王鑫玉 張金專 金靜 劉卓洋 黃文曉 楊云
(1.中國(guó)人民警察大學(xué)研究生院 河北廊坊 065000; 2.中國(guó)人民警察大學(xué)偵查學(xué)院 河北廊坊 065000;3.??谑邢谰仍ш?duì) 海口 070100)
隨著新型材料在生活中的應(yīng)用日益廣泛,發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙氣的成分和含量也更加復(fù)雜,加之現(xiàn)代建筑功能多樣、密閉性強(qiáng),一旦發(fā)生火災(zāi),煙氣的毒害作用會(huì)使建筑內(nèi)人員難以逃生,救援人員難以展開有效救援,易造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。根據(jù)國(guó)際消防與救援服務(wù)協(xié)會(huì)(CTIF)相關(guān)火災(zāi)統(tǒng)計(jì)顯示,歐洲國(guó)家火災(zāi)死亡人數(shù)仍在增加,煙氣毒性致死問題也更加突顯,火災(zāi)煙氣毒性是火災(zāi)致人死亡和傷害的最大原因。因此,本文對(duì)火災(zāi)煙氣毒性的危害、影響因素及量化評(píng)估等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了梳理,旨在為煙氣系統(tǒng)性研究提供指導(dǎo)和參考。
火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣阻礙救援人員開展救援工作,嚴(yán)重時(shí)片刻即可奪去生命;同時(shí),消防員的癌癥死亡率是普通民眾的兩倍,證明了煙氣對(duì)人體存在慢性傷害。
絕大多數(shù)可燃物在燃燒時(shí)會(huì)釋放出有毒有害氣體,人體吸入后可能導(dǎo)致死亡或者永久性傷害,這些氣體包括:①完全氧化產(chǎn)物的混合物,如二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)等;②非完全氧化產(chǎn)物,如一氧化碳(CO)、氰化氫(HCN)或醛;③燃料或燃料降解產(chǎn)物,如脂肪族或芳香族碳?xì)浠衔铮虎芷渌€(wěn)定的氣體分子,如鹵化氫。
發(fā)生火災(zāi)時(shí),血液中二氧化碳的存在和環(huán)境中氧氣的消耗會(huì)刺激人體過度呼吸,加快呼吸速率,進(jìn)而加快了火災(zāi)氣體中有毒成分的吸入和意識(shí)的混亂甚至喪失。一氧化碳是火災(zāi)氣體中最具毒理意義的成分之一,它通過形成羧基血紅蛋白阻止氧氣運(yùn)輸;尼龍、PVC燃燒所產(chǎn)生的氯化氫具有更大的毒性,它可以阻止更廣泛的細(xì)胞吸收氧氣,其毒性大約是一氧化碳的25倍,且作用非常迅速[1]。刺激性氣體如氯化氫(HCl)、溴化氫(HBr)在一定的濃度和暴露時(shí)間(即劑量)下,通過刺激上呼吸道、眼睛、鼻子、喉嚨引起不適和劇烈疼痛;在足夠高的濃度下,刺激可以穿透深層進(jìn)入肺部,引起肺部刺激效應(yīng),導(dǎo)致接觸后呼吸窘迫和死亡。現(xiàn)代建筑中的多數(shù)阻燃劑燃燒會(huì)產(chǎn)生有機(jī)物煙氣[2],如乙醛、甲醛、苯酚等,美國(guó)國(guó)家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所(NIOSH)認(rèn)為這些有機(jī)物煙氣毒性更大,具體的立即威脅生命和健康濃度(IDLH)值如表1所示。
煙塵顆粒屬于煙氣的重要組成部分,懸浮于空氣中使人視覺模糊、驚慌失措而嚴(yán)重影響逃生,同時(shí)還包含許多微粒物質(zhì),不僅具有一定的毒性,而且部分微??梢源┩阜雷o(hù)面罩,經(jīng)過呼吸道到達(dá)肺的深處,造成氣管堵塞,構(gòu)成呼吸危害。煙塵顆粒的危害程度與粒徑大小有關(guān),當(dāng)人體吸入粒徑<1 μm的煙塵顆粒時(shí),煙塵顆粒能夠進(jìn)入細(xì)支氣管,進(jìn)而阻礙肺泡的工作,嚴(yán)重危害人體的呼吸,造成不可修復(fù)的損傷。
表1 常見的有機(jī)刺激物IDLH值
人員處于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)一般有3種基本的熱暴露:①暴露于熱空氣環(huán)境中的對(duì)流熱;②暴露于火焰或熱煙氣層的輻射熱;③暴露于熱煙中的受熱物體,如熱煙顆粒??梢钥闯觯邷?zé)煔庖矔?huì)造成火災(zāi)熱損傷,對(duì)人體的傷害主要是中暑(高熱)、皮膚疼痛燒傷和呼吸道燒傷等。由于口咽部有一層潮濕的粘膜,傳熱效率高,所以大部分熱煙氣引起的熱燒傷發(fā)生在聲門以上。若長(zhǎng)時(shí)間暴露在濃煙和高溫蒸汽中,在向組織傳遞熱量之前就會(huì)將煙氣吸入肺部深處,導(dǎo)致肺泡損傷、肺水腫等難以治療的燒傷[3]。
