Guide du monoxyde de carbone
Ce guide du monoxyde de carbone vous informe en détail sur l’histoire, les propriétés, l’utilisation et les risques liés à l’utilisation du monoxyde de carbone, très souvent appelé « monoxyde de carbone » dans la vie quotidienne. Dans le guide du monoxyde de carbone qui suit, le terme « monoxyde de carbone » désigne donc toujours le monoxyde de carbone.
- Retour sur l'histoire du monoxyde de carbone
- Propriétés chimiques et physiques du monoxyde de carbone
- Importance biologique du monoxyde de carbone
- Présence de monoxyde de carbone
- Le monoxyde de carbone dans l'atmosphère
- Monoxyde de carbone dans les bâtiments
- Présence extraterrestre de monoxyde de carbone
- Formation et production de monoxyde de carbone
- Extraction de gisements carbonés
- Utilisation du monoxyde de carbone
- Stockage et manipulation sûre
- Le monoxyde de carbone et les risques pour la santé
- Premiers secours en cas d'intoxication au monoxyde de carbone
- Détection du monoxyde de carbone
Retour sur l’histoire du monoxyde de carbone
L’effet réducteur du monoxyde de carbone lors de la fusion de minerais métalliques était déjà utilisé 1000 ans avant Jésus-Christ, lorsqu’un four spécial a été conçu pour ce processus. Toutefois, cette utilisation était encore inconsciente à cette époque. Ce n’est que vers la fin du 13e siècle que l’on s’est rendu compte qu’un gaz toxique pouvait se former lors de la combustion du bois. Les premières expériences scientifiquement fondées sur le gaz carboneum, un mélange de dioxyde de carbone et de monoxyde de carbone, ont été réalisées au début du 17e siècle par Johan Baptista van Helmont. Ce fut le début de la recherche ciblée et de l’utilisation du monoxyde de carbone.
Différentes expériences ont été menées pour produire du monoxyde de carbone et étudier ses propriétés toxiques sur les chiens. Avec l’augmentation constante des besoins en gaz d’éclairage, le procédé de gazéification du charbon a été développé. Ce procédé produit un gaz combustible qui contient de l’hydrogène, du méthane et du monoxyde de carbone. Ce fut le début de l’utilisation ciblée d’une source d’énergie contenant du monoxyde de carbone. La demande de l’industrie chimique pour ce gaz de synthèse contenant du monoxyde de carbone n’a cessé d’augmenter. Afin de couvrir les besoins par le biais de la gazéification du charbon, les procédés les plus divers ont été développés, parmi lesquels on compte avant tout le générateur Winkler, le gazéificateur sous pression Lurgi ainsi que le réacteur Kopers-Totzek.
Parmi les moments particulièrement désagréables de l’histoire du monoxyde de carbone, on peut citer les accidents miniers fréquents au début de l’exploitation du charbon, causés par le grisou. Celui-ci contient, outre l’air, du méthane, mais aussi du dioxyde de carbone et du monoxyde de carbone très toxique. Il pouvait aussi bien provoquer des explosions que des intoxications directes.
Propriétés chimiques et physiques du monoxyde de carbone
Le monoxyde de carbone, ou oxyde de carbone, est un composé chimique de carbone et d’oxygène. Il fait partie du groupe des oxydes de carbone et a pour formule brute CO.
Le monoxyde de carbone est un gaz incolore, inodore et toxique. Avec 1,14 kg/m3 ou 28,01 g/mol, il présente une densité à peu près égale à celle de l’air. Sa température d’inflammation est de 605 °C. La solubilité du monoxyde de carbone est de 30 mg par litre d’eau à une température de 20 °C, ce qui signifie qu’il n’est pratiquement pas soluble dans l’eau et ne peut donc pas être éliminé d’un flux de gaz par lavage. La limite inférieure d’explosivité est de 11,3 %. En tant que gaz inflammable, le monoxyde de carbone brûle avec l’oxygène avec une flamme bleue et se transforme en dioxyde de carbone.
L’augmentation de la chaleur ou de la pression accroît la réactivité du monoxyde de carbone. C’est surtout en combinaison avec le chlore, le soufre et le fluor que se forment des composés hautement toxiques.
Bien que le monoxyde de carbone se forme par des réactions exothermiques, il est thermodynamiquement instable. Déjà à température ambiante, il se disproportionne en carbone et en dioxyde de carbone dans un processus très lent et donc à peine mesurable. Cette métastabilité – stable lors de petites modifications, instable lors d’actions plus massives – offre de nombreux avantages dans les domaines d’application industriels les plus divers.
Ce gaz incolore et inodore est hautement toxique pour les êtres vivants en raison de ses propriétés de liaison nettement supérieures à celles de l’oxygène. Il suffit de 1,28 % de monoxyde de carbone dans l’air respiré pour avoir un effet mortel, car les sites de fixation de l’oxygène présents sur l’hémoglobine et la myoglobine sont bloqués par le monoxyde de carbone inhalé. Le transport de l’oxygène est ainsi empêché, ce qui entraîne la mort par asphyxie. Vous trouverez tous les risques liés au monoxyde de carbone dans l’un des chapitres suivants du guide du monoxyde de carbone.
Importance biologique du monoxyde de carbone
Bien que le monoxyde de carbone soit hautement toxique pour l’organisme humain, on trouve dans le sang veineux une proportion de 0,7 à 1,1 % de monoxyde de carbone. Une faible proportion de 0,5 % est endogène, c’est-à-dire un produit des processus métaboliques de l’organisme. Les scientifiques supposent ainsi que le monoxyde de carbone joue un rôle important de messager pour l’odorat.
Le monoxyde de carbone ayant des propriétés anti-inflammatoires, il est utilisé en petites quantités dans certains domaines médicaux comme la transplantation d’organes. Ainsi, après une transplantation pulmonaire, il favorise l’irrigation sanguine de l’organe implanté. Les reins destinés à être transplantés sont conservés dans une solution contenant de faibles quantités de monoxyde de carbone afin d’éviter les processus qui endommagent les cellules.
Présence de monoxyde de carbone
En ce qui concerne la présence de monoxyde de carbone, on distingue
- présence atmosphérique,
- la présence dans les bâtiments et
- le gisement extraterrestre
se distinguent les uns des autres. Seule une partie du monoxyde de carbone présent est d’origine naturelle. La majeure partie est produite par l’homme.
Le monoxyde de carbone dans l’atmosphère
L’atmosphère terrestre contient environ 400 mégatonnes de monoxyde de carbone. Cela correspond à une concentration moyenne de 90 ppbv (parties par milliard en volume) ou à une proportion de 90 milliardièmes du volume total. Ces proportions sont toutefois réparties de manière inégale entre l’hémisphère nord et l’hémisphère sud de la Terre. Ainsi, dans l’hémisphère nord, la proportion naturelle était de 90 ppbv avant l’industrialisation, et elle est passée à 140 ppbv aujourd’hui. Dans l’hémisphère sud, la concentration moyenne se situe encore aujourd’hui au niveau naturel de 50 ppbv.
La durée de vie moyenne du monoxyde de carbone dans l’atmosphère est d’environ deux mois avant qu’il ne s’oxyde en dioxyde de carbone. Toutefois, la durée de vie moyenne varie considérablement entre l’hémisphère sud et l’hémisphère nord en raison de la différence d’intensité du rayonnement solaire. Celles-ci vont d’un mois dans l’hémisphère sud à un an en hiver dans l’hémisphère nord.
40 % du monoxyde de carbone présent dans l’atmosphère est d’origine naturelle. Les 60 % restants sont du monoxyde de carbone d’origine humaine, produit lors de la combustion incomplète de combustibles fossiles ou d’autres biomasses.
Monoxyde de carbone dans les bâtiments
La concentration normale de monoxyde de carbone dans les bâtiments se situe entre 0,5 et 5 ppm, à condition que l’on ne fume pas et que l’on n’utilise pas de brûleur à gaz ou de chauffage au bois. Autour des brûleurs à gaz, la concentration de CO peut augmenter jusqu’à 15 ppm, la fumée de tabac de dix cigarettes dans une pièce non aérée augmente la concentration de CO jusqu’à 22 ppm.
C’est pourquoi un apport d’air frais suffisamment élevé doit toujours être garanti dans les pièces où sont utilisés des poêles-cheminées ou des poêles en faïence fonctionnant à l’air ambiant, ainsi que des thermes ou des chauffe-eau instantanés fonctionnant au gaz. Pour les poêles en faïence et les poêles-cheminées, le ramoneur doit garantir que le tirage de la cheminée fonctionne parfaitement afin d’empêcher de manière fiable le reflux de monoxyde de carbone dans la pièce d’habitation. Par exemple, les hottes aspirantes à évacuation sont interdites si un foyer est présent en même temps.
Présence extraterrestre de monoxyde de carbone
Le monoxyde de carbone n’est pas seulement présent sur la Terre et dans notre atmosphère, mais également dans l’espace, l’espace extraterrestre. La sonde spatiale Giotto a ainsi pu détecter du monoxyde de carbone dans les émissions de gaz de différentes comètes. Sur la base de ces résultats, les scientifiques pensent que le monoxyde de carbone a joué un rôle non négligeable dans la formation de notre système solaire.
Formation et production de monoxyde de carbone
Le monoxyde de carbone se forme toujours lorsque des substances contenant du carbone s’oxydent de manière incomplète. C’est le cas lorsqu’il n’y a pas assez d’oxygène disponible lors de la combustion ou lorsque le processus de combustion se déroule à des températures très élevées. Dans ce cas, l’équilibre de Boudouard, qui décrit l’équilibre entre le dioxyde de carbone (CO2) et le monoxyde de carbone (CO), entre en jeu.
À partir de 600 °C, la proportion de monoxyde de carbone se déplace massivement en faveur du monoxyde de carbone par rapport à la proportion de dioxyde de carbone. Sur la base de cette constatation, les procédés les plus divers peuvent être utilisés de manière ciblée pour obtenir du monoxyde de carbone, mais aussi pour les procédés de production les plus variés comme la fonte des métaux.
- 450 °C : 98 % CO2, 2 % CO
- 700 °C : 42 % CO2, 58 % CO
- 1000 °C : 1 % CO2, 99 % CO
Outre la formation naturelle de monoxyde de carbone, comme par exemple sous la forme d’incendies de forêt, l’homme contribue largement à la formation de monoxyde de carbone. C’est notamment le cas de toutes les machines et de tous les véhicules qui fonctionnent avec des sources d’énergie issues de matières premières fossiles, mais aussi des fours industriels fonctionnant au fioul ou au gaz dans la production. Sans oublier les nombreux systèmes de chauffage fonctionnant au fioul ou au gaz naturel.
Extraction de gisements carbonés
Au fil des siècles, les procédés les plus divers ont été développés pour produire du monoxyde de carbone à partir de matières premières contenant du carbone. Parmi ces matières premières, on trouve le charbon, le coke, le gaz naturel, le biogaz, les huiles lourdes, l’essence légère ou la biomasse.
- Gazéification du charbon dans des générateurs spécialement conçus à cet effet. En fonction du processus exact, l’obtention de monoxyde de carbone se fait sous forme de gaz de générateur, de gaz à l’eau ou de gaz de synthèse.
- Gazéification du bois pour produire du gaz de bois. Pour ce faire, le bois est chauffé à plus de 150 °C avec un faible apport d’air. Le résultat est le condensat de gaz de bois sous forme de goudron.
- Le vaporeformage est un procédé qui permet d’obtenir du monoxyde de carbone à partir de gaz naturel ou de pétrole léger en utilisant de la vapeur d’eau.
- L’oxydation partielle repose sur l’oxydation de matières premières fossiles comme le fioul lourd. Dans ce cas, le fioul s’oxyde en hydrogène et en monoxyde de carbone grâce à l’utilisation d’oxygène. Le procédé utilisé est soit l’oxydation partielle thermique, avec une température de réaction de 1200 °C, soit le procédé catalytique, avec une température de 800 à 900 °C. L’oxydation partielle thermique est un procédé qui permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre.
Tous les procédés produisent la plupart du temps du monoxyde de carbone et de l’hydrogène. Si du monoxyde de carbone pur est nécessaire pour une application ultérieure, il doit être séparé du mélange gazeux. Pour cela, il existe différents procédés, comme l’absorption à pression alternée ou la condensation à basse température.
Utilisation du monoxyde de carbone
Le domaine d’application du monoxyde de carbone est très varié. Combiné à l’hydrogène, il est souvent utilisé comme gaz de synthèse dans l’industrie chimique. Mais il est également utilisé pour la production d’autres gaz et d’acides comme le phosgène, l’acide formique, l’acide acétique ou les acides de cuisson. Dans la synthèse organique, il est responsable des carbonylations et il est également indispensable aux matières plastiques utilisées dans de nombreux domaines, comme les polycarbonates (p. ex. le Makrolon) et les polyuréthanes (mousses isolantes, colles, rembourrages, etc.).
Un autre domaine d’application important est la prévention du minerai de fer, afin de réduire la teneur en oxygène. Dans ce cas, le monoxyde de carbone n’est pas ajouté, mais résulte des températures élevées ciblées lors de la combustion du coke. Dans ce cas, la réaction de Boudouard déjà mentionnée intervient en augmentant la proportion de monoxyde de carbone à 99 % par rapport au dioxyde de carbone. Le fer absorbe alors le carbone contenu dans le monoxyde de carbone, ce qui modifie les propriétés du fer.
Dans l’industrie alimentaire, le monoxyde de carbone améliore l’apparence de la viande et des poissons rouges comme le thon en leur donnant une couleur rouge particulièrement intense, bien que la fraîcheur feinte ne soit plus présente. En dehors de l’Europe, il est ajouté aux aliments emballés sous atmosphère protectrice afin de les maintenir visuellement frais.
Un autre domaine d’application est l’utilisation comme source d’énergie, car la gazéification de la biomasse produit du monoxyde de carbone, qui est utilisé pour le chauffage.
Stockage et manipulation sûre
En raison de sa grande toxicité, le monoxyde de carbone ne peut être stocké que dans des locaux très bien ventilés. Il faut absolument prévoir une aspiration au plafond, des détecteurs de gaz appropriés au-dessus des conteneurs de stockage et des installations. Cela vaut également pour les dispositifs d’extinction d’incendie en raison de leur inflammabilité. Les conteneurs ne doivent être accessibles et utilisables que par des personnes compétentes.
L’identification claire des récipients et des conduites doit être aussi évidente que le contrôle continu de l’absence de fuites sur tous les composants des récipients et des installations qui transportent du gaz. Avant et après la mise en service d’un système contenant du monoxyde de carbone, l’ensemble du système doit être purgé avec un gaz inerte sec.
Si des bouteilles sous pression sont utilisées, elles doivent être aussi petites que possible. Pour éviter la corrosion fissurante due à la faible teneur en dioxyde de carbone, les bouteilles et les robinets doivent être en acier inoxydable austénitique ou en alliage d’aluminium. Le risque de formation de carbonyles métalliques toxiques au contact du monoxyde de carbone s’oppose à l’utilisation de vannes et de bouteilles en alliages de nickel.
Pour les joints, veillez à ce qu’ils ne soient en aucun cas en caoutchouc fluoré FKM, car ce matériau n’est pas adapté à ce domaine d’application.
Le monoxyde de carbone et les risques pour la santé
L’effet toxique du monoxyde de carbone est dû au fait que les molécules de ce gaz se lient plus fortement à l’hémoglobine contenue dans le sang que l’oxygène. Cela empêche le transport de l’oxygène et donc l’approvisionnement des organes en oxygène. Sans mesures appropriées, l’intoxication au monoxyde de carbone est mortelle en peu de temps.
Pour les adultes en bonne santé, une exposition continue au monoxyde de carbone de moins de 30 ppm pendant huit heures par jour n’est pas considérée comme dangereuse pour la santé. Toutefois, si la santé est affaiblie, des quantités plus faibles peuvent déjà entraîner des troubles. Si une personne souffre de surdité, celle-ci peut s’aggraver jusqu’à 50 % en cas d’exposition à des niveaux plus élevés.
En cas d’exposition légère au monoxyde de carbone de 70 à 100 ppm dans l’air respiré pendant plusieurs heures, les symptômes suivants apparaissent souvent chez les personnes en bonne santé :
- Fuite nasale
- Maux de tête
- Yeux douloureux (secs, endoloris)
- Essoufflement
S’il s’agit d’une exposition moyenne à grave de 150 à 300 ppm, les symptômes suivants se manifestent principalement, mais peuvent être accompagnés d’autres anomalies :
- Sensation de vertige
- Confusion mentale
- Convulsions
- Somnolence
- nausées jusqu’à d’éventuels vomissements
Une exposition au monoxyde de carbone de 400 ppm est considérée comme une exposition extrême. Les conséquences sont la perte de conscience, les dommages cérébraux et la mort. Si la personne concernée survit, d’autres conséquences sur la santé peuvent également apparaître des semaines plus tard.
Premiers secours en cas d’intoxication au monoxyde de carbone
Si une personne est exposée à une quantité importante de monoxyde de carbone et qu’elle présente des symptômes, des mesures de premiers secours doivent être prises immédiatement et les services d’urgence doivent être contactés.
La seule mesure de premiers secours efficace consiste à administrer de l’oxygène à 100 %, si celui-ci est disponible, et à éloigner immédiatement la personne de la zone dangereuse, en tenant compte de sa propre sécurité. La pièce doit être immédiatement bien aérée.
Toutes les autres mesures, comme le test sanguin pour déterminer la concentration de monoxyde de carbone (HbCO), ne peuvent être clarifiées et réalisées qu’à l’hôpital, car le monoxyde de carbone se lie aux globules rouges et les lésions des organes et du cerveau ne sont visibles qu’après quelques heures, surtout en cas d’intoxication de gravité moyenne. C’est pourquoi les intoxications dues à une exposition moyenne à grave de moins de 400 ppm devraient déjà être prises au sérieux.
Détection du monoxyde de carbone
Comme vous avez pu le lire jusqu’à présent dans le guide du monoxyde de carbone, le monoxyde de carbone est un gaz hautement toxique et inflammable pour l’homme, qui présente de nombreux risques. Le monoxyde de carbone est particulièrement dangereux car il est incolore et inodore et l’homme n’a aucune chance de percevoir une concentration trop élevée dans l’air ambiant avec les sens dont il dispose. C’est pourquoi il est indispensable d’installer des détecteurs de gaz dans les locaux présentant un risque élevé. Cela n’est pas seulement valable pour les entreprises, mais peut également sauver des vies humaines dans le domaine privé.
En tant qu’expert en appareils de mesure de gaz, Compur Monitors propose une large gamme d’appareils de mesure de gaz toxiques et inflammables adaptés à chaque situation et destinés aux applications les plus diverses. Des appareils de mesure modernes et continuellement améliorés sont disponibles en tant qu’appareils fixes et mobiles et permettent ainsi de réaliser des mesures exactement là où elles sont nécessaires.
Dr. Josef von Stackelberg
Directeur général COMPUR MONITORS GmbH & Co. KG
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