氢气的生物安全性

上一篇 / 下一篇  2011-03-15 14:22:44

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长期的研究表明,氢气对人体是非常安全的,即使呼吸几十个大气压的氢气,虽然会有一定麻醉作用,但这个麻醉作用比氮气小许多,不会对身体造成毒性效应,氢气的生物安全性比氮气高,更比氧气高许多倍。因此使用氢气治疗疾病是一种非常让人放心的手段。

    氢(hydrogen)是一种化学元素,在元素周期表中位于第一位,元素符号是H,是自然界最小的原子。氢通常的单质形态是氢气,氢是无色无味无臭,极易燃烧的双原子气体,氢是最轻的气体,氢的导热能力特别强,氢和氧化合形成水。

    氦氧潜水可以有效解决空气潜水的氮麻醉问题,使潜水在深度上取得突破。但是,随着潜水深度增加,气体密度增大,呼吸阻力对潜水员仍然会产生影响,特别是氦几乎没有麻醉作用,大深度潜水时容易产生HPNS,而且获得氦较困难,价格昂贵,这些因素均限制了氦氧潜水的广泛应用。因此,迫切需要寻找新的气体代替氦作为大深度潜水用呼吸气体。实际上,在混合气潜水研究的早期阶段,因为制备氦的障碍,氢几乎与氦同时被用于潜水和高气压作业的研究。

    以人工配制氢氧混合气(hydrox)或氢氦氧三元混合气(hydreliox)作为呼吸气体的潜水,一般称为氢氧潜水。与氦氧潜水一样,氢氧潜水也属于混合气潜水。氢氧潜水是现代深潜水技术发展的热点之一。氢氧潜水包括氢氧混合气常规潜水和氢氧混合气饱和潜水,其中,氢氧混合气饱和潜水是目前的主要发展方向。

    使用氢氧混合气,需要特殊的装备和装具。与呼吸氦氧混合气一样,氢氧混合气也可以解决氮麻醉问题,使潜水深度大大增加,特别是氢仍有一定的麻醉作用,可有效缓解HPNS,显示了比氦氧混合气更大的优越性。但同时也带来一些空气和氦氧混合气潜水所没有遇到的困难,如爆炸、配气和污染等问题,针对这些新问题人们进行了多年的研究和探索,已找到了一些行之有效的解决方法、步骤和措施。

一、氢的发现

    在化学元素的发现历史上,很难确定氢是谁发现的,因为曾经有不少人从事过制取氢的实验。德国医生兼科学家帕拉塞斯在16世纪上半叶发现了氢,但他只知道这是一种可燃气体。Boyle也曾经研究过氢,但他没能把这种气体收集起来。最先把它收集起来,并仔细加以研究其性质的应是卡文迪许。

    1766年,卡文迪许把一篇名为《论人工空气》的研究报告提交给英国皇家学会。在这一论文 中,所论及的除碳酸气外,讲的就是氢。卡文迪许用铁和锌等与盐酸及稀硫酸反应的方法制取氢,并将氢用槽法收集起来。他发现,用一定量的某种金属与足量的 各种酸作用,所产生的氢量总是固定不变的,与酸的种类和浓度无关。他还发现,氢与空气混合点燃会发生爆炸。所以卡文迪许称这种气体为“可燃空气”。并指 出,这种气体比普通空气轻11倍,不溶于水或碱溶液。

    1781年,英国化学家普利斯特里在做有关“可燃空气”的实验时,发现它和空气混合爆炸后 有液体产生。他把这一情况告诉了卡文迪许。卡文迪许用多种不同比例的氢和空气的混合物进行实验,证实了普利斯特里的发现,并断定所生成的液体是水。卡文迪 许指出,如果把氢和氧放在一个玻璃球里,再通上电,就生成水。当氧被发现后,卡文迪许用纯氧代替空气重复以前的实验,不仅证明氢与氧化合成水,而且定量地 确认大约2体积氢与1体积氧恰好化合成水(该结果发表于1784年)。由于卡文迪许是燃素学说的虔诚信徒,所以他认为,金属中含有燃素,当金属在酸中溶解的时候,金属所含的燃素释放出来,形成了这种“可燃空气”。

    后来,法国科学家拉瓦锡重复了卡文迪许的实验,明确提出正确的结论,水不是一个元素而是氢和氧的化合物,并于1787年将这种气体命名为氢,意思是“成水元素”并确认它是一种元素。这个发现彻底把燃素学说送进历史坟墓,可以这么说,氢气和氧气是现代化学的催生婆。

