Дым — это суспензия [3] переносимых по воздуху частиц и газов [4], выделяющихся при горении или пиролизе материала , вместе с количеством воздуха, который увлекается или иным образом смешивается с массой. Обычно это нежелательный побочный продукт пожаров (включая печи , свечи , двигатели внутреннего сгорания , масляные лампы и камины ), но он также может использоваться для борьбы с вредителями ( фумигация ), связи ( дымовые сигналы ), защиты и наступления в военные действия ( дымовая завеса ), приготовление пищи или курение ( табак , каннабис и т. д.). Он используется в ритуалах, где сжигают благовония , шалфей или смолу , чтобы создать запах для духовных или магических целей. Это также может быть ароматизатор и консервант.
Вдыхание дыма является основной причиной смерти жертв пожаров в помещениях . Дым убивает в результате сочетания термического повреждения, отравления и раздражения легких , вызванного угарным газом , цианистым водородом и другими продуктами сгорания.
Дым представляет собой аэрозоль (или туман ) из твердых частиц и капель жидкости, размеры которых близки к идеальному диапазону рассеяния Ми видимого света . [5]
Состав дыма зависит от характера горящего топлива и условий горения. Пожары с высоким содержанием кислорода горят при высокой температуре и с небольшим количеством дыма; частицы состоят большей частью из золы или, при больших перепадах температур, из сконденсированного аэрозоля воды. Высокая температура также приводит к образованию оксидов азота . [6] Содержание серы приводит к образованию диоксида серы или, в случае неполного сгорания, сероводорода . [7] Углерод и водород практически полностью окисляются до углекислого газа и воды. [8] Пожары, горящие при недостатке кислорода, производят значительно более широкую палитру соединений, многие из которых токсичны. [8] Частичное окисление углерода приводит к образованию монооксида углерода , а азотсодержащие материалы могут давать цианистый водород , аммиак и оксиды азота. [9] Вместо воды можно производить газообразный водород. [9] Содержание галогенов , таких как хлор (например, в поливинилхлориде или бромированных антипиренах ), может привести к образованию хлористого водорода , фосгена , диоксина , а также хлорметана , бромметана и других галогенуглеродов . [9] [10] Фтороводород может образовываться из фторуглеродов , будь то фторполимеры, подвергающиеся воздействию огня, или галогенуглеродные средства пожаротушения . Оксиды фосфора и сурьмы и продукты их реакций могут образовываться из некоторых огнезащитных добавок, повышая токсичность дыма и коррозионную активность. [10] Пиролиз полихлорированных дифенилов (ПХБ), например, в результате сжигания старого трансформаторного масла , а также, в меньшей степени, других хлорсодержащих материалов, может привести к образованию 2,3,7,8-тетрахлордибензодиоксина , сильного канцерогена , и других полихлорированных дибензодиоксинов. . [10] Пиролиз фторполимеров, например тефлона , в присутствии кислорода дает карбонилфторид (который легко гидролизуется до HF и CO 2 ); могут быть образованы и другие соединения, напримертетрафторид углерода , гексафторпропилен и высокотоксичный перфторизобутен (ПФИБ). [11]
Пиролиз горящего материала, особенно неполного сгорания или тления без достаточного поступления кислорода, также приводит к образованию большого количества углеводородов , как алифатических ( метан , этан , этилен , ацетилен ), так и ароматических ( бензол и его производные, полициклические ароматические углеводороды ; напр. бензо[а]пирен , изученный как канцероген, или ретен ), терпены . [12] Это также приводит к выбросам ряда более мелких кислородсодержащих летучих органических соединений ( метанол , уксусная кислота , гидроксиацетон , метилацетат и этилформиат ), которые образуются в результате сгорания продуктов, а также менее летучих кислородсодержащих органических соединений, таких как фенолы, фураны и фураноны . [1] Также могут присутствовать гетероциклические соединения . [13] Более тяжелые углеводороды могут конденсироваться в виде смол ; дым со значительным содержанием смол имеет цвет от желтого до коричневого. [14] Сжигание твердого топлива может привести к выбросам от многих сотен до тысяч менее летучих органических соединений в аэрозольной фазе. [15] Наличие такого дыма, сажи и/или коричневых маслянистых отложений во время пожара указывает на возможную опасную ситуацию, поскольку атмосфера может быть насыщена горючими продуктами пиролиза с концентрацией выше верхнего предела воспламеняемости , а внезапный приток воздуха может вызвать перекрытие или обратная тяга . [16]
