Detectie koolmonoxide beschermt mens én proces

co duidt in de meeste gevallen op onvolledige verbranding

Wanneer er tijdens een industrieel proces niet-geplande koolmonoxide (CO) wordt gedetecteerd, dan is dit mogelijk de voorbode voor een dreigend gevaar in de vorm van een gas-, nevel- of stofexplosie. In verreweg de meeste gevallen is (was) een onvolledige verbranding de oorzaak. CO is bovendien zeer giftig voor de mens doordat het zich razendsnel hecht aan het hemoglobine in de rode bloedcellen. Bloed dat verzadigd is met CO kan niet langer zuurstof opnemen, met onherroepelijk de dood tot gevolg. Een degelijk CO-detectiesysteem is dus een noodzaak, geen luxe.

 

Vorming van koolmonoxide 

De industrie gebruikt koolmonoxide (hierna CO) veelvuldig in allerlei processen, hetzij in zuivere vorm, hetzij in de vorm van hoog- of cokesovengas. Wanneer men tijdens een industrieel proces CO meet, dan kan dit de voorbode zijn voor een dreigend gevaar in de vorm van een gas-, nevel- of stofexplosie. Het gas vormt zich op verschillende mogelijke manieren:

• door onvolledige oxidatie van koolstof tot kooldioxide:
  2C + O₂ → 2CO
  2CH₄ + O₂ → 2CO + 4 H₂O
• door de zogeheten Boudouard-reactie, de redoxreactie van een chemisch evenwichtsmengsel van CO en kooldioxide (CO₂) bij een gegeven temperatuur: C + CO₂  → 2CO
• door een reactie tussen koolstof en water: C + H₂O  → CO + H₂
• door verhitting van bepaalde verbindingen, bijvoorbeeld van oxalaten: CaC₂O₄ → CaCO₃ + CO
• door de zogeheten Maillard-reactie, de verzamelnaam voor een complexe reeks chemische reacties die optreden tussen reducerende suikers en aminozuren (bijvoorbeeld in eiwitten), al dan niet onder invloed van warmte (bakken). 

In een (semi-)gesloten ruimte kan CO zich al snel ophopen tot een levensgevaarlijke dosis, met alle gevolgen van dien. 

 

Verbranding

Wanneer men tijdens een proces CO meet, duidt dit doorgaans op een oververhitting van product ‘ergens‘ in de procesinstallatie, maar in verreweg de meeste gevallen is er sprake van een onvolledige verbranding. Deze gaat doorgaans gepaard met de vorming van roet − dat daarmee dus ook een signaalfunctie heeft − en kan het gevolg zijn van:

• een tekort aan lucht/zuurstof in de ruimte waar het verbrandingsproces plaatsvindt;
• een te lage verbrandingstemperatuur;
• een te korte verblijftijd zodat de verbrandingslucht zich onvoldoende met de brandbare gassen kan mengen; 
• een te snelle afkoeling van die gassen;
• een suboptimaal functionerende installatie en/of onvoldoende afvoer van de verbrandingsgassen. 

CO komt overigens ook voor in de uitlaatgassen van voertuigen of andere apparaten met een verbrandingsmotor, waaronder vorkheftrucks, gemotoriseerde polijstmachines en drilboren; het gebruik hiervan in binnenruimten is dan ook niet zonder gevaar. Het gas kan echter ook het gevolg zijn van natuurlijke processen. Voorbeelden daarvan zijn broei in cacaodoppen of auto-oxidatie in houtpellets, houtsnippers, vers gezaagd hout, graan en palmolie. In de bulkindustrie wordt dit gevaar nog altijd sterk onderschat, met als gevolg dat er jaarlijks diverse ongevallen plaatsvinden.  

Giftige werking CO
CO is een giftig en brandbaar, kleurloos en reukloos gas en iets lichter dan lucht. Het is giftig doordat het zich razendsnel bindt aan het hemoglobine in de rode bloedcellen. Hierbij wordt carboxyhemoglobine (HbCO) gevormd met een halfwaardetijd van 4 tot 5 uur. Dit proces is onomkeerbaar. Aangezien dat hechtingsproces tientallen keren beter verloopt dan bij O₂, kan een mens al bij lage concentraties bewusteloos raken, zie de tabel. Bloed dat op die manier verzadigd raakt met CO is niet langer in staat zuurstof op te nemen: het inademen van een CO-concentratie van circa 800 ppm in een verder gesloten ruimte leidt bij een volwassene na circa 3 uur dan ook onherroepelijk tot de dood. Bij dergelijke hoge concentraties lopen overigens niet alleen de slachtoffers maar ook de hulpverleners een groot risico.

Preventie 

De vorming van CO in industriële processen is doorgaans tegen te gaan door een adequate voor- of naverbranding te garanderen.

• voorverbranding betreft verwarming van de basisbrandstof met stoom en lucht of zuurstof. Het gas dat daardoor ontstaat bestaat voornamelijk uit H₂ en CO₂ en kan eenvoudig worden afgescheiden
• bij naverbranding bevatten de vrijkomende rookgassen een geringe fractie CO₂. Het injecteren van de rookgassen in een vloeistof ‒ bijvoorbeeld een gekoeld of samengeperst organisch oplosmiddel ‒ maakt het mogelijk het CO₂ selectief te absorberen, waarna het door middel van verwarming of drukverlaging betrekkelijk eenvoudig aan de vloeistof te onttrekken is. 

Brandstoffen als methanol, ethanol, propaan of waterstof zijn geen goed alternatief, als het om de CO-veiligheid gaat. Het zijn − behalve waterstof − koolwaterstoffen die in afwezigheid van voldoende zuurstof zelf ook aanleiding (kunnen) geven tot de vorming van CO. 

CO-detectie 

De Wettelijke Grenswaarde op de werkplek bedraagt voor CO momenteel 23 mg/m³, overeenkomend met circa 20 ppm (omrekeningsfactor: 0,857). Een gasdetectiesysteem is in staat de aanwezigheid van CO vast te stellen. Er zijn daarvoor in principe drie mogelijkheden: 

• het meten van het volumepercentage, met name in gebruik bij het meten van zuurstof (1 volumeprocent = 10.000 ppm);
• het meten van de Lower Explosion Limit (LEL), hetgeen alleen mogelijk is bij brandbare gassen/dampen. Voor CO is de LEL 12,5 vol%; 
• het meten van het aantal parts per million (ppm) wat gebruikelijk is bij giftige gassen/dampen, dus ook bij CO. 

De detectie van CO vindt doorgaans plaats op basis van elektrochemische sensortechnologie. Een elektrochemische sensor voor het meten van CO bevat stoffen die een chemische reactie aangaan met CO. Aan de meetelektrode verloopt de reactie: CO + H₂O  →  CO₂ + 2H⁺ + 2e^-. Aan de tegenelektrode is dat ½ O₂ + 2H⁺ + 2e^-  →  H₂O.
Op basis van deze reacties wordt een elektrisch signaal geproduceerd dat kan worden uitgelezen. Dergelijke CO-detectieapparatuur is zowel stationair als mobiel leverbaar. 

Beschermingsniveaus 

Het eerste beschermingsniveau behelst het treffen van technische en procedurele maatregelen die voorkomen dat CO kan vrijkomen. De kennis hierover dient ook bij alle betrokkenen werkzaam in potentieel gevaarlijke gebieden aanwezig te zijn, en dus niet alleen bij de leidinggevende(n). Naast monitoren die de ruimte bewaken zijn er ook persoonlijke gasmonitoren die meerdere gassen kunnen detecteren, waaronder ook CO. Elektrochemische en infraroodsensoren bewaken permanent de gasconcentratie in de werkomgeving, en bij een overschrijding waarschuwen deze de drager met zowel een licht-, een geluid- als een trilsignaal. Bewegingsdetectoren ‒ ook wel aangeduid als 'man down'-systemen ‒ bieden aanvullende bescherming. Adembescherming wordt geboden door zogeheten Abek-filterbussen met een speciale filterlaag tegen CO (zwarte kleurenband). Andere vormen van adembescherming zijn volgelaatsmaskers gekoppeld aan een airlinesysteem met externe luchttoevoer of gevoed met ademluchtflessen. De perslucht hierin is van een gegarandeerde kwaliteit, en bevat geen vervuilingen die normaal gesproken in perslucht voor reinigingsdoeleinden wel zijn toegestaan.