材料燃燒產(chǎn)物的毒性及評(píng)價(jià)方法

1、材料燃燒產(chǎn)物的毒性及評(píng)價(jià)方法安徽省消防總隊(duì)吳勇房林摘要造成火災(zāi)中人員傷亡的主要原因是有毒煙氣,開(kāi)展對(duì)火災(zāi)煙氣毒性的研究具有重要的意義.氣體毒性研究的主要目的是為了評(píng)價(jià)各種建筑材料在火災(zāi)條件下的毒性,長(zhǎng)期以來(lái)在如何評(píng)估火災(zāi)煙氣的潛在 危害和如何用實(shí)驗(yàn)方法得到精確數(shù)據(jù)方面一直存在爭(zhēng)論.本文重點(diǎn)探討國(guó)際上在該領(lǐng)域中常見(jiàn)的一些毒性 評(píng)估和實(shí)驗(yàn)方法.關(guān)鍵詞火災(zāi)可燃材料煙氣毒性毒性評(píng)估統(tǒng)計(jì)結(jié)果說(shuō)明,火災(zāi)中85%Z上的死亡者是由于煙氣的影響所致,其中大局部是吸入了煙塵及有毒氣體昏迷而致死的.為減少火災(zāi)中的人員傷亡,減少煙氣中毒死亡率是很重要的,這就需要了解火災(zāi)中材料 熱解和燃燒時(shí)產(chǎn)生的有毒氣體以及化學(xué)混合物

2、燃燒產(chǎn)物之間的相互作用.1材料燃燒產(chǎn)物的毒性目前研究煙氣毒性主要關(guān)注的是其致死后果,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)說(shuō)明在美國(guó)大約69%勺火災(zāi)死亡與轟燃后的狀況有關(guān),其中絕大局部死亡發(fā)生在起火房間的外部.所以目前主要研究的是轟燃后的火災(zāi)煙氣毒性,其中 有一些氣體被認(rèn)為是主要的毒性氣體.1 1 一氧化碳?xì)怏wCO在火災(zāi)煙氣中是最主要的致死性氣體,是唯一已被證實(shí)造成大量火災(zāi)死亡的氣體,已引起世界各國(guó)足夠的注意.1972-1977年美國(guó)的Berl和Halpin對(duì)馬里蘭因火災(zāi)葬身的 463人進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：48%勺死亡 者血液內(nèi)血紅蛋白的含量到達(dá)了致命的水平超過(guò)50%; 26%勺死亡者血 紅蛋白含量為3050%但這些人或是暴露在

3、氧化物里或是有先天性的心臟病,所以這些量的CO足以致死.從這些數(shù)據(jù)可以看出,由CO致死的人數(shù)到達(dá)了 3/4以上.大多數(shù)材料燃燒時(shí) CO產(chǎn)生速率材料每損失1kg產(chǎn)生的CO氣體質(zhì)量是一樣的, 但燃燒速率的不同其毒性大小就有所差異.2 2 HCl氣體在室內(nèi)傳播規(guī)律的研究火災(zāi)中由聚合物分解釋放的HCl毒性已引起廣泛重視.HCl通常被認(rèn)為是一種隨著其他燃燒產(chǎn)物一起擴(kuò)散的不會(huì)損失的氣體.但研究說(shuō)明,HCl在火災(zāi)環(huán)境下的空氣中不會(huì)停留很長(zhǎng)時(shí)間.化學(xué)反響會(huì)使其濃度降低.HCl的衰減現(xiàn)象很重要,在火災(zāi)氣體抽樣分析中 HCl的體積占1/3 ,所以在考慮火災(zāi)危害特別是含 有PVC材料的危害時(shí),HCl的衰減就應(yīng)特別注

4、意,以防止過(guò)高估計(jì)其危害.而其他燃燒產(chǎn)物如CO其濃度主要是由于物理過(guò)程而降低的,所以在研究CO遷移的時(shí)候主要是考慮建筑物的結(jié)構(gòu)對(duì)其的影響.2火災(zāi)煙氣毒性的評(píng)價(jià)方法3 1火災(zāi)預(yù)測(cè)毒性的表達(dá)方法和模式一般采用LG0作為煙氣毒性的衡量標(biāo)準(zhǔn), 其定義為：某種氣體能導(dǎo)致 50%勺動(dòng)物死亡的濃度mg/L或其 他濃度單位.需要指出的是該參數(shù)值并不是材料的固有特性,它和測(cè)試動(dòng)物、測(cè)試儀器、材料燃燒所產(chǎn)生 的毒性,尤其是動(dòng)物在煙氣中暴露的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān).一般情況下,L面值的大小和暴露時(shí)間成反比,通常在 實(shí)驗(yàn)中取暴露時(shí)間為 30 min 以及隨后14 d的觀察期NIST首先提出了 N氣體模為了降低測(cè)試所需的花費(fèi)和動(dòng)

5、物的使用數(shù)量,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)研究所 型,用該模型預(yù)測(cè)建筑火災(zāi)中煙氣毒性的大小.其假設(shè)為：火災(zāi)中大多數(shù)材料的燃燒毒性主要是由為數(shù)不多的N種氣體產(chǎn)生的.這個(gè)假設(shè)已被很多實(shí)驗(yàn)所證實(shí).這幾種氣體是CQ CO, HCN HCl和HBr以及考慮到缺氧的后果.一般用劑量有效分?jǐn)?shù) FED來(lái)描述N-氣體模型中氣體整體作用的毒性大小,其公式如下:FED = X其中C,是第1種氣,體的濃度.柒p N1ST研究的主盤(pán)氣體毒性和它們之間的互 相影響,N氣體模型通常用下式來(lái)表示*F忖門(mén) - -Cm_ 21 _ 4./園7 一 百二7 十 LClfHNC十 21 - K5.工十C3Gl經(jīng)驗(yàn)值m和b分別由實(shí)驗(yàn)確定：在 C

6、Q體積濃度0 5%寸分另I為-18和122000.中CQ體積濃度5%寸分別為23和-38600.對(duì)于Q,主要是考慮其消耗引起的毒性作用；這樣上式中 Q的形式就是21-C.?,線性項(xiàng)中 HCN HCl,HBr 的 LC5.值分另 J為：0.15X10 -3 mg/L,0.38 xi0-2mg/L 和 0.3 x 10-2 mg/L.另外一個(gè)用來(lái)評(píng)估煙氣毒性的參數(shù)是濃度的有效分?jǐn)?shù)FEC,它主要考慮的是刺激性氣體的整體效果,其定義為：各刺激性氣體的濃度與各自標(biāo)準(zhǔn)濃度的比值之和,如下式.式中C為其它刺激性氣體,標(biāo)準(zhǔn)濃度IC是指該氣體濃度超過(guò)這個(gè)值時(shí)會(huì)對(duì)人員造成危險(xiǎn)ISQ/TR9122-1對(duì)各氣體的IC

7、值作了規(guī)定.FED和FEC是分別從兩個(gè)不同的方面對(duì)氣體的毒性作用進(jìn)行分析的,它們之間是相互獨(dú)立的,有各自的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn).2 2研究火災(zāi)煙氣毒性常用的實(shí)驗(yàn)方法目前主要是應(yīng)用小尺度實(shí)驗(yàn)方法來(lái)研究材料燃燒產(chǎn)生煙氣的毒性.至于如何將小尺度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用于真實(shí)條件,也是當(dāng)前研究的方向之一.2 2 1火災(zāi)毒性根底性實(shí)驗(yàn)方法 1991年NIST開(kāi)始利用不同尺度的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)估計(jì)真實(shí)火災(zāi)煙氣的毒性, 他們提供了兩種小尺度實(shí)驗(yàn)方法：NBS Cup Furnace法和SwRI/NIST法.實(shí)驗(yàn)中,先對(duì)由燃燒爐燃燒材料產(chǎn)生的煙氣成分進(jìn)行分析,之后煙氣全部輸送到動(dòng)物暴露室中.動(dòng)物 在煙氣中暴露30 min后再進(jìn)行14 d

8、的觀察,得出動(dòng)物在該期間的死亡率.亞W果蜂孔圖1 NBS Cup Furnace 法實(shí)驗(yàn)裝置圖i/動(dòng)物室膨脹孔煩囪羞一一0 6 0 0 0 0 m ,一/, rWF煙囪幅射Ui熱器試樣立臺(tái)電子天平圖2 SwRI/NIST法實(shí)驗(yàn)裝置圖NBS Cup Furnace法的主要實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1, SwRI/NIST法的主要實(shí)驗(yàn)裝置如圖 2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：在用 N-氣體模型分析時(shí),小尺度測(cè)試的效果很好,可以提供有用的數(shù)據(jù),并能較好地 反響真實(shí)尺度的煙氣性質(zhì).2 2 2進(jìn)一步的改良研究說(shuō)明,不同氣體之間的組合會(huì)增加或降低煙氣的毒性.混合氣體包括NO+CQ,NG+CQ NQ+Q, NQ+HC附口 NQ以及C

9、Q和HCN的混合物.在該實(shí)驗(yàn)條件下得到的各混合氣體的毒性強(qiáng)度如下：(1)NQ2：在僅有NQ氣體的實(shí)驗(yàn)中,動(dòng)物死亡只發(fā)生在觀察期內(nèi),其觀察期內(nèi)LCo的值為200 ppm.(2)NQ2+CQ:CQ加到NQ氣體中會(huì)增強(qiáng)該氣體的毒性, 在觀察期內(nèi),NQ加5%CCK體的LG.值為90 ppm(NQ 毒性加倍).(3)NQ2+CQ CQ僅在暴露期內(nèi)會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物死亡,其在 30分鐘內(nèi)的LG.值為6600 ppm=在有200 ppmNQ存在的情況下,CO在暴露期內(nèi)的毒性會(huì)加倍.同樣CO的存在也會(huì)使NO在觀察期內(nèi)的毒性增加.(4)NOz+O: Q在30分鐘內(nèi)的LG0值為5.4%.在有200 ppm的NO存在的其值

10、上升到 6.7%.同時(shí)在 Q 濃度為6.7%時(shí)發(fā)現(xiàn),只要99 ppm的NO便可以使50%勺動(dòng)物死亡.(5)NO2+HCN實(shí)驗(yàn)說(shuō)明這兩種氣體混合會(huì)使整體毒性降低.實(shí)驗(yàn)中,HCNfc 30分鐘內(nèi)的L.值為200 ppm而在有200 ppm的NO存在的情況下,HCNfc 30分鐘內(nèi)的LG值變?yōu)?80 ppm.(6)NOz, CO和HCN的混合物：實(shí)驗(yàn)說(shuō)明在有5%勺CO存在時(shí),HCNf口 NO的毒性都會(huì)增加.在有200 ppm 的NO存在的情況下,動(dòng)物暴露在HCNK體中的死亡率比只有 HCN的時(shí)候低,但是這種效果在觀察期內(nèi)是不明顯的.而CO的存在恰可以使 HCNS觀察期內(nèi)的毒性降低.(7)CO, CO

11、, NO, Q和HCN的混合物：根據(jù)實(shí)驗(yàn)提出了包含 NO的N-氣體模型:i .心 “ 0.4C NOS 1 ACM(liCN) X zr十C鵬I I Chu工吁_/鼠*LC(NOt)f “(HCI)十 LCCHEt)通過(guò)這些研究,可以得到一個(gè)比擬重要的結(jié)論：轟燃后的火災(zāi)中產(chǎn)生 CO的量幾乎只依賴于燃料與空氣 的比例而與燃料的化學(xué)組成關(guān)系較??；轟燃后的火災(zāi)中約每克燃料會(huì)產(chǎn)生0.2 g的CQ3建筑材料燃燒毒性的評(píng)價(jià)NIST在對(duì)轟燃后的火災(zāi)進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn),煙氣中CO的體積比例約為1/5, CO在轟燃后的火災(zāi)中占有主要地位,其煙氣的LG.值約為25g/m3,這樣就可以將各材料燃燒產(chǎn) 生煙氣的LG.值與

12、25 g/m 3相比擬以 評(píng)估其毒性.實(shí)驗(yàn)說(shuō)明很多普遍建筑和裝修材料的LG值高于25g/mnL這些材料主要有：木材和其他纖維；只含有C, H和O的人造材料等.還有一種方法即毒性指數(shù)法.在這種方法中,毒性平衡曲線定義為：C=G(C1/Cf2),其中C:成分1的濃度；G:成分2的濃度；Ci :成分1的致命濃度； f 成分2的致命濃度；一般取暴露在該氣體中510 min的致命濃度.該曲線可用來(lái)分析材料燃燒產(chǎn)生氣體過(guò)程中各成分對(duì)毒性作用的重要性.如在橫坐標(biāo) 為CO濃度,縱坐標(biāo)為HCNt度的圖中,假設(shè)在不同條件下燃燒某種材料,測(cè)得的該兩種氣體成分在圖中的坐標(biāo)點(diǎn)如圖3所示(圖中不同形狀的點(diǎn)代表了不同的燃料

13、材料),由于大多數(shù)點(diǎn)都在 HC而CO的毒性平衡曲線的下方,說(shuō)明CO的毒性作用更重要.JO3 6400510CO(%)圖3用平衡曲線分析 HCN CO氣體成分毒性大小的示意圖總毒性指數(shù)為：N C i/Cfi,其中C是成分i的濃度,G是成分i的致命濃度510min的暴露 時(shí)間,這里對(duì)各種氣體的毒性作用是同等對(duì)待的.這個(gè)指數(shù)可用來(lái)評(píng)價(jià)各種建筑材料的毒性大小,其值越大那么毒性越大.在用總毒性指數(shù)進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn),在火災(zāi)三種主要致死因素中,最重要的是氣體毒性,其 次是熱的作用,最后是缺氧.3 1建筑物平安逃生標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估對(duì)建筑物平安逃生標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估主要是借助于文中提到的兩個(gè)氣體毒性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)FED口 FEC 一

14、般認(rèn)為,當(dāng)FED的值小于0.1時(shí),對(duì)暴露在其中的人員來(lái)說(shuō)是平安的,而FEC大于1.0時(shí),對(duì)大局部人員會(huì)造成傷害.在評(píng)估時(shí),如果人員疏散時(shí)間超過(guò)FED到達(dá)0.1或FEC到達(dá)1.0 的時(shí)間,那么該建筑物被認(rèn)為是不安全的.4對(duì)火災(zāi)煙氣毒性研究的思考火災(zāi)煙氣除了對(duì)人的生命造成傷害外,還會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的破壞.目前興旺國(guó)家越來(lái)越重視這一研 究課題,而我國(guó)在這方面的研究相對(duì)還比擬薄弱,迫切需要增強(qiáng)此類(lèi)研究.主要問(wèn)題有以下幾點(diǎn)：1研究影響火災(zāi)中煙氣毒性的主要因素,即LG標(biāo)準(zhǔn)能否反映材料在火災(zāi)中的毒性效果,是否有其他更重要的因素決定材料的燃燒毒性,如材料的燃燒速率；2研究N-氣體模型的適用范圍和準(zhǔn)確度.一方面

15、通過(guò)實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集發(fā)現(xiàn)是否有其它毒性氣體存在并將其參加到N氣體模型當(dāng)中,另一方面通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究確定N氣體模型更準(zhǔn)確的形式以及更有效的適用范圍；3增強(qiáng)對(duì)用小尺度模型實(shí)驗(yàn)適用性的研究,即研究小尺度實(shí)驗(yàn)的局限性以及如何將小尺度實(shí)驗(yàn)的結(jié)果應(yīng)用于真實(shí)尺度的情況；4利用現(xiàn)有的方法對(duì)目前常用的建筑材料進(jìn)行毒性評(píng)估,計(jì)算出火災(zāi)中毒性發(fā)生的速度,為人員平安逃生提供科學(xué)依據(jù).參考文獻(xiàn):1 Levin B C,et al.Further development of the n-gas mathematical mo del.American Chemical Society,1995,Chapter 202 Babrauskas Vet al.The role of bench-scale test data in assessing real- scale fire toxicity.NIST Technical Note 1284,January 19913 Galloway F M,et al.Transport and decay of hydrogen chloride:Use of a mode l to predict hydrogen chloride concentrations in fires involv