Способ оценки токсичности продуктов горения материалов

Способ оценки токсичности продуктов горения материалов

Реферат

Изобретение относится к физико-химическим методам измерения и может быть использовано при определении показателя токсичности продуктов горения материалов, используемых в шахтах.

Известен метод экспериментального определения показателя токсичности продуктов горения твердых полимерных материалов, заключающийся в том, что материал испытывают в камере в одном из двух режимов - термоокислительного разложения или пламенного горения, а именно в режиме, способствующем выделению более токсичных смесей летучих веществ (ГОСТ 12.1.044-89. ССБТ. Пожаровзрывобезопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. - М. - С.81-86). По достижении максимальных значений концентрации СО и CO₂ в экспозиционной камере снимают напряжение с нагревательного элемента излучателя, вентилируют установку в течение 10 мин и регистрируют число погибших и выживших животных (белых мышей).

За показатель токсичности продуктов горения принимают отношение количества материала к единице объема замкнутого пространства, в котором образующиеся при горении материала газообразные продукты вызывают гибель 50% подопытных животных. По значению этого показателя (СН_CL50) материалы могут быть отнесены к следующим классам опасности: чрезвычайно опасные, высокоопасные, умеренно опасные и малоопасные.

К недостаткам известного метода следует отнести то, что методические вопросы определения показателя токсичности разрабатывались для целей испытания только твердых полимерных материалов. При этом метод не распространяется на порошкообразные и жидкие вещества, оценка токсичности которых также во многих случаях необходима. Кроме того, требует изменений сам подход к определению показателя токсичности, основанный на эмпирической токсикометрии (испытания с экспозицией животных).

Известен способ определения показателя токсичности продуктов горения материалов экспериментально-расчетным методом, сущность которого заключается в том, что в процессе испытания измеряют концентрацию основных токсичных газов, выделяющихся в составе продуктов горения, и по данным измерений рассчитывают значения показателя токсичности, которые затем проверяют в контрольном эксперименте с экспозицией подопытных животных (Ж. Пожаровзрывобезопасность, 2005. - №3. - С.29-34).

Для определения показателя токсичности вычисляют суммарный индекс токсичности (Km), для чего используют формулу

где C_CO, С_CO2, C_50i - средние концентрации газов, полученные при испытании, мг/м³;

CL_50CO CL_50CO2, CL_50i - средние смертельные концентрации газов при изолированном 30-минутном воздействии на подопытных животных.

Значения показателя токсичности продуктов горения рассчитывают по формуле

где m₀ - масса образца до испытания, г;

V_k - внутренний объем установки при испытании, м³.

К недостаткам известного способа определения показателя токсичности продуктов горения материалов следует отнести:

невысокую степень достоверности оценки, т.к. средние смертельные концентрации газов для разных условий и объектов испытаний могут отличаться в несколько раз;

необходимость выполнения большого количества измерений и расчетов.

Техническим результатом изобретения является повышение достоверности оценки токсичности продуктов термодеструкции материалов за счет использования таких показателей, как предельно допустимые концентрации газов (ПДК) для воздуха рабочей зоны, и исключение необходимости проведения испытаний с экспозицией животных.

Предложен способ оценки токсичности продуктов горения материалов, включающий измерение концентраций токсичных газов, выделяющихся в процессе термодеструкции образца, и определение показателя токсичности.

Отличием предложенного способа является то, что газовые компоненты, полученные в результате термодеструкции образца, оценивают на однонаправленность действия, определяют удельные массы токсичных газов и приводят их к значению одного из них с наиболее выраженным действием, которое принимают за показатель токсичности:

где G₁, G₂...G_n - удельные массы токсичных газов, мг/г;

ПДК₁, ПДК₂...ПДК_n - предельно допустимые концентрации вредных веществ для воздуха рабочей зоны, мг/м³.

Другим отличием предложенного способа является то, что удельные массы токсичных газов однонаправленного действия приводят к удельной массе оксида углерода и при значениях приведенной удельной массы до 40 мг/г материалы относят к малоопасным, при значениях от 40 до 120 мг/г - умеренно опасным, при значениях от 120 до 360 мг/г - высокоопасным и при значениях более 360 мг/г - чрезвычайно опасным.

Сущность предложенного способа поясняется примером.

Пример.

Для оценки токсичности продуктов горения конвейерной ленты 2ШТК 200×4 изготавливают образец с площадью основания 2,88-10^-4 м² и массой 6,1·10^-3 кг. Для исследования термической деструкции материалов может быть использована установка по свидетельству РФ на полезную модель №14083 конструкции НЦ ВостНИИ.

В качестве источника горения используют керамическую реакционную камеру с регулируемой температурой от 100 до 1000°С. Контроль температуры осуществляют с помощью платиновых термопар. Образец перед испытанием кондиционируют, т.е. выдерживают в стандартной атмосфере при температуре 23±2°С и влажности 50-60% (ГОСТ 12.1.044-89). В режиме пламенного горения (температура 700°С) время деструкции образца материала составляет 125 с при расходе воздуха в реакционной камере 1,67×10^-4 м³/с.

Качественный и количественный анализ газов, полученных в результате термодеструкции образца, проводят на хроматографе и фотоколориметре.

За время деструкции (τ) масса образца уменьшилась на 3,6·10^-3 кг и составила 2,5·10^-3 кг, при этом были получены следующие газовые компоненты: СО, CO₂, NO+NO₂, HCI и HCN со значениями концентраций соответственно 19,5·10³; 49,3·10³; 1,7; 47,3; 4,5 мг/м³.

Удельную массу токсичных газов, образовавшихся при термической деструкции материала, определяют по формуле:

где С_i - концентрация газа, мг/м³;

V - расход воздуха в реакционной камере, м³/с;

τ - время деструкции образца, с;

Δm - масса сгоревшего материала, г.

G_CO=113,1 мг/г;

G_CO2=287,6 мг/г;

G_NO+NO2=0,01 мг/г;

G_HCl=0,27 мг/г;

G_HCN=0,026 мг/г.

Присутствующие в воздухе газовые компоненты термодеструкции материала оценивают на однонаправленность действия по ГОСТ 12.1.005-88 (ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны). Значения удельных масс всех вредных веществ продуктов термодеструкции исследуемого материала, обладающих суммацией вредного действия, приводят к значению удельной массы одного из них, обладающему наиболее выраженным действием, например к СО, и данное значение принимают за показатель токсичности (G).

где G₁, G₂...G_n - удельные массы токсичных газов, мг/г;

ПДК₁, ПДК₂...ПДК_n - предельно допустимые концентрации вредных веществ для воздуха рабочей зоны, мг/м³ (определяются из ГОСТ 12.1.005-88, ГН 2.2.5.1313-03, ПБ 05-618-03 Правила безопасности в угольных шахтах).

G=(113,1+287,6·20/9821,4+0,01·20/5+0,27·20/5+0,026·20/0,3)=

=(113,1+287,6·0,002+0,01·4+0,27·4+0,026·66,7)=116,5 мг/г.

Классификация материалов по значению показателя токсичности в предложенном способе принята в соответствии с ГОСТ 12.1.044-89. ССБТ, т.е. в зависимости от значения приведенной удельной массы токсичных газов к СО как к компоненту с наиболее выраженным токсическим действием. Выделяют следующие классы опасности:

до 40 мг/г материалы - малоопасные;

от 40 до 120 мг/г - умеренно опасные;

от 120 до 360 мг/г - высокоопасные;

более 360 мг/г - чрезвычайно опасные.

Таким образом, по значению показателя токсичности (приведенной удельной массы токсичных газов однонаправленного действия) исследуемый материал (конвейерная лента 2ШТК 200×4) относится к умеренно опасным материалам.

Предложенный способ может быть использован для оценки токсичности твердых, порошкообразных и жидких материалов, теоретические основы его соответствуют ГОСТ 12.1.044-89. ССБТ (Пожаровзрывобезопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. - М. - С.81-86) и для его реализации не требуется проведения эмпирической токсикометрии с использованием животных.

1. Способ оценки токсичности продуктов горения материалов, включающий измерение концентраций токсичных газов, выделяющихся в процессе термодеструкции образца, и определение значения показателя токсичности, отличающийся тем, что газовые компоненты, полученные в результате термодеструкции образца, оценивают на однонаправленность действия, определяют удельные массы токсичных газов и приводят их к значению удельной массы одного из них с наиболее выраженным действием, которое принимают за показатель токсичности:

G=G₁+G₂·ПДК₁/ПДК₂+...+G_n·ПДК₁/ПДК_n,

где G₁, G₂...G_n - удельные массы токсичных газов, мг/г;

ПДК₁, ПДК₂...ПДК_n - предельно допустимые концентрации вредных веществ для воздуха рабочей зоны, мг/м³.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что удельные массы токсичных газов однонаправленного действия приводят к удельной массе оксида углерода и при значениях приведенной удельной массы до 40 мг/г материалы относят к группе токсичности - малоопасные, при значениях от 40 до 120 мг/г - умеренно опасные, при значениях от 120 до 360 мг/г - высокоопасные и при значениях более 360 мг/г - чрезвычайно опасные.