Углерод. Химия углерода и его соединений | CHEMEGE.RU

Илья Кижватов, Олег Один
poga at westra.ru
Версия 0.2, 2022-11-11
Версия для печати (PDF, 704 KB)
Вместо введения

Перевод заключения из одной англоязычной статьи 2004 года [1]:

Описания произошедших случаев подтверждают, что отравление угарным газом в палатках и снежных пещерах — реальная проблема, которая обойдена вниманием. Эта проблема особо серьёзна на высоте из-за множества факторов, увеличивающих риск отравления CO. Несмотря на множество ходящих в альпинистских кругах баек о восходителях, почивших от отравления CO на гималайских пиках, не похоже, что эта опасность широко известна.

Ну а чистапаруски — некоторая практика показывает, что если пользоваться горелкой в палатке без определённой предосторожности, особенно в горных условиях, то можно отравиться угарным газом, что очень негативно сказывается на головном мозге, вызывая ряд весьма неприятных острых и хронических неврологических проявлений типа внезапной смерти. Пережившие острое отравление обычно страдают от различных пагубных последствий, которые могут преследовать несчастных в течение месяцев, лет, или даже пожизненно.

Цель этого обзора — заполнить пробел, наблюдаемый по теме в русскоязычном Интернете. Тема несколько раз всплывала в горных и туристических форумах при обсуждении ЧП (например [4-6]), но какого-либо систематического материала нет1. При этом на английском языке информации об опасности отравления CO от горелок обнаружилось достаточно.

Обзор написан в практической последовательности: сначала краткие факты, без которых совсем никак, потом — список действий, снижающих риск отравления, и затем — чуть подробнее про сравнение горелок на предмет выделения угарного газа. Детали для «ботанов» (the devil is in the detail!) — в приложениях и в источниках.
Факты

Или краткий курс молодого бойца, чтобы знать врага. Сначала общие:

1. Угарный газ, он же мон(о)оксид углерода, он же CO, выделяется вместе c углекислым газом (CO2) при сгорании газа (пропана, бутана, …), бензина, дров и прочих органических топлив.
В зависимости от условий горения количество выделяемого CO может быть разным.

2. Туристические горелки, как газовые, так и бензиновые — не исключение. Они выделяют как CO2, так и некоторое количество CO.
Подробнее — см. ниже.

3. Как и CO2, угарный газ бесцветен и не имеет запаха и вкуса.
Без специального датчика вы его не заметите. Внимание: далеко не все портативные датчики хорошо работают в типичных для высоты условиях низкого давления, низкой температуры и высокой влажности; смотрите на характеристики! (Тема в разработке.)

4. В отличие от CO2, угарный газ немного легче воздуха (сухого).
Но поднимется к потолку палатки он не из-за этого; см. ниже.

5. В отличие от CO2, угарный газ очень прочно связывается с гемоглобином в крови, не позволяя гемоглобину переносить кислород, и долго выходит из крови.
Подробно про патофизиологию — см. в приложении.

6. При высокой концентрации CO в крови наступает кома и смерть.
Даже если тяжело отравившегося успеют заметить и «откачать», могут остаться долговременные последствия.

7. Высокая концентрация CO в крови может наступить не только при высокой концентрации CO в воздухе, но и при длительном нахождении в простанстве с невыской концентрацией CO в воздухе.
Таком, как закрытая от непогоды палатка с работающей горелкой или другим прибором, сжигающим органическое топливо.

8. Симптомы начала отравления угарным газом — мягкая головная боль, тошнота, ощущение разбитости.
Чем-то очень похоже на горняшку. Подробности в приложении.

9. Избыток углекислого газа, напротив, стимулирует дыхательную активность.
Именно поэтому часто описываемые случаи «проснулся от того, что задыхаюсь, чиркнул зажигалкой — не горит, полез откапывать палатку» связаны с избытком углекислого газа, а не с отравлением угарным газом. В случае угарного газа рассказчик скорее всего не проснулся бы.

И специфические для горного туризма и альпинизма:

10. На высоте из-за пониженного давления отравление CO наступает при более низких его концентрациях в крови, чем на уровне моря.
Подробности — в приложении.

11. На высоте симптомы отравления CO легко перепутать с горной болезнью.
И потому проигнорировать.

12. При отсидке в палатке в непогоду симптомы отравления CO легко не заметить.
В основном из-за отсутствия двигательной активности.

13. При отсидке в снегопад вентиляция палатки ухудшается.
От этого, конечно, тепло и хорошо…
Как уменьшить риск отравления угарным газом в палатке?

Вот список с рекомендациями, как надо обращаться с горелкой, чтобы не отравиться CO. Список взят из [2] и немного изменён с учётом более свежей информации из [3]. Курсивом даны примечания авторов этого обзора. Объяснение причин — частично в следующих секциях и в первоисточнике.

Фактор риска — приготовление пищи на горелке. Действие:
Держать посуду не в пламени, а над ним. Раннее охлаждение пламени — основной фактор повышенного выделения CO, см. ниже. Избегать длительной готовки на слабом огне. Выставить голубое пламя, избегать жёлтого пламени и длинного пламени. Держать высокое давление в топливном баллоне. Использовать очищенные топлива.

Фактор риска — жёлтое пламя. Действие:
Выключить горелку, подкачать топливный баллон, зажечь снова. Максимально провентилировать палатку в течение нескольких минут.
Фактор риска — неадекватная вентиляция палатки. Действие:
Вентиляция по крайней мере эквивалентная отверстию в 50 см2..Для круглого отверстия это соответствует радиусу 4 см, то есть примерно как ладонь или чуть меньше (если вы не Кинг-Конг и не Дюймовочка). Отверстие для выхода СO расположить как можно более высоко, потому что CO вместе с другими продуктами горения будет вознесён конвекционным потоком под свод палатки. Отверстие для притока свежего воздуха расположить низко. Избегать минимальной вентиляции, которая (парадоксально) увеличивает концентрацию CO. Имеется в виду ситуация, когда оставлено очень маленькое отверстие. Лучше в таком случае закрыть совсем, но устраивать регулярные мощные проветривания. Учитывать повышенный риск накопления CO в палатке в полный штиль.

Фактор риска -скрытое начало отравления в условиях низкой подвижности. Действие:
Обращать внимание на головную боль и тахикардию (учащённый пульс). Регулярно совершать вылазки наружу, чтобы демаскировать симптомы.

Фактор риска -продолжительность воздействия CO. Действие:
См. выше и ниже.

Фактро риска -застой воздуха в палатке (низкое содержание кислорода). Действие:
Регулярно проветривать. Можно обойтись без постоянного вентилирования.

Фактор риска — обезвоживание. Действие:
Достаточное питьё.

Фактор риска — Обледенение тента и накопление снега на тенте. Действие:
Регулярно чистить палатку, чтобы поддержать проницаемость ткани тента. Старые снежные пещеры хуже, чем палатки.

Сравнение горелок по выделению CO.

Австралийский турист (и обладатель Ph.D. по физике) Роджер Каффин написал целый цикл статей [3] про выделение угарного газа горелками. Как и обзор [2], это «мастрид» по теме для тех, кто читает по-английски. Здесь — практические выжимки.

Во-первых, Каффин провёл много экспериментов с горелками на предмет того, в каких случаях выделяется больше CO. Кратко в таблице выше уже было об этом сказано: а) не ставить посуду прямо в пламя и б) не допускать жёлтого пламени. Потому что:

· Посуда в огне охлаждает пламя (англ. термин flame quenching) и препятствует полному окислению углерода, оставляя много угарного газа.

· Жёлтое пламя, а также длинное пламя — свидетельство такого неполного окисления.

(В некоторых статьях было отмечено, что на процесс горения влияет ещё и диаметр посуды. Эксперименты Каффина показали , что это не имеет большого эффекта и вторично; главное — не засовывать посуду в пламя.)

Во-вторых, Каффин сравнил множество горелок на предмет выделения CO. В результате он выявил несколько патологических случаев, и попробовал разобраться, в чём там дело. Чтобы на такой патологических случай не нарваться при покупке горелки (либо при пользовании таковой, если уже есть) — вот выдержка из итоговой таблицы с результатами тестов для газовых горелок на разных режимах работы.

Горелка Достигаемая концентрация CO в воздухе, в ppm
низкая мощность средняя мощность высокая мощность

Brunton Flex 160 158 142

Brunton Raptor 88 — 286

Coleman Xtreme 5 — 5

Coleman F1 Ultralight 75 — 154

Jetboil GCS, с ёмкостью 5 6 90

Kovea Expedition 6 — 12

Kovea Moonwalker 30 — 50

МSR WindPro 30 85

MSR PocketRocket 240 220 140

MSR Reactor, c ёмкостью 1000 — 50

Primus Gravity MF 10 — 100

Primus Eta Power EF, с ёмкостью 3 8 13

Primus Micron Ti 2.5 40 88 90

Snow Peak GS(T)100 5 — 21

Snow Peak GS200D 260 — 130

В таблицу включены не все горелки из первоисточника. Включенные по-прежнему показывают, что а) горелки ведут себя очень по-разному и б) даже у одного производителя разные горелки показывают разные результаты. Условия эксперимента опускаем, оставляя здесь только сравнение. Кому нужны подробности — см. первоисточник.

Здесь приведём только данные из таблицы концентраций из статьи Каффина, без которых не очень понятно, что значат цифры в таблице выше. Таблица составлена на основе норм США и Великобритании (ВБ)2, которые рассчитаны для уровня моря. Ppm — это parts per million, частей на миллион, то есть 1 ppm — это 0.0001%.

