Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến độc tính của sản phẩm cháy sinh ra trong quá trình đốt cháy vật liệu nhựa

Bài viết nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến độc tính của sản phẩm cháy khi đốt cháy vật liệu nhựa trên cơ sở thiết bị Smoke density chamber (SDC) và thiết bị FTIR tại Trường Đại học Phòng cháy Chữa cháy.

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘC TÍNH CỦA SẢN PHẨM CHÁY SINH RA TRONG Q TRÌNH ĐỐT CHÁY VẬT LIỆU NHỰA Khúc Quang Trung Đỗ Minh Thảo, Đặng Sỹ Lân Trường Đại học Phòng Cháy Chữa Cháy Email: Trungkhuc1981@gmail.com * Ngày nhận bài: 19/2/2019 Ngày PB đánh giá: 05/3/2019 Ngày duyệt đăng: 08/3/2019 TÓM TẮT Theo thống kê cục Phòng cháy chữa cháy Cứu nạn Cứu hộ, năm 2017 nước xảy 4074 vụ cháy gây thiệt hại lớn người tài sản: chết 96 người bị thương 203 người, tài sản khoảng 2120 tỷ đồng Trong đám cháy, nguyên nhân gây chết người hít phải lượng lớn khí độc Đặc biệt, đám cháy vật liệu nhựa thường có nhiều sản phẩm cháy độc hại với người Chính vậy, chúng tơi tiến hành xác định độc tính nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng đến độc tính sản phẩm cháy đốt cháy vật liệu nhựa sở thiết bị Smoke density chamber (SDC) thiết bị FTIR Trường Đại học Phòng cháy Chữa cháy Từ khóa: độc tính, sản phẩm cháy, vật liệu nhựa FACTORS AFFECTING THE TOXICITY OF FIRE PRODUCTS EMITTED WHEN BURNING PLASTIC MATERIALS ABSTRACT According to the statistic of General Department of Fire Prevention, Fire Fighting and Rescue, in 2017, there were 4074 cases of fire incidents nationwide causing a great loss to human and properties: 96 people were killed, 203 people were injured, the lost properties were estimated at about 2120 billions VND In fires, the victim was killed mainly because of inhaling a great amount of poisonous gases Especially, fires of plastic materials usually produce a variety of poisonous products to human lives Hence, we conducted a study to determine the toxicity and factors affecting the toxicity of fire products emitted when burning plastic materials by using Smoke Density Chamber (SDC) and FTIR device at The University of Fire Fighting and Prevention Keywords: the toxicity, fire products, plastic materials TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 34, tháng 05 năm 2019 51 I GIỚI THIỆU Hiện nay, loại vật liệu sử dụng nhiều xây dựng dân dụng gỗ, nhựa, thủy tinh,… Trong vật liệu đó, vật liệu nhựa sử dụng phổ biến ưu việt như: giá thành rẻ, dễ dàng biến đổi phù hợp yêu cầu, dễ trang trí [1], [2], [3] Tuy nhiên, nhựa vật liệu có tính nguy hiểm cháy, nổ cao Trong đám cháy nhà cơng trình có sử dụng vật liệu nhựa thường có nhiều sản phẩm cháy gây độc hại Hình Thiết bị SDC xuất xứ từ Anh lắp đặt vận hành Trường Đại học PCCC - Độc tính sản phẩm cháy dựa mơ hình khí ngạt FED người Độc tính sản phẩm cháy= đốt cháy vật liệu xác định theo mơ hình tiêu chuẩn ISO 13571[4] t2 [CO ] t2 ∑ 35000 ppm ⋅ ∆t + ∑ t1 t1 exp([ HCN ] / 43) ∆t 220 Trong đó: [CO] nồng độ trung bình CO đơn vị thời gian (ppm) [HCN] nồng độ trung bình HCN đơn vị thời gian (ppm) Δt: Đơn vị thời gian (phút) - Độc tính sản phẩm cháy xác định dựa mơ hình khí kích ứng: Trong [ ] nồng độ khí kích ứng (ppm) F: nồng độ khí kích ứng ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả thoát nạn (ppm) Giá trị này được xác định theo [7] sau: FHCl = 1000 ppm; ; FHBr = 1000 ppm; Facrolein = 30 ppm; FHF = 500 ppm; Fformaldehyde = 250 ppm Từ mơ hình trên, độc tính sản 52 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG phẩm cháy xác định theo mơ hình khí kích ứng (FEC) khí ngạt (FED) Mơ hình có giá trị cao hơn, độc tính sản phẩm cháy sẽ xác định theo mơ hình Hiện việc nghiên cứu xác định độc tính sản phẩm cháy đốt cháy vật liệu nói chung vật liệu nhựa nói riêng số nhóm nghiên cứu tham gia G.Prado giáo sư người Pháp nghiên cứu sản phẩm cháy trình đốt vật liệu polymer [7] Bên cạnh đó, Michel Bert Evans nghiên cứu sản phẩm cháy trình đốt vật liệu nhựa PVC vật liệu gỗ [8] Các nghiên cứu rằng, vật liệu nhựa, gỗ đốt cháy sinh sản phẩm cháy có độc tính cao Tuy nhiên, nghiên cứu tồn diện độc tính yếu tố ảnh hưởng đến độc tính đốt cháy vật liệu nhựa chưa cơng bố Hiện tại, nhóm tập trung vào việc xác định ảnh hưởng sức khỏe hít khói khí độc đám cháy Trước thực trạng trên, xác định độc tính nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến độc tính sản phẩm cháy sinh trình đốt cháy vật liệu nhựa II THỰC NGHIỆM Chúng tơi tiến hành xác định độc tính sản phẩm cháy sinh đốt vật liệu nhựa với quy trình thực nghiệm theo tiêu chuẩn ISO 5659 sau: Kiểm tra trước đo Thực quy trình khởi động máy SDC Chuẩn bị thí nghiệm Khởi động hệ thống, Làm buồng đo Kết nối với máy SDC Kết Tiến hành đo Chuẩn bị mẫu Kiểm tra trước đo khởi động hệ thống, làm buồng đo Kết nối với máy SDC Mở hệ thống thơng gió Bắt đầu đưa mẫu thử có chứa vật liệu cần đo vào đóng cửa SDC, đóng lower vent upper vent Bắt đầu đo cách thực đồng thời nhấn ignition, nhấn công tắc chân chọn “Smoke chamber” hình cảm ứng Thời gian tiến hành đo phụ thuộc vào thiết lập (Mặc định 600s = 10’) 10 Sau phép đo kết thúc - Máy SDC: nhấn ignition lower vent (upper vent tự động mở) nhấn extraction (thốt khí) - Máy FTIR : chọn “Air Sample” 11 Nhấn ok -> record -> ok III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết xác định độc tính sản phẩm cháy sinh đốt cháy vật liệu nhựa Chuẩn bị mẫu Hình Quy trình xác định độc tính sản phẩm cháy sinh đốt cháy vật liệu nhựa thiết bị DSC FTIR Khởi động máy SDC Nhấn load cell, bỏ mẫu ban đầu bắt đầu đưa mẫu thử chưa có vật liệu cần đo vào đưa vào vị trí tâm giá đỡ (u cầu xác có ảnh hưởng đến độ xác phép đo), nhấn load cell tare để chuẩn giá trị khối lượng Nhóm nghiên cứu tiến hành thử nghiệm xác định độc tính sản phẩm cháy sinh đốt cháy 04 mẫu vật liệu nhựa khác nhau: nhựa PE, nhựa PP, nhựa PC, nhựa PVC với điều kiện thực nghiệm, cường độ nguồn nhiệt 25 kW/m2 chiều dày mẫu 3mm Đây 04 loại nhựa sử dụng phổ biến Kết rằng, sản phẩm cháy sinh đốt cháy mẫu nhựa TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 34, tháng 05 năm 2019 53 khí như: CO2, CO, HCHO, SO2 với nồng độ thay đổi theo thời gian Kết xác định nồng độ số loại khí độc khói sinh q trình đốt cháy vật liệu nhựa thu sau: Hình Kết nồng độ khí CO2, CO, SO2 HCHO đo khói đốt loại vật liệu nhựa (a) (b) Hình 4: Kết xác định độc tính khói đốt loại vật liệu nhựa theo mơ hình khí khí ngạt (a) kích ứng (b) Từ nồng độ khí độc thu đốt vật liệu nhựa, chúng tơi xác định độc tính sản phẩm cháy sinh đốt cháy vật liệu nhựa theo mơ hình khí ngạt 54 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHỊNG theo mơ hình khí kích ứng Hình rằng, độc tính sản phẩm cháy đốt cháy vật liệu nhựa theo mơ hình khí kích ứng lớn nhiều so với mơ hình khí ngạt nên trường hợp độc tính sản phẩm cháy đốt cháy vật liệu nhựa xác định theo mô hình khí kích ứng với kết thu theo hình 4b tục tăng chiều dày khơng làm thay đổi phân bố nhiệt độ theo chiều sâu vật liệu phía trước mặt lửa vận tốc cháy trở lên không đổi 3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độc tính sản phẩm cháy sinh trình đốt vật liệu nhựa a Sự ảnh hưởng bề dày mẫu Để nghiên cứu ảnh hưởng độ dày mẫu đến độc tính sản phẩm cháy sinh trình đốt cháy vật liệu nhựa, tiến hành nghiên cứu với mẫu nhựa PE với bề dày khác Từ nồng độ khí độc chúng tơi thu đốt vật liệu nhựa PE với bề dày khác nhau, kết hình Kết cho thấy độc tính sản phẩm cháy sinh đốt cháy mẫu nhựa PE 3mm cao so với mẫu nhựa lại Như ta biết, chiều dày mẫu ảnh hưởng chủ yếu tới vận tốc lan truyền lửa Người ta phân biệt mẫu dày nhiệt mẫu mỏng nhiệt Cơ sở phân chia so sánh độ dài hình học vật lý nhiệt Nếu chiều dày vật lý lớn chiều dày nhiệt, mẫu gọi mẫu dày nhiệt ngược lại [4] Rõ ràng, chiều dày tăng lên vận tốc lan truyền lửa giảm xuống Khi độ dày mẫu tăng lên, khoảng giới hạn mẫu mỏng nhiệt, vận tốc lan truyền lửa giảm xuống lượng nhiệt chi phí từ bề mặt chất cháy để nung nóng theo chiều sâu tăng lên Đối với mẫu dày nhiệt, vận tốc lan truyền lửa không phụ thuộc vào độ dày chúng Nếu chiều dày vật lý vượt chiều dày nhiệt, tiếp Hình 5: Kết độc tính khói đốt nhựa PE với bề dầy khác Như vậy, mẫu mẫu mỏng nhiệt tăng độ dày mẫu lên 6, 12mm nồng độ sản phẩm cháy sinh chênh lệch không đáng kể nên chúng mẫu dày nhiệt Điều giải thích độc tính khói sinh đốt cháy nhựa PE độ dày mm lớn hẳn mẫu độ dày 6, 12 mm tiến hành điều kiện thực nghiệm b Sự ảnh hưởng công suất nguồn nhiệt đến độc tính sản phẩm cháy sinh trình đốt cháy vật liệu nhựa Để nghiên cứu ảnh hưởng cơng suất nguồn nhiệt, q trình thực nghiệm tiến hành với 02 mẫu nhựa PE với cơng suất nguồn nhiệt khác TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 34, tháng 05 năm 2019 55 Từ nồng độ khí độc thu đốt vật liệu nhựa PE với công suất nhiệt khác nhau, xác định độc tính khói sinh đốt cháy vật liệu nhựa PE với cơng suất nguồn nhiệt khác theo mơ hình khí kích ứng Kết theo hình Như ta biết, chất cháy rắn bị nung nóng xảy phá vỡ liên kết phân tử Arenius, theo phương trình đó, tốc độ phản ứng tăng theo tỷ lệ hàm mũ với tăng nhiệt độ Do đó, tăng cường độ xạ nhiệt, nhiệt độ mẫu đạt tới giá trị nhiệt độ tự bốc cháy nhanh Quá trình cháy diễn với vận tốc nhanh chủ yếu sản phẩm cháy hồn tồn thu Như vậy, đợc tính của khói đốt cháy vật liệu nhựa PE có công suất nguồn nhiệt 25 kW/m2 cao so đốt cháy vật liệu nhựa PE có công suất nguồn nhiệt 50 kW/m2 c Sự ảnh hưởng vật liệu đệm đến độc tính sản phẩm cháy sinh trình đốt cháy vật liệu nhựa Hình 7: Kết độc tính sản phẩm cháy đốt nhựa PE với vật liệu đệm khác Trong thực tế, có nhiều đồ dùng, vật dụng làm từ nhựa phủ vật liệu đệm lên bề mặt bên ốp trần, vách nhà, biển quảng cáo Chúng 56 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG aluminium ghép lớp nhơm chống ăn mòn, lớp dày 0,5 mm với lõi làm nhựa PE vật dụng đơn giản quét sơn bên cửa sổ, cửa vào hay số đồ dùng gia đình Để nghiên cứu ảnh hưởng vật liệu đệm, trình thực nghiệm tiến hành với 03 mẫu: mẫu nhựa PE (bọc nhôm alu), mẫu nhựa PE (sơn dầu) nhựa PE (không sử dụng vật liệu đệm) với điều kiện thực nghiệm Từ nồng độ khí độc thu đốt vật liệu nhựa PE với vật liệu đệm khác nhau, độc tính khói sinh đốt cháy vật liệu nhựa PE với vật liệu đệm khác xác định theo mơ hình khí kích ứng theo hình Ta nhận thấy độc tính có sản phẩm cháy sinh đốt cháy mẫu nhựa PE (không sử dụng vật liệu) cao so với mẫu nhựa PE (sơn dầu) mẫu nhựa PE (bọc nhôm alu) Theo nghiên cứu cho thấy, sơn gồm có thành phần bản, là: chất tạo màng, dung môi, phụ gia Đối với loại sơn khác thành phần chất phụ gia khác Chính thành phần chất phụ gia sơn dầu làm thay đổi nồng độ khí độc sinh Bên cạnh lớp vật liệu đệm che phủ bề mặt vật liệu nhựa làm ngăn cản tác động nhiệt đến bề mặt vật liệu nhựa, làm chậm trình phân hủy nhiệt bề mặt, làm giảm nồng độ khí độc có sản phẩm cháy sinh Khả ngăn cản tác động nhiệt lớp nhôm aluminium lớn, nồng độ khí độc sinh trình đốt cháy mẫu cháy sinh trình đốt cháy vật liệu nhựa bọc lớp vật liệu thấp so nhựa kết thu sau: với mẫu khơng có vật liệu đệm + Chiều dày mẫu nhựa càng mỏng, độc tính của khói sinh đốt cháy vật IV KẾT LUẬN Sau nghiên cứu độc tính sản phẩm cháy đốt vật liệu nhựa, kết thu cho thấy, độc tính sản phẩm liệu nhựa càng cao + Cơng suất nguồn nhiệt lớn, độc tính giảm cháy sinh đốt cháy mẫu nhựa PE cao + Độc tính có sản phẩm cháy với mẫu nhựa lại Bên cạnh đó, sinh đớt cháy mẫu nhựa khơng sử nhóm nghiên cứu tiến hành khảo sát dụng vật liệu đệm cao so với mẫu nhựa yếu tố ảnh hưởng đến độc tính sản phẩm quét sơn dầu và bọc nhôm aluminium TÀI LIỆU THAM KHẢO Trịnh Thế Dũng (2002), “Vật liệu xây dựng điều kiện cháy”, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Tiêu chuẩn ISO 5660-2: reacion to fire tests – heat release, smoke producion and mass loss rate – part 2: smoke production rate (dynamic measurement) Tiêu chuẩn ISO 13571 “Life threat from fires– Guidance on the estimation of time available for escape using fire data” Đặng Từng, Đào Quốc Hợp, Cao Đắc Phong (2004), “Lý thuyết trình cháy”, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Đức Việt (2010), “Nghiên cứu xác định số nguy hiểm cháy vật liệu nhựa tổng hợp xây dựng dân dụng”, Đề tài khoa học cấp sở, Hà Nội Purer, D A., (1995) “Toxicity Assessment of Combustion Products”, in SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, National Fire Protection Association, Quicy, MA, Sect 2, pp.85- 146 G.Prado, JJAgoda, (1978) “Smoke formation by combustion of Polymeric Materials” Elsevier Sequoia SA, Printed in the Netherlands Michel Bert, Alain Michel and Alin Guyot, (1978) “Reduction of smoke Generation in Poly (vinyl chloride) Combustion”, Elsevier Sequoia SA, Printed in the Netherlands 1978 TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 34, tháng 05 năm 2019 57 ... tính nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến độc tính sản phẩm cháy sinh trình đốt cháy vật liệu nhựa II THỰC NGHIỆM Chúng tơi tiến hành xác định độc tính sản phẩm cháy sinh đốt vật liệu nhựa với quy trình. .. Evans nghiên cứu sản phẩm cháy trình đốt vật liệu nhựa PVC vật liệu gỗ [8] Các nghiên cứu rằng, vật liệu nhựa, gỗ đốt cháy sinh sản phẩm cháy có độc tính cao Tuy nhiên, nghiên cứu tồn diện độc tính. .. vận tốc cháy trở lên không đổi 3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độc tính sản phẩm cháy sinh trình đốt vật liệu nhựa a Sự ảnh hưởng bề dày mẫu Để nghiên cứu ảnh hưởng độ dày mẫu đến độc tính sản phẩm