Присутствие серы может привести к образованию таких газов, как сероводород, карбонилсульфид , диоксид серы, сероуглерод и тиолы ; особенно тиолы имеют тенденцию адсорбироваться на поверхностях и производить стойкий запах даже долгое время после пожара. Частичное окисление выделившихся углеводородов дает широкую палитру других соединений: альдегиды (например , формальдегид , акролеин и фурфурол ), кетоны, спирты (часто ароматические, например фенол , гваякол , сирингол , катехол и крезолы ), карбоновые кислоты ( муравьиная кислота). кислота , уксусная кислота и др.). [ нужна цитата ]
Видимые твердые частицы в таких дымах чаще всего состоят из углерода ( сажи ). Другие частицы могут состоять из капель конденсированной смолы или твердых частиц золы. Присутствие металлов в топливе приводит к образованию частиц оксидов металлов . Могут также образовываться частицы неорганических солей , например, сульфата аммония , нитрата аммония или хлорида натрия . Неорганические соли, присутствующие на поверхности частиц сажи, могут сделать их гидрофильными . Многие органические соединения, обычно ароматические углеводороды , также могут адсорбироваться на поверхности твердых частиц. Оксиды металлов могут присутствовать при сжигании металлосодержащего топлива, например, твердого ракетного топлива, содержащего алюминий . Снаряды из обедненного урана после попадания в цель воспламеняются, образуя частицы оксидов урана . В угольном дыме присутствуют магнитные частицы — шарики магнетитоподобного оксида железа ; увеличение их депозитов после 1860 года знаменует собой начало промышленной революции. [17] (Магнитные наночастицы оксида железа также могут образовываться в дыме от сгорающих в атмосфере метеоритов .) [18] Магнитная остаточная намагниченность , зафиксированная в частицах оксида железа, указывает на силу магнитного поля Земли, когда они были охлаждены за пределами температуры Кюри . температура ; это можно использовать для различения магнитных частиц земного и метеорного происхождения. [19] Летучая зола состоит в основном из кремнезема и оксида кальция . Ценосферы присутствуют в дыме от жидкого углеводородного топлива. В дыме двигателя могут присутствовать мельчайшие металлические частицы, образовавшиеся в результате истирания . Частицы аморфного кремнезема присутствуют в дымах от сжигания силиконов ; небольшая доля частиц нитрида кремния может образовываться при пожарах с недостатком кислорода. Частицы кремнезема имеют размер около 10 нм, сгруппированы в агрегаты размером 70–100 нм и далее агломерированы в цепочки. [11] Радиоактивные частицы могут присутствовать из-за следов урана , тория или других радионуклидов в топливе; горячие частицы могут присутствовать в случае пожара во времяядерные аварии (например, чернобыльская катастрофа ) или ядерная война .
Частицы дыма, как и другие аэрозоли, делятся на три типа в зависимости от размера частиц:
Большая часть дымового материала состоит в основном из крупных частиц. Они подвергаются быстрому выпадению сухих осадков , поэтому повреждение дымом более отдаленных участков за пределами помещения, где происходит пожар, в первую очередь опосредовано более мелкими частицами. [20]
Аэрозоль частиц, размер которых превышает видимый, является ранним индикатором материалов, находящихся на стадии предвоспламенения пожара. [11]
При сжигании топлива, богатого водородом, образуется водяной пар ; в результате образуется дым, содержащий капли воды. В отсутствие других источников цвета (оксиды азота, твердые частицы...) такой дым имеет белый и облачный вид.
Дымовые выбросы могут содержать характерные микроэлементы. Ванадий присутствует в выбросах нефтяных электростанций и нефтеперерабатывающих заводов ; Нефтяные заводы также выделяют некоторое количество никеля . Сжигание угля приводит к выбросам, содержащим алюминий , мышьяк , хром , кобальт , медь , железо , ртуть , селен и уран .
