Koolmonoxide gids
Deze koolmonoxidegids geeft gedetailleerde informatie over de geschiedenis, de eigenschappen, het gebruik en de risico’s van koolmonoxide, in het dagelijks gebruik vaak koolmonoxide genoemd. De term koolmonoxide wordt daarom in het volgende gebruikt.
- Een terugblik op de geschiedenis van koolmonoxide
- Chemische en fysische eigenschappen van koolmonoxide
- Biologische betekenis van koolmonoxide
- Voorkomen van koolmonoxide
- Koolmonoxide in de atmosfeer
- Koolmonoxide in gebouwen
- Buitenaards voorkomen van koolmonoxide
- Vorming en productie van koolmonoxide
- Winning uit koolstofhoudende minerale bronnen
- Gebruik van koolmonoxide
- Opslag en veilige hantering
- Koolmonoxide en de gezondheidsrisico's
- Eerstehulpmaatregelen bij koolmonoxidevergiftiging
- Detectie van koolmonoxide
Een terugblik op de geschiedenis van koolmonoxide
Het reducerende effect van koolmonoxide bij het smelten van metaalertsen werd al in 1000 voor Christus gebruikt, toen er een speciale oven voor dit proces werd ontwikkeld. In die tijd was het echter nog onbekend dat koolmonoxide een belangrijke rol speelde in deze technologie. Pas aan het einde van de 13e eeuw werd erkend dat er een giftig gas kon worden gevormd bij de verbranding van hout. De eerste wetenschappelijk onderbouwde experimenten met kooldioxidegas, een mengsel van kooldioxide en koolmonoxide, werden aan het begin van de 17e eeuw uitgevoerd door Johan Baptista van Helmont. Dit was het begin van gericht onderzoek naar en gebruik van koolmonoxide.
Er werden verschillende experimenten uitgevoerd om koolmonoxide te produceren en de toxische eigenschappen ervan werden geanalyseerd voor honden. Met de gestaag toenemende vraag naar verlichtingsgas werd het proces van kolenvergassing ontwikkeld. Dit produceert een brandbaar gas dat waterstof, methaan en koolmonoxide als brandstoffen bevat. Dit was het begin van het gerichte gebruik van een energiebron die koolmonoxide bevat. De vraag van de chemische industrie naar dit synthesegas met koolmonoxide nam voortdurend toe. Er werden verschillende processen ontwikkeld om aan de vraag te voldoen via kolenvergassing, waaronder de Winkler-generator, de Lurgi-drukvergasser en de Kopers-Totzek-reactor.
Tot de bijzonder onaangename momenten in de geschiedenis van koolmonoxide behoren de frequente mijnongelukken die in de begindagen van de steenkoolwinning werden veroorzaakt door mijngas. Dit gas bevat naast lucht ook methaan, kooldioxide en het zeer giftige koolmonoxide. Het kan zowel explosies veroorzaken als directe vergiftiging.
Chemische en fysische eigenschappen van koolmonoxide
Koolstofmonoxide, of koolmonoxide, is een chemische verbinding van koolstof en zuurstof. Het behoort tot de groep van koolstofoxiden en heeft de molecuulformule CO.
Koolmonoxide is een kleurloos, reukloos en giftig gas en heeft met 1,14 kg/m3 of 28,01 g/mol een dichtheid die bijna even hoog is als die van lucht. De ontbrandingstemperatuur is 605 °C. De oplosbaarheid van koolmonoxide is 30 mg per liter water bij een temperatuur van 20 °C, d.w.z. dat het vrijwel onoplosbaar is in water en dus niet uit een gasstroom kan worden gewassen. De onderste explosiegrens is 11,3%. Als brandbaar gas verbrandt koolmonoxide samen met zuurstof met een blauwe vlam en verandert in kooldioxide.
De reactiviteit van koolmonoxide neemt toe bij toenemende hitte of druk. Er worden zeer giftige verbindingen gevormd, vooral in combinatie met chloor, zwavel en fluor.
Hoewel koolmonoxide wordt gevormd via exotherme reacties, is het thermodynamisch instabiel. Zelfs bij kamertemperatuur disproportioneert het in koolstof en kooldioxide in een zeer langzaam en daarom nauwelijks meetbaar proces. Deze metastabiliteit – stabiel bij kleine veranderingen, instabiel bij grotere effecten – biedt talloze voordelen in een breed scala aan industriële toepassingen.
Het kleurloze en reukloze gas is zeer giftig voor levende organismen vanwege zijn bindende eigenschappen, die veel beter zijn dan die van zuurstof. Slechts 1,28% koolmonoxide in de lucht die we inademen is dodelijk, omdat de zuurstofbindingsplaatsen op hemoglobine en myoglobine worden geblokkeerd door de ingeademde koolmonoxide. Dit verhindert het transport van zuurstof en leidt tot de dood door verstikking. Alle risico’s van koolmonoxide vind je in een van de volgende hoofdstukken in de koolmonoxidegids.
Biologische betekenis van koolmonoxide
Hoewel koolmonoxide zeer giftig is voor het menselijk organisme, bevat het veneuze bloed een koolmonoxidegehalte van 0,7 tot 1,1%. Een klein deel van 0,5% is endogeen, d.w.z. een product van metabolische processen in het lichaam. Wetenschappers vermoeden dat koolmonoxide een belangrijke rol speelt als boodschapperstof voor de reukzin.
Omdat koolmonoxide ontstekingsremmende eigenschappen heeft, wordt het in kleine hoeveelheden gebruikt op bepaalde medische gebieden, zoals orgaantransplantatie. Na een longtransplantatie bevordert het bijvoorbeeld de doorbloeding van het geïmplanteerde orgaan. Nieren die bestemd zijn voor transplantatie worden opgeslagen in een oplossing met kleine hoeveelheden koolmonoxide om celbeschadigende processen te voorkomen.
Voorkomen van koolmonoxide
Bij koolmonoxide wordt onderscheid gemaakt tussen
- alomtegenwoordig voorkomen,
- het voorkomen in gebouwen en
- het buitenaardse voorkomen
Slechts een deel van de aanwezige koolmonoxide is van natuurlijke oorsprong. Het grootste deel wordt door mensen geproduceerd.
Koolmonoxide in de atmosfeer
De atmosfeer van de aarde bevat ongeveer 400 megaton koolmonoxide. Dit komt overeen met een gemiddelde concentratie van 90 ppbv (parts per billion by volume) of een aandeel van 90 miljardste van het totale volume. Deze verhoudingen zijn echter ongelijk verdeeld tussen het noordelijk en zuidelijk halfrond van de aarde. Zo was het natuurlijke aandeel op het noordelijk halfrond vóór de industrialisatie 90 ppbv, wat nu is gestegen tot 140 ppbv. Op het zuidelijk halfrond ligt de gemiddelde concentratie nog steeds op het natuurlijke niveau van 50 ppbv.
De gemiddelde levensduur van koolmonoxide in de atmosfeer is ongeveer twee maanden voordat het oxideert tot kooldioxide. Er zijn echter aanzienlijke verschillen in de gemiddelde levensduur tussen het zuidelijk en het noordelijk halfrond door de verschillende intensiteit van de zonnestraling. Deze variëren van een maand op het zuidelijk halfrond tot een jaar op het noordelijk halfrond.
40% van de koolmonoxide in de atmosfeer is van natuurlijke oorsprong. De overige 60 % is door de mens gemaakt koolmonoxide dat ontstaat door de onvolledige verbranding van fossiele brandstoffen of andere biomassa.
Koolmonoxide in gebouwen
De normale concentratie koolmonoxide in gebouwen ligt tussen 0,5 en 5 ppm, mits er niet gerookt wordt en er geen gas- of houtkachel in werking is. In de buurt van gasbranders kan de CO-concentratie stijgen tot 15 ppm; tabaksrook van tien sigaretten in een ongeventileerde ruimte verhoogt de CO-concentratie tot 22 ppm.
Daarom moet er altijd voor voldoende verse lucht worden gezorgd in ruimten waar open haarden of tegelkachels met luchttoevoer, gasboilers of doorstroomtoestellen in werking zijn. Bij tegelkachels en houtkachels moet de schoorsteenveger ervoor zorgen dat het schoorsteenkanaal goed functioneert om het terugstromen van koolmonoxide in de woonruimte op betrouwbare wijze te voorkomen. Zo zijn bijvoorbeeld afzuigkappen met luchtafvoer verboden als er tegelijkertijd een open haard aanwezig is.
Buitenaards voorkomen van koolmonoxide
Koolmonoxide komt niet alleen voor op aarde en in onze atmosfeer, maar ook in de ruimte. Zo kon de ruimtesonde Giotto koolmonoxide detecteren in de gasemissies van sommige kometen. Op basis van deze bevindingen nemen wetenschappers aan dat koolmonoxide een niet onbelangrijke rol heeft gespeeld bij de vorming van ons zonnestelsel.
Vorming en productie van koolmonoxide
Koolmonoxide ontstaat altijd wanneer koolstofhoudende stoffen onvolledig oxideren. Dit is het geval wanneer er te weinig zuurstof beschikbaar is tijdens de verbranding of wanneer er zeer hoge temperaturen heersen tijdens het verbrandingsproces. In dit geval treedt het Boudouard-evenwicht in werking, dat het evenwicht tussen kooldioxide (CO2) en koolmonoxide (CO) beschrijft.
Bij temperaturen boven 600 °C verschuift het aandeel koolmonoxide enorm ten gunste van koolmonoxide in vergelijking met het aandeel kooldioxide. Op basis van deze bevinding kunnen verschillende processen worden gebruikt om specifiek koolmonoxide te extraheren, maar ook voor verschillende productieprocessen zoals het smelten van metalen.
- 450 °C: 98 % CO2, 2 % CO
- 700 °C: 42 % CO2, 58 % CO
- 1000 °C: 1 % CO2, 99 % CO
Naast de natuurlijke vorming van koolmonoxide, bijvoorbeeld in de vorm van bosbranden, levert de mens een grote bijdrage aan de vorming van koolmonoxide. Dit geldt vooral voor alle machines en voertuigen die op fossiele brandstoffen rijden, maar ook voor industriële ovens in de productie die op olie of gas werken. En niet te vergeten de vele verwarmingssystemen die werken op stookolie of aardgas.
Winning uit koolstofhoudende minerale bronnen
In de loop der eeuwen zijn er verschillende processen ontwikkeld om koolmonoxide te winnen uit natuurlijke grondstoffen. Deze grondstoffen zijn onder andere steenkool, cokes, aardgas, biogas, zware oliën, lichte benzine en biomassa.
- Kolenvergassing in speciaal ontwikkelde generatoren. Afhankelijk van het proces wordt koolmonoxide verkregen als generatorgas, watergas of synthesegas.
- Houtvergassing voor de productie van houtgas. Hiervoor wordt hout verwarmd tot meer dan 150 °C met een lage luchttoevoer. Het resultaat is condensaat van houtgas in teerachtige vorm en koolmonoxide.
- Steam reforming is een proces waarbij koolmonoxide wordt gewonnen uit aardgas of lichte ruwe olie met behulp van waterdamp.
- Gedeeltelijke oxidatie is gebaseerd op de oxidatie van fossiele brandstoffen zoals zware stookolie. In dit proces oxideert de stookolie met behulp van zuurstof tot waterstof en koolmonoxide. Er wordt ofwel thermische partiële oxidatie met een reactietemperatuur van 1200 °C of het katalytische proces met een temperatuur van 800 tot 900 °C gebruikt.
In alle processen worden meestal koolmonoxide en waterstof geproduceerd. Als zuiver koolmonoxide nodig is voor verder gebruik, moet het worden gescheiden van het gasmengsel. Hiervoor zijn verschillende processen beschikbaar, zoals pressure swing absorptie of condensatie bij lage temperaturen.
Gebruik van koolmonoxide
Koolmonoxide heeft een breed scala aan toepassingen. In combinatie met waterstof wordt het vaak gebruikt als synthesegas in de chemische industrie. Het wordt echter ook gebruikt om stoffen als fosgeen, mierenzuur, azijnzuur of kookzuren te produceren. In organische synthese is het verantwoordelijk voor carbonylering en is het ook een belangrijke grondstof voor kunststoffen die op veel gebieden worden gebruikt, zoals polycarbonaten (bijv. Makrolon) en polyurethanen (isolatieschuim, lijm, bekleding, enz.).
Een ander belangrijk toepassingsgebied is het smelten van ijzererts om het zuurstofgehalte te verlagen. In dit geval wordt er geen koolmonoxide toegevoegd, maar ontstaat er koolmonoxide door de gerichte hoge temperaturen tijdens de verbranding van cokes. In dit geval wordt de eerder genoemde Boudouard-reactie gebruikt, waarbij het aandeel koolmonoxide stijgt tot 99% ten opzichte van kooldioxide. Het ijzer absorbeert de koolstof in het koolmonoxide, waardoor de eigenschappen van het ijzer veranderen.
In de voedselindustrie verbetert koolmonoxide het uiterlijk van vlees en rode vis zoals tonijn door het een bijzonder intense rode kleur te geven, ook al is de schijnversheid niet langer aanwezig. Buiten Europa wordt het toegevoegd aan voedsel dat onder inert gas is verpakt om het visueel vers te houden.
Een ander toepassingsgebied is als energiebron, aangezien de vergassing van biomassa koolmonoxide produceert, dat wordt gebruikt voor verwarming.
Opslag en veilige hantering
Vanwege de hoge giftigheid van koolmonoxide mag het alleen worden opgeslagen in zeer goed geventileerde ruimtes. Een afzuigsysteem aan het plafond, geschikte gasdetectoren boven de opslagcontainers en -systemen moeten altijd aanwezig zijn. Dit geldt ook voor blusapparatuur vanwege de brandbaarheid. De houders mogen alleen toegankelijk en bruikbaar zijn voor bevoegde personen.
Het duidelijk labelen van houders en leidingen moet net zo vanzelfsprekend zijn als het continu controleren van alle gasvoerende onderdelen van de houders en systemen op lekkages. Voor en na de inbedrijfstelling van een koolmonoxidesysteem moet het hele systeem worden doorgeblazen met droog inert gas.
Als cilinders onder druk worden gebruikt, moeten deze zo klein mogelijk zijn. Om spanningscorrosie als gevolg van het kooldioxidegehalte dat meestal ook aanwezig is in koolmonoxide te voorkomen, zijn cilinders en afsluiters van austenitisch roestvast staal of aluminiumlegeringen geschikt. Het risico van de vorming van giftige metaalcarbonylen bij contact met koolmonoxide spreekt het gebruik van afsluiters en cilinders van nikkellegeringen tegen.
Als u afdichtingen gebruikt, zorg er dan voor dat deze niet gemaakt zijn van fluorkoolstofrubber FKM, aangezien dit materiaal ongeschikt is voor dit toepassingsgebied.
Koolmonoxide en de gezondheidsrisico’s
Koolmonoxide heeft een toxisch effect omdat de moleculen van het gas zich sterker binden aan de hemoglobine in het bloed dan zuurstof. Dit verhindert het zuurstoftransport en dus de zuurstoftoevoer naar de organen. Zonder de juiste tegenmaatregelen is koolmonoxidevergiftiging binnen korte tijd fataal.
Voor gezonde volwassenen wordt een continue blootstelling aan koolmonoxide van minder dan 30 ppm gedurende acht uur per dag als ongevaarlijk beschouwd. Als iemands gezondheid echter verzwakt is, kunnen zelfs lagere concentraties tot symptomen leiden. Als iemand last heeft van gehoorverlies, kan dit bij hogere niveaus met wel 50% toenemen.
De volgende symptomen treden vaak op bij gezonde mensen na enkele uren van milde koolmonoxideblootstelling van 70 tot 100 ppm:
- Lopende neus
- Hoofdpijn
- Pijnlijke ogen (droog, pijnlijk)
- Kortademigheid
Bij matige tot ernstige blootstelling van 150 tot 300 ppm overheersen de volgende symptomen, hoewel ze gepaard kunnen gaan met andere afwijkingen:
- Duizeligheid
- Verwarring
- Krampen
- Sufheid
- Misselijkheid tot mogelijk braken
Blootstelling aan koolmonoxide van 400 ppm wordt beschouwd als extreme blootstelling. De gevolgen zijn bewusteloosheid, hersenbeschadiging en de dood. Als de getroffen persoon het overleeft, kunnen er weken later verdere gevolgen voor de gezondheid optreden.
Eerstehulpmaatregelen bij koolmonoxidevergiftiging
Als iemand wordt blootgesteld aan een grote hoeveelheid koolmonoxide en symptomen vertoont, moeten onmiddellijk eerstehulpmaatregelen worden genomen en de hulpdiensten worden gebeld.
De enige effectieve eerstehulpmaatregel is de toediening van 100% zuurstof, indien beschikbaar, en de onmiddellijke verwijdering van de persoon uit de gevarenzone, rekening houdend met hun eigen veiligheid. De ruimte moet onmiddellijk goed geventileerd worden.
Alle andere maatregelen, zoals het bloedonderzoek om de koolmonoxideconcentratie (HbCO) te bepalen, kunnen alleen in het ziekenhuis worden uitgevoerd, omdat koolmonoxide zich vastzet in de rode bloedcellen en de schade aan organen en de hersenen pas na een paar uur kan worden herkend, vooral in het geval van een matige vergiftiging. Vergiftiging door matige tot ernstige blootstelling aan minder dan 400 ppm moet daarom serieus worden genomen.
Detectie van koolmonoxide
Zoals je tot nu toe in de koolmonoxidegids hebt kunnen lezen, is koolmonoxide een zeer giftig en brandbaar gas voor mensen dat veel risico’s met zich meebrengt. Koolmonoxide is vooral gevaarlijk omdat het kleur- en reukloos is en mensen een hoge concentratie in de lucht niet met hun zintuigen kunnen waarnemen. Daarom is het essentieel om gasdetectoren te installeren in ruimtes met een overeenkomstig hoog risico. Dit geldt niet alleen voor bedrijven, maar kan ook levens redden in particuliere woningen.
Als expert in gasdetectieapparatuur biedt Compur Monitors een breed scala aan op maat gemaakte gasdetectieapparatuur voor toxische en brandbare gassen voor een groot aantal toepassingen. Moderne en continu doorontwikkelde meettoestellen zijn beschikbaar als stationaire en mobiele toestellen, zodat metingen precies daar kunnen worden uitgevoerd waar ze nodig zijn.
We geven je graag advies
Heb je vragen over onze producten of wil je een vrijblijvend adviesgesprek? We horen graag van je.
