Дым — это суспензия [3] взвешенных в воздухе частиц и газов [4], выделяемых при сгорании или пиролизе материала , вместе с количеством воздуха, которое захватывается или иным образом смешивается с массой. Обычно это нежелательный побочный продукт пожаров (включая печи , свечи , двигатели внутреннего сгорания , масляные лампы и камины ), но также может использоваться для борьбы с вредителями ( фумигация ), связи ( дымовые сигналы ), оборонительных и наступательных возможностей в армии ( дымовая завеса ), приготовления пищи или курения ( табак , каннабис и т. д.). Он используется в ритуалах, где сжигаются благовония , шалфей или смола для создания запаха в духовных или магических целях. Он также может быть ароматизатором и консервантом.
Вдыхание дыма является основной причиной смерти жертв пожаров в помещениях . Дым убивает сочетанием термического повреждения, отравления и раздражения легких, вызванного оксидом углерода , цианистым водородом и другими продуктами горения.
Дым представляет собой аэрозоль (или туман ) из твердых частиц и капель жидкости, размеры которых близки к идеальному диапазону для рассеяния Ми видимого света . [5]
Состав дыма зависит от природы горящего топлива и условий горения. Пожары с высокой доступностью кислорода горят при высокой температуре и с небольшим количеством образующегося дыма; частицы в основном состоят из золы , или при большой разнице температур - из конденсированного аэрозоля воды. Высокая температура также приводит к образованию оксидов азота . [6] Содержание серы дает диоксид серы , или в случае неполного сгорания - сероводород . [7] Углерод и водород почти полностью окисляются до диоксида углерода и воды. [8] Пожары, горящие при недостатке кислорода, производят значительно более широкую палитру соединений, многие из которых токсичны. [8] Частичное окисление углерода дает оксид углерода , в то время как азотсодержащие материалы могут давать цианистый водород , аммиак и оксиды азота. [9] Вместо воды может производиться водород . [9] Содержание галогенов, таких как хлор (например, в поливинилхлориде или бромированных антипиренах ), может привести к образованию хлористого водорода , фосгена , диоксина , хлорметана , бромметана и других галогенуглеродов . [9] [10] Фтористый водород может образовываться из фторуглеродов , будь то фторполимеры, подвергаемые воздействию огня, или галогенуглеродные огнетушащие агенты . Оксиды фосфора и сурьмы и продукты их реакции могут образовываться из некоторых антипиреновых добавок, увеличивая токсичность дыма и коррозионную активность. [10] Пиролиз полихлорированных бифенилов (ПХБ), например, от сжигания старого трансформаторного масла , и в меньшей степени также других хлорсодержащих материалов, может производить 2,3,7,8-тетрахлордибензодиоксин , сильный канцероген , и другие полихлорированные дибензодиоксины . [10] Пиролиз фторполимеров, например, тефлона , в присутствии кислорода дает карбонилфторид (который легко гидролизуется до HF и CO 2 ); могут образовываться и другие соединения, напримерТетрафторид углерода , гексафторпропилен и высокотоксичный перфторизобутен (ПФИБ). [11]
Пиролиз горящего материала, особенно неполное сгорание или тление без достаточного снабжения кислородом, также приводит к образованию большого количества углеводородов , как алифатических ( метан , этан , этилен , ацетилен ), так и ароматических ( бензол и его производные, полициклические ароматические углеводороды ; например, бензо[а]пирен , изученный как канцероген, или ретен ), терпенов . [12] Это также приводит к выбросу ряда более мелких кислородсодержащих летучих органических соединений ( метанол , уксусная кислота , гидроксиацетон , метилацетат и этилформиат ), которые образуются в качестве побочных продуктов сгорания, 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 смолы ; дым со значительным содержанием смолы имеет цвет от желтого до коричневого. [14] Сжигание твердого топлива может привести к выбросу многих сотен или тысяч органических соединений с низкой летучестью 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 вспышку или обратную тягу . [16]
