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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，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函數校正毒性劑量，毒性劑量的實際定義為濃度的N次冪*時間(CN*t)。該指數N取決于化學物質的種類，被稱為“Probit常數N”。在環氧乙烷等物質的劑量常數(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，可以用來區分重度毒性物質和輕度毒性物質。這就是為什么在EFFECTS及RISKCURVES軟件的化學品數據庫中儲存這些Probit常數(A、B、N，后文統稱Probit常數)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。

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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據的“官方”國際協議。EFFECTS及RISKCURVES軟件基于荷蘭Coloured Book所研發，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，可能需要手動調整Probit常數。例如，法國官方針對氨發布了不同的毒性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，由美國工業衛生協會AIHA公布)及AEGL等級(Acute Exposure Guideline Levels，由美國環境保護署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，泄漏的持續時間決定了氣云在距泄漏點特定距離處的最大暴露持續時間或氣云通過的時間。除了氣云擴散的持續時間外，通常還默認最大“暴露持續時間”限制為1800s(半小時)。因為人們普遍認為，一旦發生緊急情況，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，是否從事故發生的時刻開始計算(因為這個時候可能觸發警報系統)？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，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。其化學物質數據庫中已包含了所有常見毒性物質的Probit常數，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(半數致死量)值轉化為毒性Probit常數后使用。