Статья: Инновационный метод оценки токсичности продуктов горения материалов

Инновационный метод оценки токсичности продуктов горения материалов

В.А. Уварова (канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»)

Изложена суть экспресс-метода оценки токсичности продуктов горения материалов. Приведены примеры проведения испытаний и оценки класса опасности шахтных материалов по показателю токсичности продуктов горения, проведено сравнение экспресс-метода с аналогичными методами.

Ключевые слова: ТОКСИЧНОСТЬ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ, ЭКСПРЕСС-МЕТОД, ШАХТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, СЕРТИФИКАЦИЯ, ИСПЫТАНИЯ, ПОЖАРООПАСНОСТЬ

токсичность продукт горение шахтный

Частью необходимых испытаний при разработке и сертификации продукции горного машиностроения, а также технологий угледобычи является оценка токсичности продуктов горения веществ и материалов. Этот показатель является одним из критериев пожароопасности самого изделия либо вещества, входящего в состав технологии угледобычи. В настоящее время токсичность продуктов горения (термодеструкции) оценивают по методу экспериментальной токсикометрии по ГОСТ 12.1.044-89 [1].

Согласно этому методу 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. Определение токсичности продуктов горения проводят, используя затравку лабораторных животных, которых помещают в экспозиционную камеру, в конце эксперимента регистрируя 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 (СНCL50) материалы могут быть отнесены к следующим классам опасности: чрезвычайно опасные, высокоопасные, умеренно опасные и малоопасные. Дополнительно проводят исследование погибших животных и определяют содержание карбоксигемоглобина в их крови.

К недостаткам этого 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. Этот метод является трудоемким, длительным и дорогостоящим. Кроме того, требует изменений сам подход к определению показателя токсичности, основанный на экспериментальной токсикометрии (испытания с экспозицией животных).

В течение последних 15 лет ученые и специалисты разных отраслей, занимающиеся испытаниями материалов и определением критериев и оценки пожароопасности, ищут другой, простой и быстрый метод оценки токсичности продуктов горения. Так, специалистами ВНИИПО в 2002 г. был предложен экспериментально-расчетный метод оценки токсичности продуктов горения материалов [2]. Сущность метода 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. Для определения показателя токсичности вычисляют суммарный индекс токсичности, используя значения средних смертельных концентраций газов при изолированном 30-минутном воздействии на подопытных животных.

К недостаткам метода ВНИИПО следует отнести:

- невысокую степень достоверности оценки, т.к. средние смертельные концентрации вредных веществ для разных условий и объектов испытаний (людей и животных) могут отличаться в несколько раз;

- необходимость выполнения большого количества измерений и расчетов, а также то, что способ не исключает проведения экспериментальной токсикометрии.

Экспресс-метод, разработанный учеными ОАО «НЦ ВостНИИ», возник как результат исследований пожароопасных свойств веществ и материалов, проводимых на лабораторной установке «Термодес» ОАО «НЦ ВостНИИ». Эти исследования показали совпадение расчетного определения класса опасности веществ по показателю токсичности продуктов горения с литературными данными испытаний этих же веществ методом экспериментальной токсикометрии [3]. В статье [4] было проведено теоретическое обоснование выбора критерия оценки токсичности продуктов горения материалов, который определяется как сумма значений удельных масс «i» веществ однонаправленного действия, приведенных условно к значению удельной массы «С» одного из них с наиболее выраженным токсическим действием (эталонного вещества). Доказано также, что таким эталонным веществом следует принять углерод оксид (СО) как наиболее массово встречающееся в продуктах горения и токсически значимое вредное вещество. Там же было обосновано использование для вычисления приведенных удельных масс такого общеупотребительного норматива, как ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны. Кроме этого, в результате исследований [5] была выявлена необходимость включения в расчет показателя токсичности аэрозольной фазы, полученной в результате термодеструкции исследуемого образца.

Таким образом, теоретические выкладки, подтвержденные результатами большого массива проведенных исследований, позволили найти новые пути развития теории и методологии оценки токсичности продуктов горения материалов, а также создать на этой основе инновационный экспресс-метод. Сущность экспресс-метода оценки токсичности продуктов горения материалов заключается в измерении концентраций токсичных газов, выделяющихся в процессе горения (термодеструкции) образца, и определении на этой основе показателя токсичности продуктов горения. Газовые и аэрозольные компоненты, полученные в результате термодеструкции образца, оценивают на однонаправленность действия, определяют удельные массы токсичных веществ и приводят их к значению СО как обладающего наиболее выраженным действием. Эту приведенную удельную массу принимают за показатель токсичности gСО и вычисляют по формуле:

, (1)

где gСО - показатель токсичности, мг/г;

M1 - удельная масса СО, мг/г;

M1; M2… Mi - удельные массы токсичных веществ, мг/г;

ПДКсо - предельно допустимая концентрация СО для воздуха рабочей зоны, мг/м3;

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

Удельную массу токсичных веществ (газов и аэрозолей), образовавшихся при термической деструкции материала, определяют по формуле:

, (2)

где Mi - удельная масса i-того токсичного вещества, мг/г;

Сi - концентрация токсичного вещества в реакционной камере, мг/м3;

V - объем реакционной камеры, м3;

m - масса материала, г.

В зависимости от значения показателя токсичности (приведенной удельной массы токсичных веществ к СО, как к компоненту с наиболее выраженным токсическим действием) выделяют следующие классы опасности: 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. Оценку проводят по п. 4.20.4.2ГОСТ 12.1.044-89, что увязывает критерии оценки веществ экспресс-методом с критериями действующего нормативного документа. Повышение достоверности оценки токсичности продуктов горения материалов обеспечивается за счет использования для расчета общепринятых показателей (ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны). Полный цикл испытаний, включая подготовку образцов, термодеструкцию образца в лабораторной установке, качественный и количественный анализ вредных веществ с помощью лабораторных средств измерения (хроматограф, электрофотоколориметр) проводят за 3-4 часа.

Ниже дан пример проведения испытаний и оценки токсичности продуктов горения трех материалов: полиуретана СКУ ПФЛ-100 с антипиреном (производства ОАО «Гидропресс», г. Оренбург), пены монтажной двухкомпонентной полиуретановой «Touch `g Seal» MineFoam 200 (США) и сетки шахтной полимерной (ООО «Фабрика нетканых материалов», Республика Башкортостан, г. Туймазы).

Для исследования термической деструкции материалов использовали установку «Термодес» по свидетельству РФ на полезную модель №14083 [6] конструкции НЦ ВостНИИ. Образцы материалов испытывали в режиме пламенного горения (температура 600 0С). Качественный и количественный анализ газов CO; СО2; NO+ NO2; HCl; SO2; HCN и CH2O, полученных в результате термодеструкции образца, проводили на хроматографах «Кристаллюкс 4000М», «Газохром-2000» и портативном газоанализаторе «Комета-М». Количество аэрозольной фазы определяли весовым методом.

Газовые и аэрозольные компоненты термодеструкции каждого материала оценивали на однонаправленность действия по ГОСТ 12.1.005-88 [7]. Значения удельных масс всех вредных веществ продуктов термодеструкции исследуемого материала, обладающих суммацией вредного действия, приводили к значению удельной массы СО, и данное значение, вычисленное по формуле (1), принимали за показатель токсичности (gСО).

Результаты испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Состав продуктов термодеструкции и показатель токсичности шахтных материалов

Параллельно с испытаниями материалов, проведенными экспресс-методом, были получены результаты испытаний тех же материалов методом экспериментальной токсикометрии, зарегистрированные протоколами других испытательных лабораторий:

- протокол испытаний ИЛ «СЭУ ФПС ИПЛ по Новосибирской области» (материал полиуретана СКУ ПФЛ-100 с антипиреном);

- протокол испытаний ИЛ ИИБС МГСУ (материал пены монтажной двухкомпонентной полиуретановой «Touch `g Seal» MineFoam 200);

- протокол испытаний ИЦ «Судебно-экспертного учреждения федеральной противопожарной лаборатории» по республике Башкортостан (материал сетки шахтной полимерной).

Сравнительная оценка результатов по двум методам, представленная в таблице 2, показала хорошую сходимость, что дает основание рекомендовать экспресс-метод оценки показателя токсичности продуктов горения материалов к использованию наряду с общеупотребительным по ГОСТ 12.1.044-89 [1].

Таблица 2 - Сравнительная оценка определения двумя методами класса опасности материалов по показателю токсичности продуктов горения

Экспресс-метод оценки токсичности продуктов горения материалов защищен патентом [8] и может быть применим для определения показателя токсичности твердых, порошкообразных и жидких материалов на этапах разработки, производства и сертификации продукции. Инновационный экспресс-метод - дешевый и быстрый исключает проведение экспериментальной токсикометрии с использованием животных, а также обеспечивает повышение достоверности оценки класса опасности шахтных материалов по показателю токсичности продуктов горения за счет использования общепринятых нормативов (ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны).