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毒性物質(zhì)擴散后果預測

轉載。

安全不僅與可燃物質(zhì)有關(guān)
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Gexcon在預測可燃物質(zhì)釋放危害(形成可燃氣云、導致蒸氣云爆炸或火災)的專(zhuān)業(yè)性已受到廣泛認可，同時(shí)Gexcon從未忽略毒性物質(zhì)泄漏可能帶來(lái)的更嚴重威脅。Gexcon能夠提供可以預測氣體濃度的專(zhuān)業(yè)擴散模型，然而，將毒性濃度轉化為相應后果則需要一種與可燃氣云截然不同的方法。在本文中，將介紹泄漏產(chǎn)生毒性氣云轉化為相應后果的基礎知識。




濃度水平轉化為毒性劑量
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本文主要關(guān)注的是毒性物質(zhì)吸入體內所引起的急性中毒。某些化學(xué)物質(zhì)(例如，酸)會(huì )對皮膚或眼睛造成傷害，長(cháng)期接觸某些揮發(fā)物也可能導致嚴重的慢性疾病，這類(lèi)傷害不在本文考慮范疇。Gexcon在安全研究實(shí)踐中主要關(guān)注意外發(fā)生后，在較短時(shí)間內吸入毒性物質(zhì)所導致的致命傷害。 
可燃氣云帶來(lái)的風(fēng)險與氣云尺寸及可燃范圍內的質(zhì)量相關(guān)。后者通?；?/span>“可燃下限”濃度水平獲得，但毒性的影響不會(huì )出現在某一特定濃度水平之上。為了能夠預測潛在的致死后果，毒性濃度被轉化為“累積毒性劑量”，與暴露在毒性物質(zhì)下的持續時(shí)間有關(guān)，計算方式為“濃度*暴露時(shí)間”。對于這樣的劑量計算，必須考慮某個(gè)位置的濃度，但該濃度通常不是恒定的，往往是隨著(zhù)氣云擴散而變化的時(shí)間函數，因此要使用濃度對時(shí)間的積分來(lái)表示累積毒性劑量，如下圖所示。
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圖1 毒性劑量示意圖

暴露于毒性物質(zhì)的影響也取決于其濃度本身。例如，人們可以長(cháng)時(shí)間忍受氨的氣味而不會(huì )受傷，但對于更高濃度的氨氣，吸入體內的后果是毀滅性的。這就是為什么可以用指數函數校正毒性劑量，毒性劑量的實(shí)際定義為濃度的N次冪*時(shí)間(CN*t)。該指數N取決于化學(xué)物質(zhì)的種類(lèi)，被稱(chēng)為“Probit常數N”。在環(huán)氧乙烷等物質(zhì)的劑量常數(Probit常數N)為1的情況下，氯的為2.75，因此，在相同濃度水平和暴露時(shí)間條件下，氯的毒性劑量更高。不同暴露時(shí)間條件下，致死率隨氯(N=2.75)和環(huán)氧乙烷(N=1)的濃度變化情況如下圖所示。


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圖2 致死率隨濃度變化曲線(xiàn)


一些化學(xué)物質(zhì)的Probit指數N非常大，例如二氧化碳的Probit常數N為8，其毒性劑量將隨著(zhù)濃度的增加而急劇上升，從而達到致死劑量。





從劑量到Probit

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在獲取化學(xué)物質(zhì)的毒性劑量(CN*t)后，轉化為傷害還需要另外兩個(gè)常數A和B。暴露在毒性濃度中的Probit被定義為：

Pr=A+B*ln(Dose)

由此得到的Pr值是對致死概率的直接度量。同樣，A和B也是基于物質(zhì)種類(lèi)的常數，可以用來(lái)區分重度毒性物質(zhì)和輕度毒性物質(zhì)。這就是為什么在EFFECTS及RISKCURVES軟件的化學(xué)品數據庫中儲存這些Probit常數(A、B、N，后文統稱(chēng)Probit常數)作為有毒化學(xué)物質(zhì)獨特屬性的原因。


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圖3 Probit定義



從Probit到損害

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氯和丙烯腈的毒性Probit值顯示了所導致的損害程度，即致死率。Probit值可直接轉化為相應的概率，如圖4所示，在此類(lèi)場(chǎng)景中對應百分比致死率。相同的Probit計算方法也應用于將熱輻射轉化為一級、二級和致命性燒傷等損害，熱輻射具有特定的Probit常數。

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圖4 從Pronit到損害的轉化



法國與荷蘭對氨的判定

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關(guān)于毒性的強弱，國際上并沒(méi)有完全達成共識。盡管世界各地的毒理學(xué)家在進(jìn)行有效合作，但目前還沒(méi)有關(guān)于毒性數據的“官方”國際協(xié)議。EFFECTS及RISKCURVES軟件基于荷蘭Coloured Book所研發(fā)，其中已包含荷蘭官方所公布的毒性Probit常數。對于其它國家的用戶(hù)，可能需要手動(dòng)調整Probit常數。例如，法國官方針對氨發(fā)布了不同的毒性Probit常數。



毒性濃度閾值等級

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由于毒性Probit方法尚未被國際社會(huì )完全接受，部分用戶(hù)還應用了一些典型的濃度閾值。在EFFECTS及RISKCURVES的化學(xué)品數據庫中也提供了一些特定的閾值，例如IDLH(Immediately Dangerous for Life and Health，由美國國家職業(yè)安全與健康研究所NIOSH公布)、ERPG等級(Emergency Response Planning Guideline等級，由美國工業(yè)衛生協(xié)會(huì )AIHA公布)及AEGL等級(Acute Exposure Guideline Levels，由美國環(huán)境保護署EPA公布)等。
這些閾值展示了特定的濃度等級(ppm或mg/m3)，一些閾值還與時(shí)間相關(guān)，例如不同暴露時(shí)間下的AEGL閾值不同，分為600s、1800s和3600s等。人們可能可以短時(shí)間內承受某些濃度閾值(例如在幾個(gè)呼吸的時(shí)間里承受IDLH濃度)，只有在暴露時(shí)間較長(cháng)的情況下，才會(huì )產(chǎn)生嚴重的后果。由于沒(méi)有指定濃度閾值在特定位置存在的時(shí)間，所以使用濃度等級閾值可能過(guò)于保守。因此，建議將濃度加上暴露時(shí)間轉化為相關(guān)劑量(需要用到常數N，通過(guò)(濃度)N*暴露時(shí)間來(lái)計算得到)。
EFFECTS及RISKCURVES中的毒性擴散模型允許用戶(hù)自定義劑量(ppm^N*min或其它劑量單位)來(lái)得到相應的等值線(xiàn)。等值線(xiàn)直觀(guān)的展示了在整個(gè)擴散過(guò)程中，相關(guān)位置是否超過(guò)了特定的濃度等級。
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圖5 擴散濃度閾值等值線(xiàn)



毒性暴露時(shí)間和室內暴露的影響

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顯然，泄漏的持續時(shí)間決定了氣云在距泄漏點(diǎn)特定距離處的最大暴露持續時(shí)間或氣云通過(guò)的時(shí)間。除了氣云擴散的持續時(shí)間外，通常還默認最大“暴露持續時(shí)間”限制為1800s(半小時(shí))。因為人們普遍認為，一旦發(fā)生緊急情況，人們將會(huì )接收到警報，周?chē)娜巳簩⒃谠摃r(shí)間內撤離到安全位置。
典型的警報或疏散行動(dòng)都應在應急準備計劃中得到具體說(shuō)明。因此，“最大暴露持續時(shí)間”可以用于限制暴露時(shí)間過(guò)長(cháng)。但需要注意，這個(gè)時(shí)間限制可以有不同的含義。例如，是否從事故發(fā)生的時(shí)刻開(kāi)始計算(因為這個(gè)時(shí)候可能觸發(fā)警報系統)？或者人們是否會(huì )有一段反應時(shí)間？會(huì )不會(huì )在氣云擴散到生活區，人們聞到奇怪氣味后才做出反應？這些選項都可以在EFFECTS和RISKCURVES中進(jìn)行定義。
即使人員躲避在室內，由于不可避免的通風(fēng)，毒性氣體也可能在室內積聚。這種高度依賴(lài)于室內通風(fēng)率的毒性劑量累積也包含在EFFECTS和RISKCURVES軟件的計算中。



吸入或“接收器”高度

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氣云濃度會(huì )隨著(zhù)高度而發(fā)生變化。毒性致死率通常是基于1.5m或1m高度的氣云濃度進(jìn)行計算。對于重氣來(lái)說(shuō)，地面的濃度可能更高，而居住在公寓樓高層的人們受到毒性氣云的影響較小。這就是“接收器”高度對于計算的重要性，計算所得到的毒性濃度等值線(xiàn)(例如圖5中的紅綠色區域)僅適用于所定義的高度。



具備多種毒性計算方法

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盡管毒性后果的計算并不統一，但EFFECTS和RISKCURVES軟件中的擴散模型支持各種方法。其化學(xué)物質(zhì)數據庫中已包含了所有常見(jiàn)毒性物質(zhì)的Probit常數，同時(shí)還包括了所有國際上已知的毒性濃度閾值。如果化學(xué)物質(zhì)的官方Probit常數未知，在EFFECTS中可通過(guò)專(zhuān)用的“動(dòng)物實(shí)驗轉化”模型，將動(dòng)物實(shí)驗的LD50(半數致死量)值轉化為毒性Probit常數后使用。