Присутствие серы может привести к образованию газов, таких 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 высвобождаемых углеводородов приводит к образованию широкого спектра других соединений: альдегидов (например, формальдегида , акролеина и фурфурола ), кетонов, спиртов (часто ароматических, например, фенола , гваякола , сирингола , катехола и крезолов ), карбоновых кислот ( муравьиной кислоты , уксусной кислоты и т. д.). [ необходима ссылка ]
Видимые твердые частицы в таких дымах чаще всего состоят из углерода ( сажи ). Другие твердые частицы могут состоять из капель конденсированной смолы или твердых частиц золы. Присутствие металлов в топливе приводит к образованию частиц оксидов металлов . Также могут образовываться частицы неорганических солей , например, сульфата аммония , нитрата аммония или хлорида натрия . Неорганические соли, присутствующие на поверхности частиц сажи, могут делать их гидрофильными . Многие органические соединения, как правило, ароматические углеводороды , также могут адсорбироваться на поверхности твердых частиц. Оксиды металлов могут присутствовать при сжигании металлсодержащего топлива, например, твердого ракетного топлива, содержащего алюминий . Снаряды из обедненного урана после удара о цель воспламеняются, образуя частицы оксидов урана . Магнитные частицы, шарики магнетитоподобного оксида железа , присутствуют в угольном дыме; их увеличение в отложениях после 1860 года знаменует начало промышленной революции. [17] (Магнитные наночастицы оксида железа также могут образовываться в дыму от метеоритов , сгорающих в атмосфере.) [18] Магнитная остаточная намагниченность , регистрируемая в частицах оксида железа, указывает на силу магнитного поля Земли, когда они охлаждаются выше температуры Кюри ; это можно использовать для различения магнитных частиц земного и метеорного происхождения. [19] Летучая зола в основном состоит из кремния и оксида кальция . Ценосферы присутствуют в дыме от жидкого углеводородного топлива. Мельчайшие металлические частицы, образующиеся в результате истирания, могут присутствовать в дымах двигателей. Аморфные частицы кремния присутствуют в дыме от сжигания силиконов ; небольшая доля частиц нитрида кремния может образовываться в пожарах с недостатком кислорода. Частицы кремния имеют размер около 10 нм, слипаются в агрегаты размером 70–100 нм и далее агломерируются в цепочки. [11] Радиоактивные частицы могут присутствовать из-за следов урана , тория или других радионуклидов в топливе; Горячие частицы могут присутствовать в случае пожаров во времяядерные аварии (например, катастрофа на Чернобыльской АЭС ) или ядерная война .
Частицы дыма, как и другие аэрозоли, подразделяются на три категории в зависимости от размера частиц:
Большая часть дымового материала в основном представлена крупными частицами. Они подвергаются быстрому сухому осаждению , и поэтому ущерб от дыма в более отдаленных областях за пределами помещения, где происходит пожар, в первую очередь опосредован более мелкими частицами. [20]
Аэрозоль частиц, размер которых превышает видимый, является ранним индикатором материалов, находящихся на стадии, предшествующей возгоранию. [11]
Сжигание богатого водородом топлива производит водяной пар ; это приводит к дыму, содержащему капли воды. При отсутствии других источников цвета (оксиды азота, частицы...) такой дым белый и облачный .
Дымовые выбросы могут содержать характерные следовые элементы. Ванадий присутствует в выбросах от работающих на нефти электростанций и нефтеперерабатывающих заводов ; нефтяные заводы также выбрасывают некоторое количество никеля . Сжигание угля приводит к выбросам, содержащим алюминий , мышьяк , хром , кобальт , медь , железо , ртуть , селен и уран .
