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氮气窒息风险防控与氧含量监测预警

2024-03-11 11:27:50

氮气和氧气是大气环境中*主要的两种气体,氮气含量约为78.1%,氧气含量约为20.9%,另有不到1%的是水蒸汽、甲烷、二氧化碳等其它种类的气体。随着海拔高度、植被湿度等的影响,氧气含量会有所波动,一般而言,正常状况下“氧含量监测报警器”的显示读数应该是20.9%左右。

但作者在一些高校的实验室安全检查中常发现,有些“氧含量报警器”的读数显示明显不正常(图1),而一线师生并未发现异常或者根本不在意。值得注意的是,一些实验室安全检查或管理人员,只检查氧含量报警器的“有没有”,却不关心“对不对”。而使用读数不正常的“氧含量报警器”去监测实验室的氧气含量,就相当于“使用不准确的体温计去测量并判断是否生病发烧”一样,是不可靠并很容易导致误判的。因此,“氧含量报警器”的检定、调校,及时更换药剂等,对于正确使用并确保实验室氧含量的监测非常重要。

众所周知,对于满足人类呼吸的氧气浓度是有要求的。不同的氧气浓度对人体的影响是比较明显的。在干燥的空气中,氧气的含量约为20.9%(体积比),典型的贫氧报警值设在19.0~19.5%(体积比)之间。一般而言,19.5%的氧含量是人体能够安全承受的*小浓度,即在氧气含量为19.5%(体积比)的空气中工作时,等同于在海拔高度比现有环境高约650 m的环境中工作,这种环境通常不会对人体健康产生影响。所以国标GB 8958-2006《缺氧危险作业安全规程》规定,O2浓度≤19.5%会产生窒息风险[2],相应地,“设在惰性气体间的氧气探测器,其一级报警设定值不应小于19.5%氧气体积浓度(V/V)”。

而当氧气浓度在15~19%范围,人的工作效率会降低,长时间会可导致头部、肺部和循环系统问题,氧气浓度减少到18%基本上就属于人类呼吸的安全限度,因此“二级报警设定值不应小于18%氧气体积浓度(V/V)”[3]

实际上,海拔为0和海拔5000m的氧气体积浓度(V/V)都约为20.9%。至于高海拔地区感到呼吸困难甚至出现高原反应,主要是因为气压降低导致的氧含量随之减少。如青藏高原的特点之一就是“空气稀薄”,在海拔3000m的高原,空气含氧量约为海平面的66%,大气压力值约为海平面的75%;而海拔5000m处的大气压强进一步降低,仅为平原地区或海平面760mmHg的55%左右(仅为404mmHg)。由于相同体积下的空气质量降低,相应成为导致高原反应的重要原因之一。一般而言,空气氧含量小于12%是人类承受的极限。而有着“世界第三极”之称的西藏阿里地区,其平均海拔在4500m以上,空气稀薄气压低、温差大、紫外线强,特别是氧气含量只有内地的40%左右,因而被称为“生命禁区”。需要提醒的是,如果空气中氧含量过高,如超过23.5%将导致富氧环境,也会对人体造成一定的危害。如发生长时间吸入氧分压过高气体的情况,如纯氧吸入、高压氧治疗、潜水作业等,将产生过氧化氢、过氧化物基、羟基和单一态激发氧等,都有可能引发细胞酶失活和核酸损害,甚至导致组织细胞的死亡,即出现“氧中毒”,并引发肺水肿、神经系统损伤等问题。因此,在T/CCGA 90001-2020《氧气和富氧气氛的火灾危险(试行)》、GB30871-2014《化学品生产单位特殊作业安全规范》等多个文件中亦明确规定,对于富氧环境下不应大于23.5%,即氧含量报警器也需要设置23.5%高值报警[4,5]。鉴于本文讨论的还是“氮气窒息”主题,因此针对“氧中毒”的分析,将在另文中再进行针对性的讨论。

气体监测报警装置的选型及安装,对正常发挥监测预警功能有着至关重要的影响。一般而言,探测器应安装在无冲击、无振动、无强电磁场干扰、易于检修的场所,探测器安装地点与周边工艺管道或设备之间的净空不应小于0.5m[3]。此外,为了避免干扰警报,探测器点一般不设在正常运行时会产生轻微泄露的设备附近。

氧含量监测装置的安装高度,是正确使用的重要方面之一。空气相对分子质量约为29,相对密度为1,而氧气分子量是32,因此氧气与空气的密度相近,虽然略重但相对密度仍处于“0.8~1.2”区间。由于释放时温度不同以及受正常湍流的影响,对于相对密度在0.8~1.2 之间的气体混合物可视为与空气的相对密度相同,因此能在所有方向扩散[6]。但一般情况下,氧气探测器的安装高度宜距地坪或楼地板1.5~2.0m[7]

另,作者在实验室安全检查过程中与部分师生的交流发现,一些师生还存在着主观性的错误观点,即简单的认为比空气重的就安装在下面,比空气轻的则安装在上方,因此实验室也不乏将氧气监测报警器安装在下面的情况,如图2B照片显示,氧含量报警器竟然安装在距离地板仅约30cm的位置。

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