E un gas (in condizioni ambiente) inodore, insapore ed incolore non corrosivo moderatamente stabile in atmosfera reattivo nei confronti di alcuni metalli combustibile (basso potere calorifico)Monossido di Carbonio CO

DOVE E QUANTONell'atmosfera terrestre: meno di 0.05 ppm in aree remote (poli ed oceani)da 0.2 a 0.4 ppm sulle superfici emerseDistribuzione variabile stagionalmente e con eventi come incendi, eruzioni vulcaniche, ecc...

medie di 1- 5 ppm con massimi di 10-15 ppmin ambienti domestici ed in zone urbane10-20 ppm con picchi superiori alle 100 ppm in:ambienti di lavoro (officine, autorimesse)prossimit di strade ad elevato traffico abitazioni insufficientemente aerate alte concentrazioni (fino a migliaia di ppm) nei prodotti di combustione di sostanze contenenti carbonio come: benzina, gasolio, GPL, metano, carbone, legna

nellaria espirata dagli organismi viventi(produzione endogena)

nel fumo di tabacco

COMBUSTIONE E PRODUZIONE DI CO

Bruciando combustibili fossili in condizioni ottimali:

CXHY + (2X+Y/2) O2 X CO2 + (Y/2) H2O + calore

ESEMPI:Metano: CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2OPropano: C3H8 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2OAcetilene: C2H2 + 2.5 O2 2 CO2 + H2OCarbone: C + O2 CO2

I prodotti di combustione sono costituiti da:

- anidride carbonica (biossido di carbonio) CO2

- azoto N2

- acqua H2O (vapore)

- ossigeno O2 (se l'aria alimentata in eccesso)

- tracce di altri prodotti (NOx ; SO2 ; incombusti e parzialmente ossidati)

- ceneri (soprattutto da combustibili solidi)

Da una miscela di metano ed aria in rapporto stechiometrico

CH4 + 2 O2 + 7.52 N2 CO2 + 2 H2O + 7.52 N2

si sviluppano fumi con la seguente composizione: 71.5% N2 9.5% CO2 19.0% H2O

se laria in eccesso:N2:complemento al 100%2

In condizioni diverse parallelamente a quello gi vistola reazione pu seguire un percorso diverso:

CXHY + (X+Y/2) O2 X CO + (Y/2) H2O + calore Metano : CH4 + 1.5 O2 CO + 2 H2OPropano: C3H8 + 3.5 O2 3 CO + 4 H2OAcetilene: C2H2 + 1.5 O2 2 CO + H2OCarbone: C + 0.5 O2 CO

I prodotti di combustione contengono:monossido di carbonio in quantit rilevante

La composizione chimica dei fumi dipende da:tipo di combustibilerapporto aria:combustibile temperatura della fiammatempo di permanenza del gas alle alte Tcondizioni fluidodinamiche nella zona di fiamma (miscelazione combustibile-aria e turbolenza di fiamma)

La formazione di monossido di carbonio favorita da:permanenza breve (lossidazione di CO a CO2 lenta) alte temperature (conversione di C e CO2 a CO) scarsa miscelazione dei reagenti e bassa turbolenza di fiamma (carenza locale di O2)ma soprattutto da: carenza d'aria che determina una bassa concentrazione di O2 nella zona di fiamma

Nel caso di apparecchi d'uso domestico la carenza di ossigeno nella zona di fiamma e la conseguente alta concentrazione del monossido di carbonio nei fumi si possono manifestare per diversi motivi, tra questi i pi comuni sono:- inefficienza del sistema di scarico dei fumi- insufficienza di ventilazione del locale- errato rapporto aria-combustibile

Inefficienza del sistema di scarico dei fumi:la concentrazione di ossigeno nei fumi molto inferiore a quella nell'ariase il sistema di evacuazione dei prodotti combusti non funziona correttamente i fumi ristagnano nella zona del bruciatore e sonoimmessi nellambiente interno il ristagno provoca una sensibile diminuzione della concentrazione di ossigeno e crea le condizioni favorevoli alla formazione di CO

Cause della inefficienza del sistema di evacuazione dei fumi

- condotti di diametro insufficiente

le perdite di carico (DP) dipendono da: - velocit del gas - quoziente L/D (lunghezza:diametro del condotto) a parit di portata, con il diminuire del diametro aumentano sia la velocit sia L/D quindi la perdita di pressione nel condotto fumario cresce riducendo sensibilmente il tiraggio

Cause della inefficienza del sistema di evacuazione dei fumi

- mancanza o insufficiente lunghezza del primo tratto verticale

la perdita di carico locale causata da una curva del condotto in prossimit dellimbocco pu causare difficolt di avvio del flusso dei fumi

Cause della inefficienza del sistema di evacuazione dei fumi

- inserimento scorretto nella canna fumariase il condotto di collegamento con lapparecchio introdotto in profondit allinterno della canna fumaria la sezione di uscita presenta una riduzione di sezione che ostacola il flusso dei prodotti combusti

Cause della inefficienza del sistema di evacuazione dei fumi

- occlusioni o riduzioni di sez. della canna fumaria

anche in questo caso la riduzione di sezione genera una perdita di carico locale che ostacola il tiraggio

Cause della inefficienza del sistema di evacuazione dei fumi

- andamento discendente, orizzontale o con pendenza ascendente non sufficiente

il tiraggio causato dalla bassa densit del gas costituito dai prodotti combusti nellatmosfera pi densa, la massa dei combusti tende naturalmente ad un moto ascensionale

se il condotto non ha un andamento ascendente la forza motrice esclusivamente cinetica e pu risultare insufficiente per vincere le perdite di carico

Cause della inefficienza del sistema di evacuazione dei fumi

- troppe curve

ogni deviazione della direzione del flusso comporta una dissipazione di quantit di moto e dunque una perdita di carico

anche in questo caso il problema dovuto alle eccessive perdite di pressione che ostacolanoil deflusso dei fumi nei condotti

Cause della inefficienza del sistema di evacuazione dei fumi

- mancanza di terminale antivento

- errato collegamento a canne fumarie collettive

Metano 1m3/hAria 10 m3/h Fumi >11 m3/hInsufficiente ventilazione del locale:in condizioni stazionarie normali la massa atmosferica contenuta nel locale e la pressione sono costanti nel tempo; dallesterno accede una quantit daria pari a quella consumata dalla combustione

il rischio ancora maggiore per gli apparecchi di tipo A che scaricano i prodotti combusti direttamente nel localeFumiCombustibile

Errato rapporto aria-combustibile:

nella maggior parte degli apparecchi per uso domestico, l'aria fresca richiamata dalla depressione provocata dal deflusso dei prodotti di combustioneun incremento della portata di combustibile edunque dei fumi prodotti causa un aumento della portata daria aspirata, mantenendo il rapporto ossigeno:combustibile ad un livello correttoresta da valutare la capacit di smaltimento della maggiore portata di fumi da parte di un condotto di scarico dimensionato per condizioni di funzionamento normali

Perch il Monossido di Carbonio pericoloso?In quasi tutti i paesi del mondo circa la meta' dei decessi classificati come intossicazioni acute sono causati da monossido di carbonio

Anche nell'ambito degli eventi con esito non letale il CO un agente intossicante molto frequente

In molti casi dincendio la vera causa dei decessi la intossicazione da CO conseguente allainalazione di fumi di combustione

Il monossido di carbonio ha causato:oltre 1000 decessi/anno in Gran Bretagna [1]pi di 3500 decessi e 10'000 intossicazioni gravi allanno in USA [2]per lItalia non esistono dati certi, ma si stima che nel periodo 1980-2000 i decessi causati da COsiano stati 300-350 allanno (con un sensibile calo negli ultimi anni)

[1] Fonte: British Medical Journal, periodo 1985-1999[2] Fonte: US Center for Disease Control, periodo 1990-1996

IL PROCESSO DINTOSSICAZIONE

Il monossido di carbonio ha grande affinit nei confronti della emoglobina (Hb) contenuta nel sangue

Respirando unatmosfera contenente CO questo si combina con lemoglobina convertendola in carbossiemoglobina (COHb)

COHb inefficace ai fini del trasporto dell'ossigeno ai tessuti dell'organismo

I danni che derivano dallainsufficiente ossigenazione interessano numerosi organi tra i quali il cervello ed il cuore

I danni possono anche essere irreversibili e provocare la morte del soggetto intossicato in tempi relativamente brevi (decine di minuti)

Sintomatologia della intossicazione acuta da CO

%COHb

Sintomi

0 - 10

Nessun sintomo apparente,

modificazioni dei parametri cardiocircolatori

10 20

Cerchio frontale, cefalea, dilatazione vasale

20 30

Cefalea e pulsazione alle tempie

30 40

Cefalea intensa, vertigini, vomito, collasso

40 50

Maggior possibilit di collasso e di sincope,

aumento della frequenza respiratoria

50 60

Sincope con aumento della frequenza respiratoria e del polso, collasso

60 70

coma, convulsioni, morte

70 80

arresto respiratorio e morte

Lintossicazione un processo chimico-fisico e fisiologico molto complesso

La dinamica del processo dintossicazione presenta un andamento che possiamo definire saturazione progressiva

Concentrazioni di COHb allequilibrio (saturazione) in funzione del livello di CO in atmosfera

CO nell'aria

%COHb

[mg/m3]

[ppmV]

[% volume]

[ 100*COHb/COHbmax ]

5.7

5

0.0005

0.87

11.5

10

0.001

1.73

23.0

20

0.002

3.45

34.5

30

0.003

5.05

46.0

40

0.004

6.63

57.5

50

0.005

8.16

69.0

60

0.006

9.63

92.0

80

0.008

12.46

115

100

0.01

15.11

172

150

0.015

21.05

229

200

0.02

26.22

La velocit con cui la % di COHb cresce nel tempodipende anche dallattivit fisica

Per valutare quantitativamente la dinamica del processo dintossicazione sono state elaborate:

- relazioni empiriche (interpolazione di misure sperimentali)- equazioni basate su modelli dei processi chimico-fisici e fisiologici

Le relazioni empiriche sono pi semplici, ma hanno un campo dimpiego limitato e devono essere verificate sperimentalmente

I modelli sono pi affidabili, se applicati in condizioni diverse da quelle gi sperimentate, ma sono pi difficili da utilizzare perch richiedono la conoscenza di numerosi parametri

Modello dinamico: Coburn, Forster e Kane (1965)VB volume sangue VCO CO endogenopI,O2 pressione alveolare ossigenoM coefficiente di HaldanepE,CO pressione CO in ambienteDL,CO diffusivit polmonare COPI pressione totale alveolare VA ventilazione alveolare

Soggetto adulto non fumatore10 l/min = riposo 20 l/min = attivit moderata

Relazione empirica: Chovin (1967)

La reazione di combinazione tra emoglobina e monossido di carbonio reversibile

Se un soggetto intossicato respira unatmosferapriva di CO la concentrazione di COHb nel suosangue dimuir progressivamente nel tempo

Purtroppo il processo pi lento della formazionedi COHb e dunque la disintossicazionerichiede tempi lunghi:

da 2 a 7 ore per dimezzare la concentrazione di COHb

La dinamica del processo descrivibile un decadimento esponenziale [1]:[1] G.Godin and R.J. Shephard, On the course of carbon monoxide uptake and release 1972[2] B.D.Dinman, National Academy of Sciences, Washington, 1969Dove td il tempo di dimezzamento:td = 300 min in aria a pressione atmosfericatd = 80 min con ossigeno a 1 atmtd = 20 min con ossigeno iperbarico (3 atm) [2]