在火災(zāi)環(huán)境中,煙氣排放的成分取決于許多變量,加之火災(zāi)的動(dòng)態(tài)特性,影響煙氣毒性的因素非常復(fù)雜,其中主要包括可燃物的性質(zhì),如可燃物的組成元素、分子構(gòu)造、添加物成分等;以及燃燒的條件,如通風(fēng)、氧濃度、溫度等對(duì)于燃燒過程的影響[4]。
材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量等在很大程度上決定了其煙氣成分,而其他添加物和填料等不可避免地也會(huì)對(duì)材料燃燒產(chǎn)物產(chǎn)生影響,繼而影響其煙氣毒性。當(dāng)可燃物的組成主要為碳、氫和氧時(shí),在火災(zāi)中其燃燒的主要產(chǎn)物為二氧化碳和水,同時(shí)伴有較少的煙塵顆粒和不完全燃燒產(chǎn)物。當(dāng)可燃物中含有硫、鹵素或磷時(shí),這些元素主要以酸性氣體的形式釋放出來(lái),如聚氯乙烯塑料燃燒,其中存在的氯大部分以HCl的形式釋放??扇嘉镏械牡饕訬2的形式釋放,生成的少量NO進(jìn)一步氧化為NO2;如果是含有大量氮的聚合物,如尼龍、聚氨酯和聚丙烯腈,很可能產(chǎn)生大量的氰化氫(HCN)、氮氧化物(NOx)和氨,同時(shí),較大火災(zāi)也可能使大氣中的氮形成非常少量的氮氧化物。
有研究表明,芳香和多烯聚合物相比于單元主鏈含苯環(huán)的聚合物有較大的產(chǎn)煙趨勢(shì)[5]。按照國(guó)標(biāo)要求,目前多數(shù)建筑材料已經(jīng)過阻燃處理,而添加的阻燃劑對(duì)材料煙毒性有較大影響。有學(xué)者對(duì)軟質(zhì)聚氨酯泡沫進(jìn)行不同尺度的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)在泡沫上覆蓋阻燃織物時(shí),泡沫將無(wú)法持續(xù)燃燒且伴隨有少量有毒煙氣產(chǎn)生;PRICE D等[6]利用磷酸三甲苯酯(TCP)作為阻燃劑,發(fā)現(xiàn)TCP可以顯著降低聚氨酯泡沫含有-NCO基團(tuán)的有毒氣體,增加CO2氣體的含量。阻燃劑的加入也會(huì)使可燃物燃燒時(shí)釋放出更多的有毒有害氣體,如基于有機(jī)鹵素或有機(jī)磷化合物的阻燃劑屬于氣相阻燃劑,通過干擾燃燒的自由基反應(yīng)破壞燃燒過程,導(dǎo)致氣相燃料分子的不完全氧化,最終使不完全燃燒產(chǎn)物的產(chǎn)量提高[7]。有些木材會(huì)添加含有重金屬的防腐劑鉻酸銅,在燃燒的過程中會(huì)使其作為重金屬氧化物釋放,如三氧化鉻和三氧化二砷。
燃燒產(chǎn)物中煙氣的毒害性與燃燒時(shí)的外界環(huán)境有很大關(guān)系。氧氣作為燃燒的必要條件之一,決定著燃燒是有焰燃燒還是無(wú)焰燃燒。火焰中自由基的高反應(yīng)性使燃料在有氧氣條件下盡可能氧化,此時(shí)燃燒所產(chǎn)生的煙氣相對(duì)較少。當(dāng)溫度低、缺乏通風(fēng)和沒有火焰時(shí),燃燒被認(rèn)為是不完全燃燒,會(huì)形成大量的有毒煙氣[8]。溫度對(duì)燃燒產(chǎn)物也有影響,有研究發(fā)現(xiàn),PU泡沫在環(huán)境溫度為700~1 000 ℃時(shí)燃燒產(chǎn)生大量HCN,在300~800 ℃時(shí)燃燒則產(chǎn)生大量CO,可以看出當(dāng)溫度高于800 ℃時(shí)HCN占主導(dǎo)地位。
在通風(fēng)良好的燃燒條件下,充足的氧氣與可燃性氣體混合,發(fā)生充分的氧化還原反應(yīng),生成完全燃燒產(chǎn)物二氧化碳和水。在通風(fēng)不良的燃燒條件下,由于氧氣供應(yīng)不足,燃燒區(qū)域溫度在300~600 ℃之間,燃燒效率低下,不完全燃燒產(chǎn)物如CO等明顯增多[9]。全尺寸的火災(zāi)通常會(huì)發(fā)展成通風(fēng)不良的有焰燃燒,產(chǎn)生的煙氣毒性遠(yuǎn)高于其他階段。值得注意的是,雖然無(wú)焰陰燃階段產(chǎn)生的煙氣毒性更高,但是其燃燒速度很慢,綜合考慮,其火災(zāi)危險(xiǎn)性仍低于通風(fēng)不良的有焰燃燒階段。
膠合板在貧氧狀態(tài)下燃燒產(chǎn)生煙塵的速率達(dá)到了富氧條件下的近5倍;尼龍?jiān)谪氀醯臈l件下燃燒產(chǎn)生CO的速率是在富氧條件下的40多倍??傮w來(lái)看,大多數(shù)物質(zhì)在通風(fēng)不良的貧氧燃燒狀態(tài)下產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)都高于在富氧條件下的若干倍。
火災(zāi)煙氣毒性是火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基本組成部分,為評(píng)估燃燒產(chǎn)物的毒性,眾多學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)研究評(píng)估,提出了N-氣體模型,以及在N-氣體模型基礎(chǔ)上發(fā)展的FED模型,即有效劑量分?jǐn)?shù)法。在綜合考慮溫度、煙氣毒性、能見度3個(gè)因素的情況下,提出了THVCH模型對(duì)火災(zāi)煙氣的危害性進(jìn)行評(píng)估。THVCH模型與N-氣體模型及FED模型在本質(zhì)上是相似的,也是用常見的少數(shù)幾種有毒氣體來(lái)評(píng)價(jià)煙氣的整體毒害性,不同的是其也考慮了煙氣能見度、輻射熱對(duì)火場(chǎng)中人員的影響,更加全面地展現(xiàn)了火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)煙氣毒害的多樣性和復(fù)雜性。
隨著煙氣毒性研究的發(fā)展,毒性評(píng)估在世界范圍內(nèi)逐漸發(fā)生變化,其主要目的是通過3R′s方法(減少、替代和改進(jìn))來(lái)減少動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。3R′s原則已被公認(rèn)為是動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中人道對(duì)待和替代方法的科學(xué)基礎(chǔ)。將人類細(xì)胞與體外細(xì)胞毒性技術(shù)相結(jié)合,研究毒物對(duì)活細(xì)胞的毒性程度,例如MTT和MTS試驗(yàn)[10-12]。在體外細(xì)胞毒性方面,常用的毒性表達(dá)是50%抑制濃度或?qū)е?0%活細(xì)胞活性抑制的濃度 (IC50),IC50與常規(guī)動(dòng)物毒性中的 50%致死劑量(LD50)有一定聯(lián)系。有研究表明,將使用空氣/液體界面直接暴露技術(shù)的體外方法產(chǎn)生的IC50值和LC50毒性數(shù)據(jù)相比較,體外結(jié)果顯示出比傳統(tǒng)動(dòng)物毒性實(shí)驗(yàn)更大的敏感性[12]。體外實(shí)驗(yàn)用人肺細(xì)胞產(chǎn)生的IC50值與預(yù)測(cè)的人急性吸入毒性值(LC50人)和動(dòng)物急性吸入毒性值(LC50動(dòng)物)的比較表明,體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果與人急性吸入毒性的關(guān)系比動(dòng)物實(shí)驗(yàn)更密切[13]。
通過許多關(guān)于燃燒刺激性氣體毒性的研究可以發(fā)現(xiàn),小鼠和大鼠對(duì)于相同的毒性條件尚且表現(xiàn)出不同的敏感性[14],人類則會(huì)表現(xiàn)出更大的差異,因此動(dòng)物實(shí)驗(yàn)不足以作為預(yù)測(cè)對(duì)人類毒性的模型。使用MTT和MTS的體外方法在預(yù)測(cè)快速作用的化學(xué)物質(zhì)(如酸和堿)的毒性方面更加敏感,特別是在評(píng)估燃燒產(chǎn)生的刺激性氣體方面,體外方法提供了更準(zhǔn)確的毒性信息,有可能取代燃燒毒理學(xué)領(lǐng)域的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。
煙氣的毒害性和復(fù)雜性主要是由可燃物的性質(zhì)和燃燒的外界環(huán)境條件兩方面決定。不同的可燃物燃燒產(chǎn)生煙氣中的毒害物質(zhì)種類和濃度都是不同的;同一種物質(zhì)在不同的氧氣濃度下燃燒產(chǎn)生煙氣中的毒害物質(zhì)種類和濃度也是不同的。
常規(guī)的煙氣毒性評(píng)估方法如N-氣體模型、FED模型和THVCH模型,都是以動(dòng)物染毒實(shí)驗(yàn)作為數(shù)據(jù)來(lái)源。在考慮動(dòng)物人道對(duì)待的前提下,將人類細(xì)胞與體外細(xì)胞毒性技術(shù)相結(jié)合,研究毒物對(duì)活細(xì)胞的毒性程度,可能替代動(dòng)物活體實(shí)驗(yàn)。為完全取代動(dòng)物實(shí)驗(yàn),未來(lái)的研究方向應(yīng)考慮整合體外方法,有助于在燃燒毒理學(xué)領(lǐng)域?qū)馂?zāi)危險(xiǎn)性進(jìn)行更全面的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。