Oznaczanie toksyczności produktów spalania – przegląd stanu wiedzy

• Autorzy: Porowski R. , Kuźnicki Z. , Małozięć D. , Dziechciarz A.

Identyfikatory

DOI

10.12845/bitp.52.4.2018.5

Warianty tytułu

EN

Determination of Toxicity in Combustion Products – State of the Art

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Cel: Celem artykułu jest przedstawienie przeglądu stanu wiedzy w zakresie oceny toksyczności produktów spalania, emitowanych przede wszystkim podczas rozwoju pożaru w pomieszczeniach. Opisano prace badawcze prowadzone przez ośrodki naukowe na całym świecie, ze szczególnym nastawieniem na badania eksperymentalne w zakresie zjawiska oznaczania toksyczności produktów spalania oraz mierzone podczas tych badań parametry wpływające na zdrowie i życie ludzi. Wyjaśniono również podstawy teoretyczne związane z oddziaływaniem toksycznych produktów spalania, scharakteryzowano czynniki mające wpływ na ich powstanie podczas procesów spalania, jak również parametry krytyczne niezbędne do oceny toksyczności produktów spalania. Wprowadzenie: Najczęstszą przyczynę śmierci w pożarach stanowi oddziaływanie na organizm ludzki toksycznych gazów. Gazowe produkty spalania – takie jak tlenek węgla i cyjanowodór – są głównym składnikiem toksyn prowadzących do zgonu. Do produktów spalania zalicza się również inne gazy duszące czy drażniące. Ich działanie w układzie oddechowym, w przeciwieństwie do tlenku węgla, polega głównie na utrudnieniu oddychania poprzez powstający śluz. Drażniące działanie na oczy utrudnia ucieczkę z miejsca objętego pożarem. W związku z powyższym pojawia się potrzeba szczegółowych badań nad toksycznością produktów spalania poszczególnych materiałów i wyrobów budowlanych, które są powszechnie stosowane w architekturze oraz budownictwie. Bez wątpienia należą do nich również kable elektryczne, których powłoki zewnętrzne składają się z licznych polimerów i innych tworzyw sztucznych. Każdy pożar charakteryzuje się określonymi etapami rozwoju. Pierwszy z nich stanowi prawie zawsze powolny rozkład termiczny. Temperatura, w jakiej materiał zostaje poddany rozkładowi termicznemu, również ma duże znaczenie dla rodzaju i ilości uwalniających się substancji chemicznych. Metodologia: Artykuł został opracowany na podstawie przeglądu literatury oraz dostępnych wyników prac naukowych dotyczących oznaczania toksycznych produktów spalania – szczególnie podczas rozwoju pożarów w pomieszczeniach. Wnioski: W środowisku pożaru odkryto dużą ilość znanych chemikaliów o właściwościach drażniących. Wytwarzają się one podczas pirolizy i utleniania materiałów. Produkty spalania powstałe z różnych materiałów są często bardzo podobne. Dla wielu tworzyw organicznych, a szczególnie dla prostych polimerów węglowodorowych (takich jak polipropylen lub polietylen) główne produkty pirolizy składające się z różnych fragmentów węglowodorowych są nieszkodliwe. Kiedy polipropylen poddany jest pirolizie, powstają produkty takie jak etylen, etan, propen, cyklopropan, metanal, butan, aldehyd octowy, toluen, styren, a ich atmosfera nie ma wpływu na ssaki naczelne. Gdy produkty zostaną utlenione podczas bezpłomieniowego rozkładu w powietrzu, niektóre z nich są przekształcane w bardzo drażniące produkty. Taka atmosfera okazała się silnie drażniąca dla myszy i ssaków naczelnych. Oprócz toksycznych gazów pożarowych, utratę podstawowych funkcji życiowych w organizmie ludzkim podczas pożaru może również powodować dym. Ogranicza on nie tylko widoczność, ale także zawiera rozdrobnioną materię, która jest na tyle mała, by stwarzać zagrożenie dla układu oddechowego. Rozkład wielkości cząstek zależy od materiału, temperatury i stanu pożaru. Typowy rozmiar kulistych kropelek dla spalania tlącego wynosi 1 μm, podczas gdy nieregularne cząstki sadzy są znacznie większe. Ich badanie jest jednak bardziej wymagające i w znacznym stopniu zależne od technik pomiaru i próbkowania.

EN

Aim: The aim of this paper is to present the state of the art on toxicity assessment of combustion products which may occur during indoor fire development. The authors described the results of studies carried out by research institutions all over the world, with a particular focus on the determination of combustion products and parameters measured during such studies which have an impact on human life and the environment. An outline was also presented of the fundamental and theoretical aspects of mechanisms of toxic combustion product formation and certain factors contributing to such formation during combustion processes as well as critical parameters which may prove essential for the assessment of combustion product toxicity. Introduction: Most of deaths caused by fires result from the impact of toxic gases on the human body. Gaseous combustion products, such as, carbon monoxide and hydrogen cyanide, are the major components of lethal toxins. The combustion products also include other asphyxiant or irritant gases. Their action in the respiratory system, in contrast to carbon monoxide, consists mainly in causing difficulty of breathing as a result of the produced mucus. And their eye-irritating effect makes it difficult to escape from the place of the fire given the limited visibility caused by smoke. Due to the above, there is a need for detailed research on the toxicity of combustion products of specific construction materials and products that are commonly used in architecture and construction. The materials and construction products in question include electric cables, whose external coatings often contain a whole range of polymers and other plastics. Each fire is characterised by specific stages of development. The first of them will almost always be a slow thermal breakdown. The temperature at which the material is subjected to thermal decomposition is also important for the type and amount of chemicals released. Methodology: The paper was prepared on the basis of the state of the art taken from the available literature and research results on determination methods of toxic combustion products in particular during indoor fire development. Conclusions: A large number of known irritant chemicals have been found in the fire environment. Irritant chemicals are formed during the pyrolysis and oxidation of materials, and the combustion products of various materials are often very similar. For many organic materials, and especially for simple hydrocarbon polymers, such as polypropylene or polyethylene, the main pyrolysis products consisting of various hydrocarbon fragments are harmless. Polypropylene pyrolysis products include ethylene, ethane, propene, cyclopropane, formaldehyde, butane, acetaldehyde, toluene and styrene are formed, which do not affect primates. When products are oxidised during flameless decomposition in the air, some of them are transformed into very irritating products. Such an atmosphere proved strongly irritating to mice and primates. In addition to toxic fire gases, the loss of basic vital functions in humans during a fire can also be caused by smoke. It not only limits visibility, but also contains fragmented matter, which is small enough to pose a threat to the respiratory system. The particle size distribution depends on the material, temperature and stage of the fire. The typical size of spherical droplets for smoldering is 1 μm, while irregular soot particles are considerably larger, harder to identify and heavily dependent on the measurement and sampling methods.

Słowa kluczowe

PL

toksyczność pożarowa; produkty spalania; gazy pożarowe

EN

fire toxicity; combustion products; fire effluents

• Wydawca: Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 52, iss. 4
• Strony: 82--98
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab., wz.

Twórcy

autor

Porowski R.

• Wydział Inżynierii Środowiska, Geomatyki i Energetyki, Politechnika Świętokrzyska / Faculty of Environmental, Geomatic and Energy Engineering, Kielce University of Technology
• Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej – Państwowy Instytut Badawczy / Scientific and Research Centre for Fire Protection – National Research Institute

autor

Kuźnicki Z.

• Wydział Inżynierii Środowiska, Geomatyki i Energetyki, Politechnika Świętokrzyska / Faculty of Environmental, Geomatic and Energy Engineering, Kielce University of Technology

autor

Małozięć D.

• Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej – Państwowy Instytut Badawczy / Scientific and Research Centre for Fire Protection – National Research Institute

autor

Dziechciarz A.

• Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej – Państwowy Instytut Badawczy / Scientific and Research Centre for Fire Protection – National Research Institute

Bibliografia

• [1] Stec A.A.,. Hull T.R, Fire toxicity, Wydawnictwo CRC Press, USA, 2010.
• [2] Węgrzyński W., Vigne G., Experimental and numerical evaluation of the influence of the soot yield on the visibility in smoke in CFD analysis, „Fire Safety Journal” 2017, 91, 389–398.
• [3] Telejko M., Zender-Świercz E., Attempt to Improve Indoor Air Quality in Kindergartens, „Proceedia Engineering”, 2016, 161, 1704–1709.
• [4] Zender-Świercz E., Telejko M., Impact of Insulation Building on the Work of Ventilation, „Proceedia Engineering” 2016, 161, 1731–1737.
• [5] Jankowska G., Przygocki W., Włochowicz A., Palność polimerów i materiałów polimerowych, WNT, Warszawa 2007.
• [6] Porowski R., Awaryjne uwolnienia substancji palnych do środowiska, Wydawnictwo Szkoły Głównej Służby Pożarniczej, Warszawa 2017.
• [7] Porowski R., Wprowadzenie do analizy termicznej polimerów, „Tworzywa Polimerowe w Przemyśle” 2018, 5, 26–33.
• [8] Porowski R., Węsierski T., Małozięć D., Application of data statistics for fire risk analysis in residential buildings, „Archivum Combustionis” 2016, 36(2), 147–158.
• [9] Hertzberg T., Blomqvist P., M. Dalene M., Skarping G., Raport z Projektu badawczego nr 324–021, Particles and isocyanates from fires, SP Swedish National Testing and Research Institute, 2003.
• [10] Blomqvist P., Rossel L., Simonson M., Emissions from fires, Part 1: Fire retarded and non-retarded TV-sets, „Fire Technology” 2004, 40, 39–58.
• [11] Blomqvist P., Rossel L., Simonson M., Emissions from fires, Part 2: Simulated room fires, „Fire Technology” 2004, 40, 59–73.
• [12] Giebułtowicz J., Rużycka M., Wroczyński P., Pursuer D.A., Stec A.A., Analysis of fire deaths in Poland and influence of smoke toxicity, „Fo-rensic Science International” 2017, 277, 77–87.
• [13] Hull T.R., Lebek K., Paul K.T., Correlation of toxic product yields from tube furnace tests and large scale fires, Proceedings of the 8 International Symposium of Fire Safety Science, 2015, 1059–1070.
• [14] Hull T.R., Lebek K., Pezzani M., Messa S., Comparison of toxic product yields of burning cables in bench and large-scale experiments, „Fire Safety Journal” 2008, 43, 140–150.
• [15] Gann R.G., Babrauskas V., Peacock R.D., Hull J.R., Fire conditions for smoke toxicity measurements, „Fire and Materials” 1994, 18, 193–199.
• [16] ISO/TR 19700 Controlled equivalence ratio method for determination of hazardous components of fire effluents. Steady-state tube furnace, 2016.
• [17] ISO 19702 Guidance for sampling and analysis of toxic gases and vapours in fire effluents using Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy, 2015
• [18] Smith B.C., Fundamentals of Fourier Transform Infrared Spectroscopy, Wydawnictwo CRC Press, Boca Raton 2011.
• [19] Porowski R., Gieras M., Laboratorium Spalania, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2018.
• [20] PN-EN 45545-2+A1, Kolejnictwo. Ochrona przeciwpożarowa w pojazdach szynowych. Część 2: Wymagania dla materiałów i elementów w zakresie właściwości ogniowych, 2015.
• [21] PN-B-02855 Ochrona przeciwpożarowa budynków. Metoda badania wydzielania toksycznych produktów rozkładu i spalania materiałów, PKN, 1988.
• [22] Półka M., Analiza toksyczności produktów rozkładu termicznego i spalania uzyskanych z wybranych materiałów epoksydowych, BITP Vol. 19 Issue 3, 2010, pp. 73–82.
• [23] ISO 13344 Estimation of the lethal toxic potency of fire effluents, 2004.
• [24] ISO 13571 Life-threatening components of fire – Guidelines for the estimation of time to compromised tenability in fires, 2012.
• [25] Babrauskas V., Ignition Handbook: Principles and Applications to Fire Safety Engineering, Fire Investigation, Risk Management and Forensic Science, Fire Science Publishers, 2003.
• [26] Gałaj J., Jaskółowski W., Konecki M., Tofiło P., Tuśnio N., Interaktywna modułowa platforma oceny zagrożenia pożarowego budynków jako narzędzie wspomagające projektowanie budynków i obiektów budowlanych, „Zeszyty Naukowe SGSP” 2013, 47(3), 161–175.