Следы ванадия в продуктах сгорания при высоких температурах образуют капли расплавленных ванадатов . Они воздействуют на пассивирующие слои металлов и вызывают высокотемпературную коррозию , что особенно актуально 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; другие маркеры - сирингол и его производные, а также другие метоксифенолы . Ретен , продукт пиролиза хвойных деревьев, является индикатором лесных пожаров . Левоглюкозан - продукт пиролиза целлюлозы . Дым от твердой и мягкой древесины отличается соотношением гваяколов/сиринголов. Маркеры выхлопных газов транспортных средств включают полициклические ароматические углеводороды , гопаны , стераны и определенные нитроарены (например, 1-нитропирен ). Соотношение гопанов и стеранов к элементарному углероду можно использовать для различения выбросов бензиновых и дизельных двигателей. [21]
Многие соединения могут быть связаны с частицами; либо адсорбируясь на их поверхности, либо растворяясь в жидких каплях. Хлористый водород хорошо абсорбируется в частицах сажи. [20]
Инертные твердые частицы могут быть потревожены и вовлечены в дым. Особую озабоченность вызывают частицы асбеста .
Осажденные горячие частицы радиоактивных осадков и биоаккумулированные радиоизотопы могут быть повторно выброшены в атмосферу лесными и лесными пожарами ; это вызывает беспокойство, например, в Зоне отчуждения, содержащей загрязняющие вещества, образовавшиеся в результате чернобыльской катастрофы .
Полимеры являются значительным источником дыма. Ароматические боковые группы , например, в полистироле , усиливают образование дыма. Ароматические группы, интегрированные в полимерную основу, производят меньше дыма, вероятно, из-за значительного обугливания . Алифатические полимеры, как правило, производят меньше всего дыма и не являются самозатухающими. Однако присутствие добавок может значительно увеличить образование дыма. Антипирены на основе фосфора и галогена уменьшают образование дыма. Более высокая степень сшивания между полимерными цепями также имеет такой эффект. [22]
Невооруженным глазом можно обнаружить частицы размером более 7 мкм ( микрометров ). [23] Видимые частицы, выделяемые огнем, называются дымом. Невидимые частицы обычно называются газом или парами. Это лучше всего проиллюстрировано при поджаривании хлеба в тостере. По мере нагревания хлеба продукты сгорания увеличиваются в размерах. Первоначально образующиеся пары невидимы, но становятся видимыми, если тост сгорел.
Дымовой извещатель с ионизационной камерой технически является детектором продукта сгорания, а не дымовым извещателем. Дымовые извещатели с ионизационной камерой обнаруживают частицы горения, которые не видны невооруженным глазом. Это объясняет, почему они часто могут давать ложную тревогу из-за паров, выделяемых раскаленными нагревательными элементами тостера, до появления видимого дыма, но они могут не сработать на ранней стадии тления слабого жара .
Дым от типичного домашнего пожара содержит сотни различных химикатов и паров. В результате ущерб, причиненный дымом, часто может превышать ущерб, причиненный фактическим теплом пожара. В дополнение к физическому ущербу, причиненному дымом пожара , который проявляется в виде пятен, часто еще сложнее устранить проблему запаха дыма. Так же, как есть подрядчики, которые специализируются на восстановлении/ремонте домов, поврежденных огнем и дымом, компании по восстановлению тканей специализируются на восстановлении тканей, поврежденных в результате пожара.
