碱石灰：从医疗麻醉到太空探索的多功能材料

碱石灰：从医疗麻醉到太空探索的多功能材料

碱石灰是NaOH和CaO化学品的混合物，以颗粒形式用于密闭呼吸环境，例如全身麻醉、潜水艇、循环呼吸器和再压缩室，以去除呼吸气体中的二氧化碳，以防止CO2滞留和二氧化碳中毒。

由消石灰用浓氢氧化钠溶液处理而成。

化学成分

碱石灰的主要成分是

• 氧化钙，CaO（约75%）
• 水，H2O（约20%）
• 氢氧化钠，NaOH（约3%）
• 氢氧化钾，KOH（约0.1%）。

麻醉用途

在进行全身麻醉期间，患者呼出的含有二氧化碳的气体通过充满钠石灰颗粒的麻醉机呼吸回路。医用级碱石灰包含一种指示染料，当碱石灰达到其二氧化碳吸收能力时会改变颜色。

为确保碱石灰罐（CO2吸收器）正常工作，如果指示染料被激活，则不应使用它。标准麻醉机通常含有最多2千克的钠石灰颗粒。

氢氧化锂(LiOH)是分子量最低的碱金属氢氧化物（Na：23g/mol；Li：7g/mol），因此自阿波罗计划以来在太空飞行中用作CO2吸收剂以减轻发射时的重量。在阿波罗13号飞行期间，躲在登月舱中的机组人员开始遭受高二氧化碳浓度的困扰，不得不将阿波罗太空舱中的备用吸收剂筒改装到LEM系统中。

新一代CO2吸收剂已被开发出来，以降低由于吸收剂与吸入麻醉剂（氟烷）之间的相互作用而形成有毒副产物的风险。一些由氢氧化锂(LiOH)制成的吸收剂也可用于此目的。

循环呼吸器使用

呼出的气体必须通过二氧化碳洗涤器，二氧化碳在该气体可供再次呼吸之前被吸收。在循环呼吸器中，洗涤器是呼吸回路的一部分。1996年，美国海军舰队不再使用彩色指示染料，因为它被怀疑会向电路中释放化学物质。在较大的环境中，例如再压缩室或潜艇，风扇用于维持通过洗涤罐的气流。

化学反应

总体反应是：
CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O + 热（在有水的情况下）
每摩尔CO2（44克）与一摩尔氢氧化钙（74克）反应生成一摩尔水（18克）。

该反应可以被认为是强碱催化的水促进反应。

二氧化碳与碱石灰的反应机理可分解为三个基本步骤：

1. CO 2 ( g ) ↽ − ⇀ CO 2 ( aq ) {displaystyle {ce {CO2(g) <=>>; CO2(aq)}}}（CO2溶解在水中——缓慢且决定速率）
2. CO 2 ( aq ) + NaOH ⟶ NaHCO 3 {displaystyle {ce {CO2(aq) + NaOH -> NaHCO3}}}（在高pH值下形成碳酸氢盐）
3. NaHCO 3 + Ca ( OH ) 2 ⟶ CaCO 3 + NaOH + H 2 O {displaystyle {ce {NaHCO3 + Ca(OH)2 -> CaCO3 + NaOH + H2O}}}（NaOH循环到步骤2 – 因此是催化剂）

这一系列反应解释了氢氧化钠在系统中起到的催化作用，以及为什么碱石灰的化学反应性比单独使用氢氧化钙更快。潮湿的NaOH浸渍具有高比表面积的氢氧化钙颗粒的表面和孔隙率。它的反应速度更快，因此有助于更快地从再呼吸回路中消除CO2。反应生成的水和呼吸产生的水分也充当反应的溶剂。水相中的反应通常比干燥气体和干燥固体之间的反应更快。碱石灰常用于闭路潜水循环呼吸器和麻醉系统中。

碱金属氢氧化物的相同催化作用（水泥中Na2Oeq含量的函数）也有助于混凝土中大气中的CO2使硅酸盐石碳化，尽管反应前沿的传播速度基本上受到混凝土基质内CO2扩散的限制少孔。

与碱-硅反应的类比

与上述类似的反应也是由氢氧化钠催化的碱-二氧化硅反应，这是一种缓慢的降解过程，会导致含有富含活性无定形二氧化硅的骨料的混凝土膨胀和开裂。以非常相似的方式，NaOH极大地促进了无定形二氧化硅的溶解。产生的硅酸钠然后与硬化水泥浆体中存在的氢氧化钙（钙钙石）反应，形成水合硅酸钙（在水泥化学符号中缩写为C-S-H）。Ca(OH)2的这种硅化反应不断地在溶液中再次释放氢氧化钠。