毒性物质扩散后果预测

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时间 2024-04-27 03:32:58

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安全不仅与可燃物质有关

Gexcon在预测可燃物质释放危害(形成可燃气云、导致蒸气云爆炸或火灾)的专业性已受到广泛认可，同时Gexcon从未忽略毒性物质泄漏可能带来的更严重威胁。Gexcon能够提供可以预测气体浓度的专业扩散模型，然而，将毒性浓度转化为相应后果则需要一种与可燃气云截然不同的方法。在本文中，将介绍泄漏产生毒性气云转化为相应后果的基础知识。

浓度水平转化为毒性剂量

本文主要关注的是毒性物质吸入体内所引起的急性中毒。某些化学物质(例如，酸)会对皮肤或眼睛造成伤害，长期接触某些挥发物也可能导致严重的慢性疾病，这类伤害不在本文考虑范畴。Gexcon在安全研究实践中主要关注意外发生后，在较短时间内吸入毒性物质所导致的致命伤害。

可燃气云带来的风险与气云尺寸及可燃范围内的质量相关。后者通常基于“可燃下限”浓度水平获得，但毒性的影响不会出现在某一特定浓度水平之上。为了能够预测潜在的致死后果，毒性浓度被转化为“累积毒性剂量”，与暴露在毒性物质下的持续时间有关，计算方式为“浓度*暴露时间”。对于这样的剂量计算，必须考虑某个位置的浓度，但该浓度通常不是恒定的，往往是随着气云扩散而变化的时间函数，因此要使用浓度对时间的积分来表示累积毒性剂量，如下图所示。

图1 毒性剂量示意图

暴露于毒性物质的影响也取决于其浓度本身。例如，人们可以长时间忍受氨的气味而不会受伤，但对于更高浓度的氨气，吸入体内的后果是毁灭性的。这就是为什么可以用指数函数校正毒性剂量，毒性剂量的实际定义为浓度的N次幂*时间(C^N*t)。该指数N取决于化学物质的种类，被称为“Probit常数N”。在环氧乙烷等物质的剂量常数(Probit常数N)为1的情况下，氯的为2.75，因此，在相同浓度水平和暴露时间条件下，氯的毒性剂量更高。不同暴露时间条件下，致死率随氯(N=2.75)和环氧乙烷(N=1)的浓度变化情况如下图所示。

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图2 致死率随浓度变化曲线

一些化学物质的Probit指数N非常大，例如二氧化碳的Probit常数N为8，其毒性剂量将随着浓度的增加而急剧上升，从而达到致死剂量。

从剂量到Probit

在获取化学物质的毒性剂量(C^N*t)后，转化为伤害还需要另外两个常数A和B。暴露在毒性浓度中的Probit被定义为：

Pr=A+B*ln(Dose)

由此得到的Pr值是对致死概率的直接度量。同样，A和B也是基于物质种类的常数，可以用来区分重度毒性物质和轻度毒性物质。这就是为什么在EFFECTS及RISKCURVES软件的化学品数据库中储存这些Probit常数(A、B、N，后文统称Probit常数)作为有毒化学物质独特属性的原因。

图3 Probit定义

从Probit到损害

氯和丙烯腈的毒性Probit值显示了所导致的损害程度，即致死率。Probit值可直接转化为相应的概率，如图4所示，在此类场景中对应百分比致死率。相同的Probit计算方法也应用于将热辐射转化为一级、二级和致命性烧伤等损害，热辐射具有特定的Probit常数。

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图4 从Pronit到损害的转化

法国与荷兰对氨的判定

关于毒性的强弱，国际上并没有完全达成共识。尽管世界各地的毒理学家在进行有效合作，但目前还没有关于毒性数据的“官方”国际协议。EFFECTS及RISKCURVES软件基于荷兰Coloured Book所研发，其中已包含荷兰官方所公布的毒性Probit常数。对于其它国家的用户，可能需要手动调整Probit常数。例如，法国官方针对氨发布了不同的毒性Probit常数。

毒性浓度阈值等级

由于毒性Probit方法尚未被国际社会完全接受，部分用户还应用了一些典型的浓度阈值。在EFFECTS及RISKCURVES的化学品数据库中也提供了一些特定的阈值，例如IDLH(Immediately Dangerous for Life and Health，由美国国家职业安全与健康研究所NIOSH公布)、ERPG等级(Emergency Response Planning Guideline等级，由美国工业卫生协会AIHA公布)及AEGL等级(Acute Exposure Guideline Levels，由美国环境保护署EPA公布)等。

这些阈值展示了特定的浓度等级(ppm或mg/m3)，一些阈值还与时间相关，例如不同暴露时间下的AEGL阈值不同，分为600s、1800s和3600s等。人们可能可以短时间内承受某些浓度阈值(例如在几个呼吸的时间里承受IDLH浓度)，只有在暴露时间较长的情况下，才会产生严重的后果。由于没有指定浓度阈值在特定位置存在的时间，所以使用浓度等级阈值可能过于保守。因此，建议将浓度加上暴露时间转化为相关剂量(需要用到常数N，通过(浓度)^N*暴露时间来计算得到)。

EFFECTS及RISKCURVES中的毒性扩散模型允许用户自定义剂量(ppm^N*min或其它剂量单位)来得到相应的等值线。等值线直观的展示了在整个扩散过程中，相关位置是否超过了特定的浓度等级。

图5 扩散浓度阈值等值线

毒性暴露时间和室内暴露的影响

显然，泄漏的持续时间决定了气云在距泄漏点特定距离处的最大暴露持续时间或气云通过的时间。除了气云扩散的持续时间外，通常还默认最大“暴露持续时间”限制为1800s(半小时)。因为人们普遍认为，一旦发生紧急情况，人们将会接收到警报，周围的人群将在该时间内撤离到安全位置。

典型的警报或疏散行动都应在应急准备计划中得到具体说明。因此，“最大暴露持续时间”可以用于限制暴露时间过长。但需要注意，这个时间限制可以有不同的含义。例如，是否从事故发生的时刻开始计算(因为这个时候可能触发警报系统)？或者人们是否会有一段反应时间？会不会在气云扩散到生活区，人们闻到奇怪气味后才做出反应？这些选项都可以在EFFECTS和RISKCURVES中进行定义。

即使人员躲避在室内，由于不可避免的通风，毒性气体也可能在室内积聚。这种高度依赖于室内通风率的毒性剂量累积也包含在EFFECTS和RISKCURVES软件的计算中。

吸入或“接收器”高度

气云浓度会随着高度而发生变化。毒性致死率通常是基于1.5m或1m高度的气云浓度进行计算。对于重气来说，地面的浓度可能更高，而居住在公寓楼高层的人们受到毒性气云的影响较小。这就是“接收器”高度对于计算的重要性，计算所得到的毒性浓度等值线(例如图5中的红绿色区域)仅适用于所定义的高度。

具备多种毒性计算方法

尽管毒性后果的计算并不统一，但EFFECTS和RISKCURVES软件中的扩散模型支持各种方法。其化学物质数据库中已包含了所有常见毒性物质的Probit常数，同时还包括了所有国际上已知的毒性浓度阈值。如果化学物质的官方Probit常数未知，在EFFECTS中可通过专用的“动物实验转化”模型，将动物实验的LD50(半数致死量)值转化为毒性Probit常数后使用。