Следы ванадия в продуктах высокотемпературного сгорания образуют капли расплавленных ванадатов . Они воздействуют на пассивационные слои металлов и вызывают высокотемпературную коррозию , которая особенно опасна для двигателей внутреннего сгорания . Расплавленный сульфат и частицы свинца также оказывают такое же воздействие.
Некоторые компоненты дыма характерны для источника горения. Гваякол и его производные являются продуктами пиролиза лигнина и характерны для древесного дыма; другими маркерами являются сирингол и его производные, а также другие метоксифенолы . Ретен — продукт пиролиза хвойных деревьев — индикатор лесных пожаров . Левоглюкозан — продукт пиролиза целлюлозы . Дым из лиственных и хвойных пород различается по соотношению гваяколов/сиринголов. Маркеры выхлопных газов автомобилей включают полициклические ароматические углеводороды , гопаны , стераны и специфические нитроарены (например, 1-нитропирен ). Отношение гопанов и стеранов к элементарному углероду можно использовать для различения выбросов бензиновых и дизельных двигателей. [21]
Многие соединения могут быть связаны с твердыми частицами; либо путем адсорбции на их поверхности, либо путем растворения в каплях жидкости. Хлороводород хорошо поглощается частицами сажи. [20]
Инертные твердые частицы могут быть взволнованы и унесены дымом. Особую озабоченность вызывают частицы асбеста .
Выпавшие горячие частицы радиоактивных осадков и биоаккумулированные радиоизотопы могут быть повторно выброшены в атмосферу в результате лесных и лесных пожаров ; это вызывает озабоченность, например, в Зоне отчуждения , содержащей загрязняющие вещества чернобыльской катастрофы .
Полимеры являются значительным источником дыма. Боковые ароматические группы , например, в полистироле , усиливают дымообразование. Ароматические группы, интегрированные в основную цепь полимера, производят меньше дыма, вероятно, из-за значительного обугливания . Алифатические полимеры имеют тенденцию выделять меньше дыма и не являются самозатухающими. Однако присутствие добавок может значительно увеличить дымообразование. Антипирены на основе фосфора и галогенов уменьшают образование дыма. Такой же эффект имеет и более высокая степень сшивки между полимерными цепями. [22]
Невооруженным глазом можно обнаружить частицы размером более 7 мкм ( микрометров ). Видимые частицы, выделяющиеся при пожаре, называются дымом. Невидимые частицы обычно называют газом или дымом. Лучше всего это видно при поджаривании хлеба в тостере. По мере нагревания хлеба продукты сгорания увеличиваются в размерах. Первоначально образующиеся пары невидимы, но становятся видимыми, если тост подгорает.
Детектор дыма типа ионизационной камеры технически является продуктом детектора горения, а не детектора дыма. Детекторы дыма с ионизационной камерой обнаруживают частицы сгорания, невидимые невооруженным глазом. Это объясняет, почему они часто могут ложно сработать из-за паров, испускаемых раскаленными нагревательными элементами тостера, до появления видимого дыма, однако они могут не сработать на ранней стадии тления при низкой температуре.
Дым от типичного домашнего пожара содержит сотни различных химикатов и паров. В результате ущерб, причиненный дымом, часто может превышать ущерб, причиненный самим жаром огня. Помимо физического ущерба, нанесенного дымом пожара , который проявляется в виде пятен, зачастую еще труднее устранить проблему запаха дыма. Точно так же, как существуют подрядчики, специализирующиеся на восстановлении/ремонте домов, пострадавших от пожара и дыма, компании по реставрации тканей специализируются на восстановлении тканей, поврежденных в результате пожара.
