的充分发挥。可见潜艇舱室空气污染，不但直接与艇员生活、健康有关； 而且也和潜艇本身技术战术性能的实现密切相关。
污染物的种类和来源 潜艇空气中的污染物相当复杂，对污染空气组分进行全分析，在技术上还有较大困难。根据初步统计，潜艇舱室中已有150种空气组分完成了定性分析，其中33种进行了定量分析； 但微量污染物的种类却远远超过此数。常见的与潜艇卫生有密切关系的污染物及其来源如下：
人体排泄物 人体代谢产物有400种以上。由呼出气体排出的有100多种，其中主要污染空气的有CO₂、CO、氨、丙酮、苯、胺、氯化物及醛。
健康人每昼夜排尿量1000～1500ml，其中95%是水，有机物和无机物约占5%。尿中有229种化合物，足以直接或分解后污染空气的有氨及尿素、有机酸、烃、脂肪、维生素、酶、分泌物等。
健康人每昼夜平均排粪250～300g。粪含水70～75%，其它物质约占25～30%，其中包括细菌、未消化物质等。人粪对舱室空气的主要污染物见表1:

表1 人粪对舱室空气的污染

有害物质	新鲜粪中含量 (mg/100mg粪)	保存5天的 粪中含量 (mg/100mg粪)
氨和γ-胺 硫醇和硫化氢 酚 吲哚及粪臭素（间甲基氮茚） 有机酸（由醋酸算出） 硝酸(按N2O5算出) 烃(由CH4算出) CO 醛 酮 硫气体	0.019 痕迹～0.113 0.009 痕迹～0.013 0.26 0.06 0.8 0.12 — — —	1.35 0～0.04 0.08 0.005～0.009 0.86 0.28 0.9 0.02 最大为痕迹 0.16 0.01

汗经汗腺排出与皮脂腺排出物混在一起，汗的主要成分见表2。皮脂腺每周排出约100g，有时可达200～300g，主要成分包括： 游离脂肪酸30%，挥发性脂肪酸38%，其余为不能皂化的物质，如蛋白质、无机酸、甘油、棕榈脂、盐及其它物质； 在通过皮肤进行气体交换过程中，也排出一些气体。

表2 人汗的主要成份

物 质	含量	物 质	含量
水(%) 固体物质(%) 有机固体物质 灰 铁 碘、氟、溴 乳酸(mol/L) 葡萄糖(mol/L) 氯化钠(mol/L) 钾(mol/L) 钙(mol/L) 镁(mg%)	99.2～99.7 0.3～0.8 0.03～0.3 0.14～0.57 0.1～0.2 痕迹 4～40 0.129 5～148 1～15 1～8 0.4	铜(mg%) 锰(mg%) 硫酸盐(mg%) 尿素氮(mg%) 氨(mg%) 肌酸(mg%) 尿酸(mg%) 氮(mg%) 氨基酸氮 酚 组织胺	0.4～7.5 3～7 4～17 12～39 5～9 0.1～1.3 0～15 23～40 痕迹 痕迹 痕迹

健康人一昼夜在肠道内形成的气体约800～1000ml，每次排出50～200ml。肠内气体在正常情况下主要成分有： 硫化氢、氢、甲烷、CO₂、氮等，肠内气体量和食物性质及肠内细菌繁殖有关，如食用豆类及生黄瓜之类的食品，肠内气体增加10～20倍。故在潜艇航海配套食品中限制豆类食品是必要的。
潜艇设备、装置、用品及食品烹调产生的污染物
❶潜艇使用的涂料、油漆、润滑油和洁净剂等均可因受热而释放出有害气体。如涂料、油漆中的溶剂： 苯、甲苯、二甲苯、乙苯、酚甲醛树脂放出的大量甲醛； 润滑油因高温而分解产生的甲醛、乙醛、丙烯醛、酮类； 洁净剂用于洁净氧气瓶时放出的三氯乙烯等。
❷内燃机燃料废气： 内燃机在启动或停机瞬间可产生CO、CO₂、二氧化氮、二氧化硫、硫化氢、甲烷及其它烃类气体等。
❸潜艇用蓄电池的铅板含有微量的砷和锑，当蓄电池充、放电时，电液中因水的电解而产生氢气，锑和砷与新生氢接触可生成毒性很强的锑化氢与砷化氢。
❹灭火剂： 四氯化碳、氯溴甲烷、三氯溴甲烷、二氟二溴甲烷或干碳酸钠的分解产物，有氯化氢、氢、光气、溴、溴化氢及溴化碳醯等。
❺致冷剂氟利昂(包括氟利昂-11,12及114)泄漏，其本身及分解物(氢、氯、氯化氢和光气等)都污染空气。
❻潜艇用电子仪器设备可产生臭氧和CO。如绝缘材料过热，从表面挥发、燃烧或爆炸都会产生卤素、硫、氯化物等有害气体。
❼战时舱室易被武器装备的弹道残气与火药爆炸中产生的气体污染，其中主要有CO、CO₂、氮氧化合物、氨、氰化氢、氯化氢、乙醛、二氧化硫、甲烷等。
除以上列出的污染物质外，还有从清除CO₂的循环净化装置带出的一乙醇胺蒸气，吸烟产生的CO、醛类和气溶胶等也是不容忽视的舱室空气污染源。
潜艇舱室空气污染时对艇员健康影响的特点 (1) 潜艇舱室空气污染达到一定程度，即可引起艇员一定的生理反应或（和）相应的病理变化。除因事故造成某种明显毒害作用外，生理反应或病理变化都不可能是某种气体单一作用的结果。故观察舱室内有害气体对艇员健康影响时，要同时注意两种或两种以上气体互相协同或互相对抗的作用。如CO或二氧化硫和氮氧化物、氯气、氯化氢、丙烯醛、氟化氢等同时存在，比任何两种以同样的量单独作用的毒性要大得多。
(2) 在舱室空气污染的同时，还存在着高温、高湿、噪声、振动、艇体摇摆、人工照明以及特殊的饮食、限制的供水、特定的值更制度与作息时间、艇上狭小空间限制体位的紧张作业条件等具有卫生学特点的错综复杂的诸多因素。这些因素，对有害气体影响艇员健康都会有一定程度的复合作用，如艇体摇摆引起的晕船、噪声引起的听力减退、人工照明不合理所引起的视力改变，特定作业紧张产生精神上的疲劳等，都可增加艇员应激负荷，降低机体对空气污染的耐受能力。
(3) 空气污染对艇员生理功能的影响，无论在质和量上都有群体均数的不同和个体的差异。由于艇员体质不同，主观能动性是否充分发挥，可相当地改变有害气体的效应。对环境的习服、训练和锻炼可提高艇员对某种（些）有害气体的耐力。当人在21%的氧、3%的CO₂环境中习服了1～6天后，检验其对高浓度CO₂的反应（与未习服的对照比较），可见呼吸与手的动作都仍稳定，字母划销错误也少。在1.5%CO₂环境中生活42天，自第23天后即可产生代偿性酸碱平衡反应，从而使CO₂所引起的生理影响逐步趋于稳定或下降。但人体耐受能力有一定限度，有害气体超过了相应的浓度，人体即不能耐受，会导致病理过程的发展或不可逆的损伤。
潜艇舱室空气组分90天容许浓度标准 潜艇舱室空气污染的特点是，在单位容积内污染源多，气体组分复杂，连续暴露时间长。故在制订舱室空气组分容许浓度标准时，要考虑到：
❶某一种污染物对艇员产生永久性的生理功能改变与器官病理上的急性与慢性作用。
❷同时存在着的污染物之间及污染物和舱室内许多特有因素对艇员健康影响的协同作用。
❸潜艇上对空气污染控制技术装备的性能条件。在这些前提下，艇员在一定浓度下暴露一段时间，生理功能虽有一定反应或变化，但尚在可代偿范围内； 暴露停止后无后遗或积累性影响、并可恢复正常。因此，根据多次潜艇调查研究及模拟潜艇长期航行的人体与动物实验结果，已经制订出我国潜艇舱室空气组分90天容许浓度卫生标准见表3。

表3 潜艇舱室空气组分90天容许浓度卫生标准

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气体名称	分子式	标 准
		ppm	%	mg/m3
氧 氮 氢 甲 烷 二氧化碳	O2 N2 H2 CH4 CO2		19～21 78 1.0 1.3 0.8
一氧化碳 二氧化氮 二氧化硫 氟里昂-12 总 烃 臭 氧 汞	CO NO2 SO2 CF2Cl2 CxHy O3 Hg	15 0.2 0.2 100 10 0.02		17 0.4 0.5 500 50 0.04 0.003
氨 氯 氯化氢 氟化氢 硫化氢 锑化氢 砷化氢 丙烯醛 乙醇胺 碱性气溶胶	NH3 Cl2 HCl HF H2S SbH3 ASH3 CH2CHCHO NH2CH2CH2O NaOH	1 0.05 0.47 0.1 0.05 0.01 0.01 0.05 0.4		0.7 0.15 0.7 0.08 0.07 0.05 0.03 0.1 1.0 0.15

*表中数值为上限，即在连续90天作用期间，要保持在这一水平以下，如超过表中数值，需采取相应措施，进行控制。

潜艇舱室空气污染的控制 为保障艇员身体健康，提高潜艇水下潜航能力，必须控制潜艇舱室的空气污染组分，不使超过卫生学标准的容许水平。当前，控制潜艇舱室空气污染的措施，主要有：
潜艇内部控制
❶清除CO₂: 采用CO₂循环清除装置以净化空气。两台装置分别安装在艇首、尾，以一乙醇胺(简称MEA)作吸收剂。MEA在低温时同CO₂结合，在高温下把CO₂分离出来。舱室空气借助送风机进入吸收塔与MEA接触，其中的CO₂与MEA液体结合，净化后重新进入舱内。当MEA中CO₂达到一定浓度时，用液体泵送MEA入热交换器，在121.1～132.2℃温度下，使CO₂从MEA中分离出来，被压入CO₂容器内。高温MEA经热交换器冷却到32.2℃左右，再进入吸收塔。按以上流程循环往复，每小时可处理CO₂2.8m³。因MEA会分解失效，一般情况下使用20天后即须更换。此外，尚备有盛氢氧化物的CO₂吸收剂罐作辅助。在常规潜艇的清除CO₂与供氧，多采用碱金属过（超）氧化物 (如Na2O₂、KO₂、KO₃等)制成的再生药板，这种再生药板暴露在含一定湿度的空气中，可直接吸收气态CO₂并放出氧气。如果反应进行完全，过氧化钠(Na2O₂)吸收一克分子CO₂，就释放0.5克分子的氧：

过氧化钾(KO₂)吸收一克分子的CO₂将释放1.5克分子的氧：

再生药板平时密封在特制的铁箱内，一箱药板25块，可供64人用1小时。使用时从铁箱中取出，放入“空气再生装置” 内，此时舱内污浊空气由空气再生装置下端气孔进入，与再生药板接触，其中的CO₂被吸收，同时由空气再生装置上端放出氧和热量，而形成空气对流循环。再生药板虽具有吸收CO₂和放氧的优点，但它与空气中湿度和CO₂起反应时所生成的水合金属氧化物和碳酸盐会封闭再生药板的表面，妨碍它与CO₂进一步反应； 而且实际放出的氧总少于其含量。再生药板的重量与体积都较大，尚不够理想。
❷催化燃烧装置清除氢和CO等有害气体： 催化燃烧装置采用由二氧化锰与氧化铜组成的催化剂霍拨克拉脱(hopcalite)，清除舱室内的氢、CO，低分子量的碳氢化合物等，催化作用的结果： CO氧化成CO₂，氢气氧化成水，碳氢化合物氧化成CO₂和水。从多年实用中发现： 霍拨克拉脱虽有良好的催化活性，但也存在一定的缺点，即会使艇用氟利昂及有机卤化物分解为有毒的腐蚀性气体。因此，监督和防止催化燃烧装置的副作用，已成为目前潜艇使用这种装置时特别注意的问题。近年来潜艇上多采用钯作为消氢催化剂，海绵状钯在常压、100℃条件下所吸收的氢可达钯本身体积的800余倍。
❸活性碳滤器吸附有机物质： 由于活性碳在湿度较大的环境中对许多有机物质有较好的吸附作用，故在潜艇空气净化中得到广泛的应用。潜艇各舱室装有容量不等的滤器，其进风量有100、200、及400m³/h等各种规格，可连续使用500小时。
❹静电聚尘器清除大气中的气溶胶和微粒物质： 静电聚尘器对清除直径为0.01～100μm的各种气溶胶有较高的效率，处理量为200m³/h。
❺潜艇气体分析仪与分析方法： 为了有效地控制舱室空气污染，必须对潜艇污染的主要气体成分连续监测，对次要的气体成分要间断监测。根据监测到的污染物浓度，按需要启动或关闭控制设备，目前已装艇使用的主要气体分析器有： 热导式氢气分析器。在舱温50～45℃、相对湿度低于95±3%、气压720～860mmHg的微小气候条件下能自动连续分析舱内氢气含量，测量范围0～3%; 当氢浓度高于2%时，能发出光或声报警信号。船用红外线气体分析器，不同的气体对红外线有不同的特征性吸收波长，当红外线通过气体层后，红外线能量被气体吸收，吸收的强弱与气体浓度有关，入射与出射红外线能量差随气体浓度而变化。光干涉式CO₂分析器，利用光干涉原理，一个光源射出的光分成两束，如在光路中给某一光束设置CO₂气体介质，则两光束产生光程差，而这种光程差与CO₂的折射率及其浓度有关，故据测量出的干涉条纹的平移量，就能换算出CO₂的浓度。除以上三种气体分析器外，艇上还设有热磁式氧分析器或综合气体分析器和总烃分析器等。今后发展趋势是利用数字计算机和其它新测定技术成就，不断提高舱室空气分析的自动化程度。
由于潜艇上条件的限制，任何一种分析方法都难达到对大量污染物组分的全分析的目的。所以还需要在潜艇上采取气体样品后到实验室进行分析。实验室最有效的方法是气体色谱法与气体色谱-质谱仪联用法，后者更有发展前景。
潜艇的外部控制
❶研究造艇材料的毒性并制订手册： 手册明细规定和说明那些材料已经或可以用于潜艇； 那些禁止使用； 那些可容许一定的用量或仅能用于住舱以外的环境； 严格控制使用容易污染舱室空气的物质。对已制定的手册，注意随新的合理建议及时修订、改进。
❷毒性鉴定： 对毒性不明的新材料、新工艺须经毒性鉴定为可用后，方予采用。
❸改进装置： 不断研究改进有害气体催化燃烧装置和CO₂吸收装置的各种性能，并研究增设其它舱室大气净化方法与设备。尤其对易产生有害气体的舱室(如厕所、厨房、蓄电池舱、导弹武器舱等) 内空气净化问题的解决，因可减少污染物的扩散，意义更为重大。