CC BY
26
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭМИССИЙ ИЗ КАМЕННОЙ ВАТЫ
П.М. Жук
Воронежский ГАСУ
При оценке безопасности любой продукции по ее жизненному циклу следует учитывать следующие направления: санитарно-гигиеническую безопасность (включая вопросы радиационной безопасности), безопасность для окружающей среды на всех стадиях. Эти положения подтверждаются различными нормативными правовыми документами, в том числе международными стандартами ИСО серии 14000 и отечественными техническими регламентами. Для изделий из каменной ваты актуальны оба упомянутых направления. В настоящей статье мы остановимся на вопросах, связанных со спецификой определения эмиссий из каменноватных изделий. Актуальность этих вопросов связана с тем, что многие из методов определения эмиссий далеко не безупречны в плане своей информативности, а их использование в отечественной практике также требует некоторого расширения.
Этот вопрос имеет целый ряд особенностей. Во-первых, попадание волокон в воздух, а через него в легкие человека может причинять существенный вред здоровью [1]. Во-вторых, в качестве связующего для большинства изделий используются композиции на основе фенолоформальдегидных и карбамидных смол, гигиеническая безопасность которых подвергается сомнению значительным количеством ученых. Условия, при которых эмиссии связующего или волокна могут оказывать воздействие на человека, как правило, следует связывать с условиями труда работников по укладке и монтажу (демонтажу) систем теплоизоляции. Прежде всего, это связано с тем, что при эксплуатации изделия из каменной ваты находятся в глубине ограждающей конструкции, что препятствует проникновению выделений как в помещение, так и за его пределы. С началом использования так называемых вентилируемых конструкций, однако, было обнаружено, что значительные объемы волокна выносятся из теплоизоляционного слоя, подверженного воздействию внутренних воздушных потоков. При этом скорость потоков воздуха, способствующих отрыву (выносу) волокна из изделия, определяется массой, размерами, формой частиц, подобно аэродинамическим расчетам с помощью критерия Рейнольдса.
Далее рассматриваются основные лабораторные методы определения эмиссий волокна и компонентов связующего из каменноватных материалов, которые можно использовать для определения их гигиенической безопасности. При этом следует учитывать, что пористо-волокнистая структура самих изделий представляет некоторую сложность для измерения эмиссий различных веществ из изделий, поскольку большинство из используемых методов определения выделений из материалов адаптированы под материалы плотной структуры, с незначительным количеством пор на поверхности.
При изучении концентраций опасного для здоровья человека волокна на рабочем месте был отмечен рост концентрации волокон в воздухе рабочей зоны с уменьшением их среднего диаметра, что обусловлено более простым выносом такого волокна из материала. Причиной такого роста является более простой вынос волокон меньшего диаметра. Для этого требуются гораздо меньшие скорости движения воздуха. Эта зависи-
3/2009 ВЕСТНИК
мость прослеживается в таблице 1 и на рисунке 1, составленным по данным Акселя Ба-рига [3].
Таблица 1
Зависимость концентраций волокна в воздухе рабочей зоны от его диаметра
Вид искусственных минеральных волокон Диаметр волокон Концентрации в воздухе рабочей зоны
Текстильное стекловолокно 5 - 24 мкм 12000 - 100000 шт./ м3
Минераловатное волокно 2 - 9 мкм 50000 - 300000 шт./ м3
Керамические волокна 1 - 3 мкм 500000 - 2300000 шт./ м3
Стеклянное микроволокно 0,1 - 1 мкм > 2000000 шт./ м3
Номинальный диаметр волоь&я мкм
В связи с установленным фактом обратной зависимости концентраций волокна в воздухе от его диаметра важнейшим при анализе эмиссий волокна показателем является воздухопроницаемость волокнистых материалов. Причем на современном этапе выделяют также индекс качества волокна, который должен быть ниже, чтобы были ниже проницаемость и теплопроводность материала [2]. Индекс качества также косвенно характеризует и наличие в структуре волокнистого материала «корольков». Исследования показали, что изделия с меньшим индексом качества волокна имеют более низкие эмиссии волокна в опасных диапазонах по его диаметрам.
Рассматривая методы определения эмиссий искусственного минерального волокна, следует учитывать, что в основном они актуальны для исследования условий труда на рабочих местах. Все методы определения эмиссий искусственных минеральных волокон можно разделить на следующие виды [3]:
- лабораторный экспресс-метод (bench-scale test);
- исследование процесса в реальном масштабе (full-scale test).
Среди лабораторных экспресс-методов выделяют два способа: барабанный метод и вибрационный метод. Первый из них активно используют для порошкообразных и гранулированных материалов, а усовершенствовать его для волокнистых материалов впер-
вые предложили Schneider Т. и Hjemsted К. [5]. Проведение испытания заключается в том, что из волокнистого теплоизоляционного материала (например, из матов) вырезают кубики и складируют их при определенных атмосферных условиях до стабилизации их массы за счет выравнивания влажности. Затем образцы помещают во вращающийся с фиксированным числом оборотов барабан. Выделяющаяся при вращении барабана из образца пыль всасывается постоянным потоком воздуха и собирается специальным фильтром. Преимуществами способа являются: возможность дифференцированного анализа размеров волокон (при соответствующей подготовке фильтров) и установление динамики роста концентрации волокон со временем (при установке приборов с интерактивным отображением данных). К недостаткам барабанного способа исследования эмиссий волокна относятся: затрудненность идентификации типа искусственного минерального волокна, сложность корреляции результатов с данными исследований при помощи иных способов, необходимость разрушения образцов при проведении испытаний, а также разрушение и грануляция самого волокна.
Специально разработанный для продукции, содержащей искусственные минеральные волокна, вибрационный метод определения эмиссий волокна заключается в побуждении эмиссий за счет колебаний. При этом короб из нержавеющей стали, расположенный на несущей раме и содержащий в себе образцы определенного волокнистого материала, приводится в движение с фиксированной амплитудой при помощи двигателя. Преимущества метода: сравнимость результатов для различных изделий из одного типа волокон, хорошая корреляция данных с результатами комплексных исследований мине-раловатных материалов (как стекловаты, так и каменной ваты).
Исследования процесса выделения волокна из каменной ваты и стекловаты в реальном масштабе имеют ряд преимуществ перед лабораторными исследованиями опытных образцов, в частности, в отношении оценки эмиссий из производственного оборудования, что также важно для оценки безопасности рабочих мест. Гармонизация методов определения эмиссий при испытаниях в реальном масштабе проводилась под эгидой Европейской ассоциации производителей изоляционных материалов (EURIMA - European Insulation Manufactorers Association). Результатом многолетней работы по унификации разнообразных способов явились следующие основные требования: стандартные размеры испытательной комнаты (соотношение количества обрабатываемого материала к объему помещения, м2/м3); определенные условия воздухообмена, а также влажностный и температурный режим в этом помещении. В настоящее время исследования в реальном масштабе занимают важнейшее место на всех предприятиях волокнистых теплоизоляционных материалов. Данные, полученные способом измерения в реальном масштабе при соотношении выходящего материала к объему помещения равном 0,7 м2/ м3, приведены на рисунке 2. При этом под обозначениями МВ 1-5 испытаниям были подвергнуты следующие материалы: МВ1 - плиты минераловатные жесткие ПЖ-80; МВ 2 - плиты минераловатные полужесткие III1-70; МВ3 - плиты минераловатные полужесткие ПП-60; МВ-4 - плиты минераловатные мягкие ПМ-35; МВ 5 - маты прошивные из минеральной ваты М1.
Среди методов определения эмиссий связующего в качестве основных можно выделить следующие: общеприменимую камеру FLEC (Field and Laboratory Emissions Cell) и испытательную камеру специальной конструкции объемом 1 м3, разработанную в Мюнхенском научно-исследовательском институте теплозащиты под названием EC BAM) [4]. Условия проведения испытаний имели следующие параметры: температура 23 оС, относительная влажность воздуха 50%, скорость протекания воздуха 1 м3/ м2 • час.
3/2009
ВЕСТНИК _МГСУ
Рис. 2. Концентрации эмиссий волокна из различных материалов
В основном исследования при помощи камеры FLEC и специально разработанной камеры ЕС-ВАМ предназначены для анализа особо летучих (VVOC - very volatile organic compounds) и летучих (VOC - volatile organic compounds) органических соединений. Результаты анализа по этим веществам, выполненного при помощи камеры FLEC, представлены в таблице 2.
Таблица 2
Суммарное количество эмиссий особо летучих и летучих органических соединений из
различных каменноватных изделий
Наименования каменно-ватных изделий Эмиссия летучих и особо летучих органических соединений за трое суток, мг/ м3
Общая эмиссия VOC за 3 Общая эмиссия VVOC за Общая эмиссия VOC за Общая эмиссия VVOC за
суток 3 суток 28 суток 28 суток
Плиты из минеральной ваты ММ 235-5649 1)1 5 70 * 35
Плиты из минеральной ваты на синтетическом 7 85 * 40
связующем теплоизоляционные, Марка 125
Плиты из минеральной ваты на синтетическом 8 90 5 50
связующем теплоизоляционные, Марка 225
Маты прошивные из минеральной ваты теплоизоляционные, М75 5 75 * 30
Маты прошивные из минеральной ваты теплоизоляционные, М 125 7 75 * 35
1)1 Данные строки приведены по работе Dr. R. Geliert [4], исследуемый материал приблизительно соответствует отечественному аналогу полужесткой плите плотностью 70 кг/ м3 * Эмиссии ниже границы фиксации оборудованием
Исследуемые плиты на основе минеральной ваты соответствовали ГОСТ 9573-96 , а прошивные маты - ГОСТ 21880-94. Из приведенных данных видно, что при росте количества связующего в материале в значительной степени растет количество эмиссий летучих и особо летучих органических соединений.
В отношении возможных эмиссий из связующего таких нелетучих органических веществ, как формальдегид в Европейских странах существует нормативное ограничение для воздуха рабочей зоны, которое составляет не более 0,1 мг/ м3 [6]. Все испытанные образцы показали соответствие этому критерию безопасности. В целях оптимизации анализа нелетучих органических компонентов, к которым относятся альдегиды и кетоны (например, формальдегид и ацетон), возможно присутствующие в связующем, возникла необходимость использования способа с помощью 2,4 -динитрофенилгидра-зина. Способ основан на том, что продукт реакции этого соединения с альдегидами или кетонами может быть зафиксирован с помощью специальных устройств, соединяющихся с испытательной камерой. Для подготовки проб использовалась трубка БПРЕЬСО®, в которой в качестве абсорбирующего средства выступает обыкновенный силикагель, на котором осаждаются все продукты реакций кетонов и альдегидов с 2,4 - динитрофе-нилгидразином. Отбор проб производился через разное время, в частности, через 3 и 10 суток после начала испытания. После экстракции продуктов реакций образцы анализировались при помощи ультрафиолетовых лучей.
Таблица 3
Содержание формальдегида и кетонов в разных каменноватных изделиях
Наименование изделий Содержание формальдегида/ кетонов, мкг/ м3
через 3 суток Через 10 суток
Плита минераловатная ПМ-50 1/2 ниже предела фиксации
Плита минераловатная ПП-100 2/4 1/2
Плита минераловатная ПЖ-150 3/5 1/3
Следует констатировать, что с течением времени даже в пределах времени проведения испытаний выделения особо летучих, летучих органических соединений, а также формальдегида и кетонов затухают с разной степенью интенсивности. При этом в некоторых случаях их количество с течением времени не превышает порога фиксации, использованными методами. Однако, с точки зрения теории микровыделений это не позволяет сделать однозначного вывода о полной безопасности связующего, поскольку не до конца изучены эффекты накопления микровыделений некоторых из имеющихся в связующем веществ на живой организм. Важно отметить, что по результатам испытаний изделий из каменной ваты отечественных производителей, к сожалению, обнаружены несколько более высокие уровни эмиссий как волокна, так и компонентов связующего по сравнению со значениями для изделий зарубежного производства (по данным зарубежных источников при соответствии методов) и даже с отечественными изделиями, изготовленными по технологиям зарубежных фирм. Причинами этого являются, в первую очередь, качество волокна и связующего, равномерность распределения и количество последнего, а как следствие и качество изделий в целом.
Выводы:
1. Опасность эмиссий из волокнистых теплоизоляционных изделий в основном связана с непосредственным контактом с ними в период производства или монтажа и в
3/2009 ВЕСТНИК
значительно меньшей степени выражена на стадии эксплуатации в конструкции.
2. Количественные показатели эмиссий волокна в значительной степени зависят от диаметра волокна, индекса его качества и типа воздействия на волокнистый материал (движение воздуха, механические нагрузки и т.п.).
3. Эмиссии компонентов связующего изделий из каменной ваты, включающие особо летучие, летучие и нелетучие органические соединения, находятся в пределах установленных нормативов, но требуют изучения с точки зрения участия веществ в эффекте биологического накопления.
Литература:
1. Земцов А.Н. О санитарно-гигиенической безопасности минеральной ваты (обзор зарубежных Интернет-материалов) // Современные строительные конструкции. Кровля и изоляция, №3-4 (13-14), 2001
2. Шойхет Б.М. Структура и проницаемость волокнистых теплоизоляционных материалов // Технологии строительства, №7 (62), 2008, с. 96-98
3. Barig A. Tests zum Verstaubungsverhalten von kuenstlichen Mineralfasern (www.dguv.de/bgia/de/pub/rep/pdf/repo2/biar0298/tests.pdf)
4. Gellert R. Kurzbericht des Forschugsvorhabens: Entwiklung eines ITT-Pruefverfahrens zur Bestimmung der Emission gefaehrlicher Substanzen aus Daemmstoffen
5. Hjemsted K., Schneider T. Documentation of a dustiness drum test. Ann. Occup. Hyg. 40 (1996) Nr. 6, p. 627-643
6. Zapke W. Waermedaemmstoffe unter ausgewaehlten oekologischen Aspekten ((www.fh-hannover.de))
Ключевые слова: каменная вата, минераловатные теплоизоляционные изделия, эмиссии волокна, эмиссии компонентов связующего.
Рецензент: Заместитель генерального директора ФГУ «ВНИИ охраны и экономики труда» Росздрава по науке, доцент, канд. социол. наук А.М. Елин