Дым от пожаров, лишенных кислорода, содержит значительную концентрацию легковоспламеняющихся соединений. Таким образом, облако дыма, контактирующее с атмосферным кислородом, может воспламениться – либо от другого открытого огня в этом районе, либо от собственной температуры. Это приводит к таким эффектам, как обратная тяга и перекрытие . Вдыхание дыма также представляет собой опасность дыма, который может привести к серьезным травмам и смерти. [ нужна цитата ]
Многие соединения дыма от пожаров высокотоксичны и/или раздражают. Наиболее опасен угарный газ , приводящий к отравлению угарным газом , иногда с аддитивным действием цианистого водорода и фосгена . Поэтому вдыхание дыма может быстро привести к инвалидности и потере сознания. Оксиды серы, хлористый и фтористый водород при контакте с влагой образуют серную , соляную и плавиковую кислоту , которые оказывают коррозионное воздействие как на легкие, так и на материалы. Во время сна ни нос, ни мозг не чувствуют дыма, но тело просыпается, если легкие окутываются дымом, мозг стимулируется, и человек просыпается. Это не работает, если человек недееспособен или находится под воздействием наркотиков и/или алкоголя. [ нужна цитата ]
Сигаретный дым является основным изменяемым фактором риска заболеваний легких , сердца и многих видов рака . Дым также может быть компонентом загрязнения окружающего воздуха в результате сжигания угля на электростанциях, лесных пожаров или других источников, хотя концентрация загрязняющих веществ в окружающем воздухе обычно намного меньше, чем в сигаретном дыме. Один день воздействия PM2,5 в концентрации 880 мкг/м3, например, в Пекине, Китай, эквивалентен выкуриванию одной или двух сигарет с точки зрения вдыхания твердых частиц по весу. [23] [24] Однако анализ осложняется тем фактом, что органические соединения, присутствующие в различных частицах окружающей среды, могут иметь более высокую канцерогенность, чем соединения в частицах сигаретного дыма. [25] Пассивный табачный дым представляет собой сочетание побочных и основных выбросов дыма от горящего табачного изделия. Эти выбросы содержат более 50 канцерогенных химических веществ. Согласно отчету Главного хирурга США за 2006 год по этому вопросу: «Краткое воздействие пассивного [табачного] дыма может привести к тому, что тромбоциты станут более липкими, повреждают оболочку кровеносных сосудов, уменьшают резервы скорости коронарного кровотока и уменьшают вариабельность сердца». потенциально увеличивая риск сердечного приступа». [26] Американское онкологическое общество называет «болезни сердца, легочные инфекции, учащение приступов астмы, инфекции среднего уха и низкий вес при рождении» в качестве последствий выброса курильщика. [27]
Дым может затруднить видимость, затрудняя выход пассажиров из зоны возгорания. Фактически, плохая видимость из-за дыма, возникшего в результате пожара на складе холодного хранения в Вустере , штат Массачусетс, стала причиной того, что оказавшиеся в ловушке спасатели-пожарные не смогли вовремя эвакуировать здание. Из-за поразительного сходства всех этажей густой дым заставил пожарных дезориентироваться. [28]
Дым может содержать самые разнообразные химические вещества, многие из которых агрессивны по своей природе. Примерами являются соляная и бромистоводородная кислоты , получаемые из галогенсодержащих пластмасс и антипиренов , плавиковая кислота, выделяемая при пиролизе фторуглеродных средств пожаротушения , серная кислота от сжигания серосодержащих материалов, азотная кислота от высокотемпературных пожаров, при которых попадает закись азота. образовавшиеся соединения фосфорной кислоты и сурьмы из антипиренов на основе P и Sb и многие другие. Для конструкционных материалов такая коррозия не существенна, но сильно поражает хрупкие конструкции, особенно микроэлектронику . Коррозия дорожек печатных плат , проникновение агрессивных химикатов через корпуса деталей и другие воздействия могут вызвать немедленное или постепенное ухудшение параметров или даже преждевременный (а зачастую и отсроченный, так как коррозия может прогрессировать в течение длительного времени) выход из строя оборудования, подвергающегося курить. Многие компоненты дыма также являются электропроводящими ; нанесение проводящего слоя на цепи может вызвать перекрестные помехи и другие ухудшения рабочих параметров или даже стать причиной коротких замыканий и полных отказов. На электрические контакты может повлиять коррозия поверхностей, а также отложение сажи и других проводящих частиц или непроводящих слоев на контактах или поперек них. Осажденные частицы могут отрицательно повлиять на работу оптоэлектроники , поглощая или рассеивая световые лучи. [ нужна цитата ]
Коррозионная активность дыма, выделяемого материалами, характеризуется индексом коррозии (CI), определяемым как скорость потери материала (ангстрем/минута) на количество продуктов газификации материала (граммы) на объем воздуха (м 3 ). Его измеряют путем воздействия на металлические полосы потока продуктов сгорания в испытательном туннеле. Полимеры, содержащие галоген и водород ( поливинилхлорид , полиолефины с галогенсодержащими добавками и т. д.), имеют самый высокий CI, поскольку коррозийные кислоты образуются непосредственно с водой, образующейся при горении, полимеры, содержащие только галоген (например, политетрафторэтилен ), имеют более низкий CI, поскольку образуются кислота ограничивается реакциями с воздушной влажностью, а безгалогеновые материалы (полиолефины, дерево ) имеют самый низкий CI. [20] Однако некоторые безгалогенные материалы также могут выделять значительное количество коррозийных продуктов. [29]
Повреждение электронного оборудования дымом может быть значительно более обширным, чем сам пожар. Пожары на кабелях вызывают особую озабоченность; Для изоляции кабеля предпочтительны материалы с низким дымовыделением и без галогенов . [30]
Когда дым соприкасается с поверхностью какого-либо вещества или конструкции, на него передаются содержащиеся в нем химические вещества. Коррозионные свойства химикатов приводят к быстрому разложению вещества или конструкции. Определенные материалы или конструкции поглощают эти химические вещества, поэтому в большинстве случаев структурных пожаров заменяются одежда, незакрытые поверхности, питьевая вода, трубы, древесина и т. д. [ нужна цитата ]
Древесный дым является основным источником загрязнения воздуха , [31] [32] [33] [34] особенно загрязнением твердыми частицами , [32] загрязнением полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ) [35] и летучими органическими соединениями (ЛОС) [32] [ нужен лучший источник ], например формальдегид . [36]
В Соединенном Королевстве бытовое сжигание, особенно для промышленного использования, является крупнейшим источником выбросов PM2,5 в год. [37] [38] В некоторых городах Нового Южного Уэльса древесный дым может быть причиной 60% загрязнения воздуха мелкими частицами зимой. [39] Годичная кампания по отбору проб в Афинах, Греция, выявила, что треть (31%) загрязнения воздуха в городах ПАУ вызвана сжиганием древесины, примерно в такой же степени, как и сжигание дизельного топлива и нефти ( 33%) и бензина (29) %). Также было обнаружено, что сжигание дров является причиной почти половины (43%) ежегодного риска развития рака легких ПАУ по сравнению с другими источниками, и что уровни ПАУ в зимнее время были в 7 раз выше, чем в другие сезоны, предположительно из-за более широкого использования каминов . и обогреватели. Наибольшее воздействие представляют собой периоды зимой, когда дисперсия в атмосфере снижается, что приводит к разбавлению накопленного загрязнения, в частности, из-за низкой скорости ветра . [35]
Древесный дым (например, от лесных пожаров или дровяных печей) может вызвать повреждение легких, [40] [41] повреждение артерий и ДНК [42] что приводит к раку, [43] [44] другим респираторным и легочным заболеваниям и сердечно-сосудистым заболеваниям. [39] [45] Загрязнение воздуха, твердые частицы и древесный дым также могут вызывать повреждение головного мозга из-за того, что частицы поражают сердечно-сосудистую систему и попадают в мозг, [46] [47] [48] [49] , что может увеличить риск нарушений развития. расстройства, [50] [51] [52] [53] нейродегенеративные расстройства [54] [55] психические расстройства [56] [57] [58] и суицидальное поведение [56] [58] хотя исследования о связи между депрессия и некоторые загрязнители воздуха несовместимы. [59] По крайней мере, одно исследование выявило «обильное присутствие в человеческом мозге наночастиц магнетита, которые точно соответствуют высокотемпературным магнетитовым наносферам, образующимся в результате сгорания и/или нагревания, вызванного трением, которые широко распространены в городских твердых частицах, переносимых по воздуху. (ВЕЧЕРА)." [60] Загрязнение воздуха также связано с рядом других психосоциальных проблем. [57]
Еще в 15 веке Леонардо да Винчи подробно комментировал сложность оценки дыма и проводил различие между черным дымом (обугленными частицами) и белым «дымом», который вообще не является дымом, а представляет собой просто взвесь безвредных частиц воды. [61]
Дым от отопительных приборов обычно измеряют одним из следующих способов:
Поточный захват. Образец дыма просто всасывается через фильтр, который взвешивается до и после испытания и определяется масса дыма. Это самый простой и, вероятно, самый точный метод, но его можно использовать только при небольшой концентрации дыма, так как фильтр может быстро засориться. [62]
Дымовой насос ASTM — это простой и широко используемый метод улавливания дыма в линии, при котором измеренный объем дыма протягивается через фильтровальную бумагу, а образовавшееся темное пятно сравнивается со стандартом.