Дым от пожаров с недостатком кислорода содержит значительную концентрацию соединений, которые являются воспламеняющимися. Облако дыма, контактирующее с атмосферным кислородом, поэтому имеет потенциал для возгорания – либо от другого открытого пламени в этом районе, либо от собственной температуры. Это приводит к таким эффектам, как обратная тяга и вспышка . Вдыхание дыма также является опасностью дыма, которая может привести к серьезным травмам и смерти. [24]
Многие соединения дыма от пожаров являются высокотоксичными и/или раздражающими. Наиболее опасным является окись углерода, приводящая к отравлению окисью углерода , иногда с дополнительными эффектами цианистого водорода и фосгена . Поэтому вдыхание дыма может быстро привести к недееспособности и потере сознания. Оксиды серы, хлористый водород и фтористый водород при контакте с влагой образуют серную , соляную и плавиковую кислоту , которые являются едкими как для легких, так и для материалов. Во время сна нос не чувствует дыма, как и мозг, но тело проснется, если легкие окутаются дымом, а мозг будет стимулироваться, и человек будет разбужен. Это не работает, если человек недееспособен или находится под воздействием наркотиков и/или алкоголя. [ необходима цитата ]
Сигаретный дым является основным модифицируемым фактором риска для заболеваний легких , болезней сердца и многих видов рака . Дым также может быть компонентом загрязнения окружающего воздуха из-за сжигания угля на электростанциях, лесных пожаров или других источников, хотя концентрация загрязняющих веществ в окружающем воздухе, как правило, намного меньше, чем в сигаретном дыме. Один день воздействия PM2.5 при концентрации 880 мкг/м3 , как это происходит в Пекине, Китай, эквивалентен выкуриванию одной или двух сигарет с точки зрения вдыхания частиц по весу. [25] [26] Однако анализ осложняется тем фактом, что органические соединения, присутствующие в различных окружающих частицах, могут иметь более высокую канцерогенность, чем соединения в частицах сигаретного дыма. [27] Пассивное курение табака представляет собой комбинацию как побочных, так и основных выбросов дыма от горящего табачного изделия. Эти выбросы содержат более 50 канцерогенных химических веществ. Согласно докладу Генерального хирурга США за 2006 год по этому вопросу, «кратковременное воздействие вторичного [табачного] дыма может привести к тому, что тромбоциты станут более липкими, повредится слизистая оболочка кровеносных сосудов, уменьшатся резервы скорости коронарного кровотока и снизится изменчивость сердечного ритма, что потенциально увеличит риск сердечного приступа». [28] Американское онкологическое общество перечисляет «сердечные заболевания, инфекции легких, учащение приступов астмы, инфекции среднего уха и низкий вес при рождении» как последствия курения. [29]
Дым может затмевать видимость, затрудняя выход людей из зоны пожара. Фактически, плохая видимость из-за дыма, который был во время пожара на складе Worcester Cold Storage Warehouse в Вустере, штат Массачусетс, стала причиной того, что оказавшиеся в ловушке пожарные-спасатели не смогли вовремя эвакуироваться из здания. Из-за поразительного сходства, которое разделяли все этажи, густой дым дезориентировал пожарных. [30]
Дым может содержать широкий спектр химических веществ, многие из которых агрессивны по своей природе. Примерами являются соляная кислота и бромистоводородная кислота , получаемые из галогенсодержащих пластиков и антипиренов , плавиковая кислота, выделяемая при пиролизе фторуглеродных огнетушащих веществ , серная кислота от горения серосодержащих материалов, азотная кислота от высокотемпературных пожаров, где образуется закись азота , фосфорная кислота и соединения сурьмы из антипиренов на основе P и Sb и многие другие. Такая коррозия незначительна для конструкционных материалов, но чувствительные конструкции, особенно микроэлектроника , сильно страдают. Коррозия следов печатных плат , проникновение агрессивных химикатов через корпуса деталей и другие эффекты могут вызвать немедленное или постепенное ухудшение параметров или даже преждевременный (а часто и отсроченный, поскольку коррозия может прогрессировать в течение длительного времени) отказ оборудования, подвергающегося воздействию дыма. Многие компоненты дыма также являются электропроводящими ; Отложение проводящего слоя на схемах может вызвать перекрестные помехи и другие ухудшения рабочих параметров или даже привести к коротким замыканиям и полным отказам. Электрические контакты могут быть затронуты коррозией поверхностей, а также отложением сажи и других проводящих частиц или непроводящих слоев на контактах или поперек них. Отложенные частицы могут отрицательно влиять на работу оптоэлектроники, поглощая или рассеивая световые лучи. [ необходима цитата ]
Коррозионная активность дыма, производимого материалами, характеризуется индексом коррозии (CI), определяемым как скорость потери материала (ангстрем/минута) на количество газифицированных продуктов материала (граммы) на объем воздуха (м3 ) . Он измеряется путем воздействия на полосы металла потока продуктов сгорания в испытательном туннеле. Полимеры, содержащие галоген и водород ( поливинилхлорид , полиолефины с галогенированными добавками и т. д.), имеют самый высокий CI, поскольку едкие кислоты образуются непосредственно с водой, получаемой при сгорании, полимеры, содержащие только галоген (например, политетрафторэтилен ), имеют более низкий CI, поскольку образование кислоты ограничивается реакциями с влагой воздуха, а материалы, не содержащие галогенов (полиолефины, дерево ), имеют самый низкий CI. [20] Однако некоторые материалы, не содержащие галогенов, также могут выделять значительное количество едких продуктов. [31]
Повреждения электронного оборудования от дыма могут быть значительно более обширными, чем сам пожар. Пожары кабелей вызывают особую озабоченность; для изоляции кабелей предпочтительны малодымные материалы с нулевым содержанием галогенов . [32]
Когда дым вступает в контакт с поверхностью любого вещества или конструкции, содержащиеся в нем химикаты переносятся на нее. Коррозионные свойства химикатов заставляют вещество или конструкцию разлагаться с большой скоростью. Определенные материалы или конструкции поглощают эти химикаты, поэтому в большинстве случаев пожаров конструкций заменяют одежду, негерметичные поверхности, питьевую воду, трубы, древесину и т. д. [ необходима цитата ]
Древесный дым является основным источником загрязнения воздуха , [33] [34] [35] [36] особенно загрязнения твердыми частицами , [34] загрязнения полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ) [37] и летучими органическими соединениями (ЛОС) [34] [ необходим лучший источник ], такими как формальдегид . [38]
В Соединенном Королевстве бытовое сжигание, особенно для промышленного использования, является крупнейшим источником PM2.5 ежегодно. [39] [40] В некоторых городах и поселках Нового Южного Уэльса древесный дым может быть причиной 60% загрязнения воздуха мелкими частицами зимой. [41] Годовая кампания по отбору проб в Афинах, Греция, показала, что треть (31%) загрязнения городского воздуха ПАУ вызвана сжиганием древесины, примерно столько же, сколько дизельное топливо и масло (33%) и бензин (29%). Также было обнаружено, что сжигание древесины является причиной почти половины (43%) годового риска рака легких ПАУ по сравнению с другими источниками, и что уровни ПАУ зимой были в 7 раз выше, чем в другие сезоны, предположительно из-за более частого использования каминов и обогревателей. Наибольшие события воздействия происходят в периоды зимой с уменьшенной атмосферной дисперсией для разбавления накопленного загрязнения, в частности из-за низкой скорости ветра . [37] Исследование, проведенное в 2015 году по сжиганию биомассы, показало, что 38% всех выбросов твердых частиц в Европе приходится на сжигание древесины в домашних условиях. [42]
Древесный дым (например, от лесных пожаров или дровяных печей) может вызвать повреждение легких, [43] [44] повреждение артерий и повреждение ДНК , [45], что приводит к раку, [46] [47] другим респираторным и легочным заболеваниям, а также сердечно-сосудистым заболеваниям. [41] [48] Загрязнение воздуха, твердые частицы и древесный дым также могут вызывать повреждение мозга из-за того, что твердые частицы проникают в сердечно-сосудистую систему и в мозг, [49] [50] [51] [52], что может увеличить риск нарушений развития, [53] [54] [55] [56] нейродегенеративных расстройств [57] [58] психических расстройств, [59] [60] [61] и суицидального поведения, [59] [61], хотя исследования связи между депрессией и некоторыми загрязнителями воздуха не являются последовательными. [62] По крайней мере одно исследование выявило «обильное присутствие в человеческом мозге наночастиц магнетита, которые точно соответствуют высокотемпературным наносферам магнетита, образованным при сгорании и/или нагревании в результате трения, которые в изобилии присутствуют в городских твердых частицах (ТЧ) в воздухе». [63] Загрязнение воздуха также связано с рядом других психосоциальных проблем. [60]
Еще в XV веке Леонардо да Винчи подробно комментировал трудности оценки дыма и проводил различие между черным дымом (обугленными частицами) и белым «дымом», который вообще не является дымом, а представляет собой всего лишь взвесь безвредных частиц воды. [64]
Дым от отопительных приборов обычно измеряется одним из следующих способов:
Встроенный захват. Образец дыма просто всасывается через фильтр, который взвешивается до и после теста, и определяется масса дыма. Это самый простой и, вероятно, самый точный метод, но его можно использовать только там, где концентрация дыма незначительна, так как фильтр может быстро засориться. [65]
Дымовой насос ASTM — это простой и широко используемый метод поточного улавливания, при котором измеренный объем дыма протягивается через фильтровальную бумагу, а образовавшееся темное пятно сравнивается со стандартом.
Фильтр/туннель разбавления. Образец дыма втягивается через трубку, где он разбавляется воздухом, затем полученная смесь дыма/воздуха протягивается через фильтр и взвешивается. Это международно признанный метод измерения дыма от сгорания . [66]
Электростатическое осаждение. Дым пропускается через ряд металлических трубок, содержащих подвешенные провода. (Огромный) электрический потенциал подается через трубки и провода, так что частицы дыма заряжаются и притягиваются к стенкам трубок. Этот метод может пересчитывать показания, захватывая безвредные конденсаты, или недосчитывать из-за изолирующего эффекта дыма. Однако это необходимый метод для оценки объемов дыма, слишком больших для проталкивания через фильтр, например, от битуминозного угля .
Шкала Рингельмана . Мера цвета дыма. Изобретенная профессором Максимилианом Рингельманном в Париже в 1888 году, она по сути представляет собой карточку с квадратами черного, белого и оттенков серого цветов, которую держат в руках и оценивают сравнительную серость дыма. Она сильно зависит от условий освещения и мастерства наблюдателя и присваивает число серости от 0 (белый) до 5 (черный), которое имеет лишь мимолетное отношение к фактическому количеству дыма. Тем не менее, простота шкалы Рингельмана означает, что она была принята в качестве стандарта во многих странах.
Оптическое рассеяние. Световой луч пропускается через дым. Детектор света располагается под углом к источнику света, обычно под углом 90°, так что он принимает только свет, отраженный от проходящих частиц. Проводится измерение полученного света, который будет тем выше, чем выше концентрация частиц дыма.
Оптическое затенение. Световой луч проходит через дым, а детектор напротив измеряет свет. Чем больше частиц дыма находится между ними, тем меньше света будет измерено.
Комбинированные оптические методы. Существуют различные фирменные оптические устройства для измерения дыма, такие как « нефелометр » или « эталометр », которые используют несколько различных оптических методов, включая более одной длины волны света, внутри одного прибора и применяют алгоритм для получения хорошей оценки дыма. Утверждалось, что эти устройства могут различать типы дыма, и поэтому их вероятный источник может быть выведен, хотя это оспаривается. [67]
Вывод из оксида углерода . Дым — это не полностью сгоревшее топливо , оксид углерода — это не полностью сгоревший углерод, поэтому долгое время предполагалось, что измерение CO в дымовых газах (дешевая, простая и очень точная процедура) даст хорошее представление об уровнях дыма. Действительно, несколько юрисдикций используют измерение CO в качестве основы для контроля дыма . Однако далеко не ясно, насколько точно это соответствие.
На протяжении всей записанной истории люди использовали дым лекарственных растений для лечения болезней. Скульптура из Персеполя изображает Дария Великого (522–486 гг. до н. э.), царя Персии , с двумя кадильницами перед ним для сжигания Peganum harmala и/или сандалового дерева Santalum album , которые, как считалось, защищали царя от зла и болезней. Более 300 видов растений на 5 континентах используются в виде дыма для лечения различных заболеваний. Как метод введения лекарств , курение важно, поскольку это простой, недорогой, но очень эффективный метод извлечения частиц, содержащих активные вещества. Что еще более важно, генерация дыма уменьшает размер частиц до микроскопического масштаба, тем самым увеличивая поглощение его активных химических принципов. [68]
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )