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毒性物質擴散后果預測

轉載。

安全不僅與可燃物質有關
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Gexcon在預測可燃物質釋放危害(形成可燃氣云、導致蒸氣云爆炸或火災)的專業(yè)性已受到廣泛認可，同時Gexcon從未忽略毒性物質泄漏可能帶來的更嚴重威脅。Gexcon能夠提供可以預測氣體濃度的專業(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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本文主要關注的是毒性物質吸入體內所引起的急性中毒。某些化學物質(例如，酸)會對皮膚或眼睛造成傷害，長期接觸某些揮發(fā)物也可能導致嚴重的慢性疾病，這類傷害不在本文考慮范疇。Gexcon在安全研究實踐中主要關注意外發(fā)生后，在較短時間內吸入毒性物質所導致的致命傷害。 
可燃氣云帶來的風險與氣云尺寸及可燃范圍內的質量相關。后者通常基于“可燃下限”濃度水平獲得，但毒性的影響不會出現(xiàn)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”，與暴露在毒性物質下的持續(xù)時間有關，計算方式為“濃度*暴露時間”。對于這樣的劑量計算，必須考慮某個位置的濃度，但該濃度通常不是恒定的，往往是隨著氣云擴散而變化的時間函數(shù)，因此要使用濃度對時間的積分來表示累積毒性劑量，如下圖所示。
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圖1 毒性劑量示意圖

暴露于毒性物質的影響也取決于其濃度本身。例如，人們可以長時間忍受氨的氣味而不會受傷，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(shù)函數(shù)校正毒性劑量，毒性劑量的實際定義為濃度的N次冪*時間(CN*t)。該指數(shù)N取決于化學物質的種類，被稱為“Probit常數(shù)N”。在環(huán)氧乙烷等物質的劑量常數(shù)(Probit常數(shù)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間條件下，氯的毒性劑量更高。不同暴露時間條件下，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


一些化學物質的Probit指數(shù)N非常大，例如二氧化碳的Probit常數(shù)N為8，其毒性劑量將隨著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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在獲取化學物質的毒性劑量(CN*t)后，轉化為傷害還需要另外兩個常數(shù)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也是基于物質種類的常數(shù)，可以用來區(qū)分重度毒性物質和輕度毒性物質。這就是為什么在EFFECTS及RISKCURVES軟件的化學品數(shù)據(jù)庫中儲存這些Probit常數(shù)(A、B、N，后文統(tǒng)稱Probit常數(shù))作為有毒化學物質獨特屬性的原因。


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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，在此類場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(shù)。

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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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關于毒性的強弱，國際上并沒有完全達成共識。盡管世界各地的毒理學家在進行有效合作，但目前還沒有關于毒性數(shù)據(jù)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(shù)。對于其它國家的用戶，可能需要手動調整Probit常數(shù)。例如，法國官方針對氨發(fā)布了不同的毒性Probit常數(shù)。



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完全接受，部分用戶還應用了一些典型的濃度閾值。在EFFECTS及RISKCURVES的化學品數(shù)據(jù)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(wèi)生協(xié)會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)，一些閾值還與時間相關，例如不同暴露時間下的AEGL閾值不同，分為600s、1800s和3600s等。人們可能可以短時間內承受某些濃度閾值(例如在幾個呼吸的時間里承受IDLH濃度)，只有在暴露時間較長的情況下，才會產生嚴重的后果。由于沒有指定濃度閾值在特定位置存在的時間，所以使用濃度等級閾值可能過于保守。因此，建議將濃度加上暴露時間轉化為相關劑量(需要用到常數(shù)N，通過(濃度)N*暴露時間來計算得到)。
EFFECTS及RISKCURVES中的毒性擴散模型允許用戶自定義劑量(ppm^N*min或其它劑量單位)來得到相應的等值線。等值線直觀的展示了在整個擴散過程中，相關位置是否超過了特定的濃度等級。
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圖5 擴散濃度閾值等值線



毒性暴露時間和室內暴露的影響

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顯然，泄漏的持續(xù)時間決定了氣云在距泄漏點特定距離處的最大暴露持續(xù)時間或氣云通過的時間。除了氣云擴散的持續(xù)時間外，通常還默認最大“暴露持續(xù)時間”限制為1800s(半小時)。因為人們普遍認為，一旦發(fā)生緊急情況，人們將會接收到警報，周圍的人群將在該時間內撤離到安全位置。
典型的警報或疏散行動都應在應急準備計劃中得到具體說明。因此，“最大暴露持續(xù)時間”可以用于限制暴露時間過長。但需要注意，這個時間限制可以有不同的含義。例如，是否從事故發(fā)生的時刻開始計算(因為這個時候可能觸發(fā)警報系統(tǒng))？或者人們是否會有一段反應時間？會不會在氣云擴散到生活區(qū)，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中進行定義。
即使人員躲避在室內，由于不可避免的通風，毒性氣體也可能在室內積聚。這種高度依賴于室內通風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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氣云濃度會隨著高度而發(fā)生變化。毒性致死率通常是基于1.5m或1m高度的氣云濃度進行計算。對于重氣來說，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(例如圖5中的紅綠色區(qū)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(tǒng)一，但EFFECTS和RISKCURVES軟件中的擴散模型支持各種方法。其化學物質數(shù)據(jù)庫中已包含了所有常見毒性物質的Probit常數(shù)，同時還包括了所有國際上已知的毒性濃度閾值。如果化學物質的官方Probit常數(shù)未知，在EFFECTS中可通過專用的“動物實驗轉化”模型，將動物實驗的LD50(半數(shù)致死量)值轉化為毒性Probit常數(shù)后使用。