    在地球表面的空气中,几乎不含氢。但在离地面20~25 km的高空,大气中可能只有氦和氢。

二、氢的一般特性

(一)氢是无色无味无臭的双原子气体

(二)氢的化学性质活泼

化学性质活泼,极易与氧发生化合反应生成水,容易发生燃烧和爆炸。不过,氢和氧混合时,如果将氧浓度控制在4%以下,氢不会燃烧,更不会发生爆炸。

(三)的分子量(1×2=2)非常小

的分子量为氮(14×228)1/14,为氦(2×24)1/2

(四)的密度(0.0695)小

的密度为氮(0.967)1/14,氦(0.138)的1/2

(五)的溶解度

在水中的溶解度(0.017)比氮(0.01275)大;在油中的溶解度(0.036)比氮(0.06683)小,为氮的1/2。因此,的脂水溶比(2.1)也比氮(5.2)小,仅为氮脂水溶比的2/5。氢的麻醉作用比氦强,比氮弱,故氢与氦混合作为呼吸气体,有减轻HPNS的作用。

(六)的扩散速度快

为氮的3.74倍,氦(0.138)的1.411倍。

(七)的比热大、导热性能好

的热导系数为45.9 ×10-5 cal/sec/cm/℃(空气的热导系数为6.42 cal/sec/cm/℃,氦的热导系数为36.9 cal/sec/cm/℃),在相同的压力下,的比热是氮的13.6倍,氦的2.72倍。因此,氢的吸热和导热性能都比较强。

(八)氢的传音速度快

标准状态下,空气的传音速度是331 m/s,氦的传音速度是972 m/s,而氢的传音速度是1286 m/s。因此,氢氧潜水时,潜水员的语音改变也比较明显。

三、氢氧潜水的生理学研究

(一)无任何毒性作用

    目前已经明确,在任何压力范围,氢对机体均无毒性作用。自1789年拉瓦锡开始研究氢对机体作用以来,迄今为止,几乎所有氢氧潜水研究的课题均涉及这一问题,尽管早期曾有人认为,高压氢对机体有毒性作用,但后来大量的研究结果证实这种观点是错误的。特别是瑞典、法国等成功进行的系列人体氢氧潜水实验,如1988 ~ 1989年间,法国进行人体氢氧潜水的时间就达7 200 h,进一步说明,人体呼吸氢和氢氧潜水是安全的。

(二)高压氢气有麻醉作用

    动物实验提示,高压氢具有一定麻醉性,能在一定程度上对抗HPNS,这也是氢在大深度潜水中的优越性之一。氢的麻醉性居于氮氦之间,氮、氢和氦的相对麻醉性是4.3:2.3:1。氢的麻醉效应约为氮的54%,但高于氦和氖,人们正是利用氢的这一特性,来逆转高压对机体所致的过度兴奋作用。最近,在这方面的动物和人体的研究证明,氢对HPNS有一定对抗作用,人呼吸4.6 MPa的氢不会出现震颤、运动障碍、肌阵挛、眩晕等HPNS症状,工作能力受影响不明显。

    氢麻醉主要表现为致幻作用,氢致幻作用对潜水员的认知能力影响较大,当人体暴露在1.9 MPa高压氢环境下就可出现这种效应。1974年,Edel首次进行了氢麻醉的研究,4名受试者均潜水1次,在0.7 MPa条件下分别呼吸氮氧、氦氧和氢氧混合气120 min。智力和操作技巧试验结果表明,氮氧对操作能力影响最明显,氦氧和氢氧对操作能力影响不明显。在Hydra IVHydra AHydra V实验中,Carioz (1984)等曾进行过人体氢麻醉研究,结果表明,呼吸2.45 MPa的氢对人的操作技巧和视觉反应时间均无明显影响。人体研究还发现,人体氢麻醉敏感性存在明显个体差异。

(三)在溶液中扩散速度快

    由于氢的扩散速度比空气快,所以氢易于通过狭小孔隙,有利于中耳鼓室等含气腔室内外调压。

(四)有良好的热传递性

    氢的热容量和导热系数均比氮和氦大。因此,呼吸氢氧混合气时,更容易从肺部丧失较多热量,这是限制氢用于潜水的主要因素。实验表明,在310 m深度氢氧环境中体热散失非常快,即便从事重体力劳动,身体代谢产热增加也无法抵消体热散失。所以,氢氧潜水需外部加热。氢氧环境中,舱室温度维持在34℃较为适宜.另外,呼吸气体应适当加热才能使潜水员感觉舒适。但关于最适宜温度的存在不同观点。Smith等实验发现,1.1 ~ 10.1 MPa下,呼吸氢氧时的呼吸散热和对流散热比氦氧分别高出38%和32%,他们提出,氢氧潜水的舒适温度范围应在31.1 ~ 31.6℃。当然,舒适温度的范围最终均以潜水员自身感觉为准。

(五)语音改变

    目前对氦语音的研究比较多,关于氢语音的报道不多。在高压氢环境中,人的语音发生明显变化,如音调变高、带有鼻音、语音清晰度明显降低和难以被听懂等。早期瑞典工程师Arne Zetterstrom进行的氢氧混合气潜水实验中,曾遇到语音改变的问题,而且显著影响与水面的语言交流,他后来发生意外死亡就与语音改变有间接联系。

(六)氢对呼吸系统的影响

    氢是密度最小的气体,呼吸氢氧混合气时阻力小,因此可减轻呼吸功,减少潜水员体力消耗,有利于提高作业效率。

    Dougherzy发现,呼吸纯氧最大通气量相当于呼吸氦氧的40%,其他呼吸指标均发生明显改变,这主要是由于氧的相对密度较高所致,因此推测呼吸氢氧混合气通气量应该更大。但Giry进行4.6 MPa氢氦氧模拟潜水实验中,发现通气功能并没有明显改善,反而有一定程度的降低,可能是高压氢对呼吸中枢的麻醉作用所致。

    Dahlback发现,1.3 MPa条件下,呼吸98%氢和2%氧的功能性肺阻抗比呼吸98%氦和2%氧降低35%,这样可减轻呼吸肌负荷,提高大深度潜水员的工作能力。另外,1.3 MPa条件下呼吸氢氧时,肺活量轻度增加,但Giry的实验未发现同样的结果。

(七)氢对循环系统的影响

    Gennser等在细胞水平上研究了静水压、氢、氮和氦对大鼠心房率的作用,结果表明,15 MPa静水压使游离大白鼠心房自发性频率减少30.6±7.2%,若灌流高压氢(氢分压:4.9914 MPa)饱和溶液,大鼠心房自发性频率随着氢分压增加而增加。有学者还发现,在减轻心动过缓方面,氮为氢的2倍,而氢为氦的5倍。5 MPa氮和9 MPa氢逆转心动过缓的作用相同。HYDRA V实验表明,氢能对抗静水压的作用。Giry认为,呼吸高压氢氧混合气时,心血管功能出现的变化,可能是氢抑制副交感神经系统兴奋性的结果。

(八)减压问题

    氢的饱和和脱饱和时间界于氮和氦之间,氢在机体组织的最慢假定时间单位约300 min。理论和实验研究均证明,在相同的压强-时程条件下氢暴露比氦暴露需要更长的安全减压时间。Michaud(1969)等在动物氢氧暴露实验中采用氦氧方案减压,在减压过程中动物就死亡。1972Edel在氢氧减压研究中证明,相同压力的氦氧和氢氧暴露,若用同样的氦氧方案减压,氢氧暴露的减压病发病率更高,症状也更严重,提示氢氧暴露用氦氧方案减压不安全。Gardette(1985)Hydra V潜水实验时发现,氢氧潜水减压时间大约比相同深度氦氧潜水长25%,HYDRA V4.6 MPa减至2.1 MPa为氢饱和减压,然后逐步转换成氦氧,检查发现转换过程循环系统气泡数量突然增多,再加压0.2 MPa并吸高分压氧混合气,气泡音消失。Hydra V实验的2450 m减压方案比较表明,从饱和深度逐渐减少氢含量,直到某一深度全部消除氢,比突然大比例减少氢的方案更安全。目前关于氢氧潜水减压还存在很多问题,需进一步研究。

    考虑到防火、防爆等安全因素,氢氧潜水的加压和减压阶段需要在一定深度条件下进行等压气体转换,这必然涉及等压气体逆向扩散的问题。Aoust(1981)等用山羊进行实验,结果表明,在0.8 MPa条件下,氢氧饱和后转换呼吸氦氧,腔静脉中出现气泡。关于气体逆向扩散则比较复杂,尚存在许多问题。所以,进行大深度氢氧潜水实验,必须谨慎进行等压气体转换,转换过程必须在舱内,不可在水中作业时进行。


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