Концентрация СO в воздухе, ppm Эффект, описание

0-1 Нормальный уровень

9 Макс. допустимое значение для кратковременной экспозиции в гостиной (США)

25 Часто встречается на главных дорогах

30 8-часовой предел, по нормам здоровья и безопасности (ВБ)

35 Предлагаемая макс. допустимая концентрация для непрерывной экспозиции в течение 8 часов (США)

100 Может наблюдаться на главных дорогах во время метеорологических инверсий (ВБ)

200 15-минутный предел по нормам здоровья и безопасности (ВБ)

200 Слабая головная боль, слабость, тошнота, сонливость после 2-3 часов; предел для кратковременной экспозиции (США)

300 Может привести к коллапсу (ВБ)

400 Фронтальная головная боль, более 3 часов — опасно для жизни

Подробно про то, как и при каком времени воздействия эти концентрации влияют на организм, и сколько примерно держатся в палатке, см. в приложении и в статьях [1] и [2].

Возвращаясь к результатам по горелкам: получается, что некоторые горелки в определённых режимах приводят к потенциально опасным концентрациям угарного газа в замкнутом объёме. Чтобы быть конкретным: представим, что вы отсиживаетесь в непогоду в палатке, плотно её закрыв, иногда работает некая горелка, которая создаёт концентрации CO в воздухе внутри палатки на уровне 50-100 ppm (таких моделей хватает, как видно из таблицы). При воздействии в несколько часов такая концентрация опасна.

Почему некоторые горелки выделяют больше CO на повышенной мощности? Каффин по результатам экспериментов делает вывод, что у них недостаточно велики воздухозаборные отверстия: на повышенной мощности необходимо больше воздуха, чтобы пламя было достаточно коротким и не охлаждалось посудой. Ещё нужно учитывать, что тесты проводились на уровне моря, а на высоте с понижением давления для горения без выделения большого количества CO необходим ещё больший приток кислорода.

Отдельно про MSR Reactor, который на низкой мощности приводит к запредельной концентрации CO. Каффин объясняет это (проведя отдельное исследование) тем, что на низкой мощности воздух из-за особенностей конструкции этой горелки практически перестаёт подсасываться во входое отверстие, и потому топливо сжигается в режиме исключительного кислородного голодания. Недостаток кислорода приводит к тому, что вторая стадия процесса горения (окисление CO в CO2) просто не может произойти, и потому в результате остаётся большое количество CO.

Итак, ещё раз основные результаты из [3]:

· основная причина повышенного выделения CO — раннее охлаждение пламени, в результате которого не происходит полного окисления углерода;

· основной источник раннего охлаждения пламени — слишком низко расположенная ёмкость для готовки (в одном из тестов увеличение клиренса всего на 5 мм сократило выделение CO в два раза);

· недостаток притока воздуха на некоторых режимах работы горелок, связанный с размером воздухозаборников; усугубляется с высотой.

Оставляя прочие детали: любая горелка в палатке требует адекватной вентиляции!
Вместо заключения

Из той же статьи 2004 года [1]:

Мы надеемся не видеть более сообщений о случаях, когда молодые, тренированные люди умирают от причины, которую можно полностью предотвратить.
Источники:

[1] Leigh-Smith S. Carbon monoxide poisoning in tents — a review. Wilderness and Environmental Medicine, 2004, 15(3):157-63. «Мастрид» для тех, кто поботанистее. Полный текст можно свободно взять тут: www.wemjournal.org/article/S1080-6032(04)70474-3.

[2] zenstoves.net/COHazard.htm. Обзорная статья, в основном более доступно излагающая содержание статьи Лей-Смита [1], с основательным список источников.

[3] Roger Сaffin. Stoves, Tents and Carbon Monoxide — Deadly or Not. Фундаментальный практический труд. Самое интересное в нескольких первых частях. Полный текст за деньги тут: www.backpackinglight.com/cgi-bin/backpackinglight/stoves_tents_carbon_monoxide_index.html. Для тех, кто не может заплатить за доступ к статьям, четыре первые части находятся в открытом доступе на сайте Scribd. На персональном сайте Роджера есть некоторая дополнительная информация по горелкам.

[4] www.lifeo2.ru/users/robbi/17221/

[5] www.lifeo2.ru/users/voladores/191726/, www.lifeo2.ru/users/abugarib/191898/ В частности, в одной из этих веток есть подборка других случаев с отечественными туристами, в которых виновником происшествий скорее всего был угарный газ от горелки.

[6] skitalets.ru/wwwthreads/showflat.php?Cat=0&Board=antol&Number=364942&page=7&view=collapsed&sb=6∂all&vc=1

Авторы выражают респект и уважуху юзерам сообщества lifeo2.ru: Leb — за привлечение внимания к проблеме, comp3v и kombrig — за запощенные ссылки на некоторые источники.