Туннель фильтра/разбавления. Проба дыма протягивается через трубку, где она разбавляется воздухом, полученная дымовоздушная смесь затем протягивается через фильтр и взвешивается. Это международно признанный метод измерения дыма от сгорания . [63]
Электростатическое осаждение. Дым проходит через множество металлических трубок, в которых подвешены провода. К трубкам и проводам прикладывается (огромный) электрический потенциал, так что частицы дыма заряжаются и притягиваются к стенкам трубок. Этот метод может быть завышен из-за улавливания безвредных конденсатов или недочтен из-за изолирующего эффекта дыма. Однако это необходимый метод для оценки объемов дыма, слишком большого для того, чтобы его можно было пропустить через фильтр, например, от битуминозного угля .
Шкала Рингельмана . Мера цвета дыма. Изобретенная профессором Максимилианом Рингельманном в Париже в 1888 году, она по существу представляет собой карту с квадратами черного, белого и оттенков серого, которую держат в руках и оценивают сравнительную серость дыма. В значительной степени в зависимости от условий освещения и навыков наблюдателя он присваивает уровень серости от 0 (белый) до 5 (черный), который имеет лишь преходящее отношение к фактическому количеству дыма. Тем не менее, простота шкалы Рингельмана означает, что она принята в качестве стандарта во многих странах.
Оптическое рассеяние. Луч света пропускают сквозь дым. Световой детектор расположен под углом к источнику света, обычно под углом 90°, так что он принимает только свет, отраженный от проходящих частиц. Производится измерение полученного света, который будет тем выше, чем выше концентрация частиц дыма.
Оптическое затемнение. Луч света проходит через дым, а детектор напротив измеряет свет. Чем больше частиц дыма присутствует между ними, тем меньше света будет измерено.
Комбинированные оптические методы. Существуют различные запатентованные оптические устройства для измерения дыма, такие как « нефелометр » или « аэталометр », которые используют несколько различных оптических методов, включая более чем одну длину волны света, внутри одного прибора и применяют алгоритм для получения точной оценки дыма. Утверждалось, что эти устройства могут различать типы дыма и, таким образом, можно сделать вывод об их вероятном источнике, хотя это оспаривается. [64]
Вывод по угарному газу . Дым — это не полностью сгоревшее топливо , угарный газ — это не полностью сгоревший углерод, поэтому долгое время считалось, что измерение CO в дымовых газах (дешевая, простая и очень точная процедура) обеспечит хорошее определение уровня дыма. Действительно, в некоторых юрисдикциях измерение CO используется в качестве основы контроля дыма . Однако далеко не ясно, насколько точна эта переписка.
На протяжении всей истории человечества люди использовали дым лекарственных растений для лечения болезней. Скульптура из Персеполя изображает Дария Великого (522–486 до н.э.), царя Персии , с двумя кадильницами перед ним для сжигания Peganumharmala и/или сандалового альбома Santalum , который, как считалось, защищал царя от зла и болезней. Более 300 видов растений на 5 континентах используются в виде дыма при различных заболеваниях. Как метод введения лекарств курение имеет важное значение, поскольку является простым, недорогим, но очень эффективным методом извлечения частиц, содержащих активные вещества. Что еще более важно, образование дыма уменьшает размер частиц до микроскопических масштабов, тем самым увеличивая поглощение их активных химических веществ. [65]
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )