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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
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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...
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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
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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
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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)
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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
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se laria in eccesso:N2:complemento al 100%2
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Cause della inefficienza del sistema di evacuazione dei fumi
- mancanza di terminale antivento
- errato collegamento a canne fumarie collettive
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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
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il rischio ancora maggiore per gli apparecchi di tipo A che scaricano i prodotti combusti direttamente nel localeFumiCombustibile
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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
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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
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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
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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)
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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)
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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
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Lintossicazione un processo chimico-fisico e fisiologico molto complesso
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La dinamica del processo dintossicazione presenta un andamento che possiamo definire saturazione progressiva
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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
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La velocit con cui la % di COHb cresce nel tempodipende anche dallattivit fisica
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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
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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
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Soggetto adulto non fumatore10 l/min = riposo 20 l/min = attivit moderata
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Relazione empirica: Chovin (1967)
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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
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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]