Kohlenmonoxid Ratgeber
Dieser Kohlenmonoxid Ratgeber informiert Sie ausführlich über die Geschichte, die Eigenschaften, den Einsatz sowie die Risiken im Umgang mit Kohlenstoffmonoxid, im täglichen Gebrauch sehr häufig als Kohlenmonoxid bezeichnet. Im nachfolgenden wird daher die Bezeichnung Kohlenmonoxid verwendet.
- Rückblick in die Geschichte von Kohlenmonoxid
- Chemische und physikalische Eigenschaften von Kohlenmonoxid
- Biologische Bedeutung von Kohlenmonoxid
- Vorkommen von Kohlenmonoxid
- Kohlenmonoxid in der Atmosphäre
- Kohlenmonoxid in Gebäuden
- Extraterrestrisches Vorkommen von Kohlenmonoxid
- Entstehung und Gewinnung von Kohlenmonoxid
- Gewinnung aus kohlenstoffhaltigen Bodenschätzen
- Verwendung von Kohlenmonoxid
- Lagerung und sicherer Umgang
- Kohlenmonoxid und die gesundheitlichen Risiken
- Erste Hilfe-Maßnahmen bei Kohlenmonoxidvergiftung
- Nachweis von Kohlenmonoxid
Rückblick in die Geschichte von Kohlenmonoxid
Die reduzierende Wirkung von Kohlenmonoxid bei der Verhüttung von Metallerzen wurden bereits 1000 v. Chr. genutzt, indem für diesen Vorgang eine spezielle Ofenkonstruktion entwickelt wurde. Allerdings war diesem Zeitpunkt noch unbekannt, dass bei dieser Technik Kohlenmonoxid eine wichtige Rolle spielt. Erst gegen Ende des 13. Jahrhunderts hat man erkannt, dass sich bei der Holzverbrennung ein giftiges Gas bilden kann. Die ersten wissenschaftlich basierten Versuche mit Gas Carboneum, einer Mischung aus Kohlenstoffdioxid und Kohlenmonoxid erfolgten zu Beginn des 17. Jahrhunderts durch Johan Baptista van Helmont. Dies war der Beginn der gezielten Erforschung und Nutzung von Kohlenmonoxid.
Es wurden unterschiedliche Experimente zur Herstellung von Kohlenmonoxid durchgeführt und die toxischen Eigenschaften auf Hunde untersucht. Mit dem stetigen Anstieg des Bedarfs an Leuchtgas wurde das Verfahren der Kohlevergasung entwickelt. Dabei entsteht ein brennbares Gas, das als Brennstoffe Wasserstoff, Methan und eben auch Kohlenmonoxid enthielt. Dies war der Beginn des gezielten Einsatzes eines Energieträgers, der Kohlenmonoxid enthielt. Die Nachfrage der chemischen Industrie nach diesem kohlenmonoxidhaltigen Synthesegas stieg kontinuierlich an. Um den Bedarf über die Kohlevergasung zu decken, wurden verschiedenste Verfahren entwickelt, zu denen vor allem der Winkler-Generator, der Lurgi-Druckvergaser sowie der Kopers-Totzek-Reaktor zählten.
Zu den besonders unerfreulichen Momenten der Geschichte des Kohlenmonoxids zählen die in den Anfängen des Kohlebergbaus häufig auftretenden Grubenunglücke die durch Grubengas verursacht wurden. Dieses enthält neben Luft Methan, aber eben auch Kohlendioxid und das sehr giftige Kohlenmonoxid. Es konnte sowohl Explosionen auslösen wie auch direkte Vergiftungen verursachen.
Chemische und physikalische Eigenschaften von Kohlenmonoxid
Kohlenstoffmonoxid, oder Kohlenmonoxid ist die chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Es zählt zur Gruppe der Kohlenstoffoxide und hat die Summenformel CO.
Kohlenmonoxid ist ein farb- und geruchloses sowie giftiges Gas und weist mit 1,14 kg/m3 bzw. 28,01 g/mol eine annähernd gleich hohe Dichte wie Luft auf. Die Zündtemperatur liegt bei 605 °C. Die Löslichkeit von Kohlenmonoxid liegt bei 30 mg pro Liter Wasser mit einer Temperatur von 20 °C, d. h. es ist so gut wie gar nicht in Wasser löslich und kann daher nicht aus einem Gasstrom ausgewaschen werden. Die untere Explosionsgrenze liegt bei 11,3 %. Als brennbares Gas verbrennt Kohlenmonoxid gemeinsam mit Sauerstoff mit blauer Flamme und wird dabei zu Kohlendioxid.
Mit steigender Wärme oder steigendem Druck erhöht sich die Reaktionsfreudigkeit von Kohlenmonoxid. Vor allem in Verbindung mit Chlor, Schwefel und Fluor entstehen hochgiftige Verbindungen.
Obwohl sich Kohlenmonoxid über exotherme Reaktionen bildet, ist es thermodynamisch instabil. Bereits bei Raumtemperatur disproportioniert es in einem sehr langsamen und daher kaum messbaren Prozess zu Kohlenstoff und Kohlenstoffdioxid. Diese Metastabilität – stabil bei kleinen Änderungen, instabil bei massiveren Einwirkungen – bietet in den verschiedensten industriellen Einsatzbereichen zahlreiche Vorteile.
Das farb- und geruchlose Gas ist aufgrund seiner dem Sauerstoff deutlich überlegenen Bindungseigenschaften für Lebewesen hoch toxisch. Bereits 1,28 % Kohlenmonoxid in der Atemluft wirken tödlich, da die am Hämoglobin und Myoglobin vorhandenen Bindungsstellen für Sauerstoff durch das eingeatmete Kohlenmonoxid blockiert werden. Dadurch wird der Sauerstofftransport verhindert und es kommt zum Erstickungstod. Alle Risiken von Kohlenmonoxid finden Sie in einem der nachfolgenden Kapitel im Kohlenmonoxid-Ratgeber.
Biologische Bedeutung von Kohlenmonoxid
Obwohl Kohlenmonoxid für den menschlichen Organismus hoch toxisch ist, befindet sich im venösen Blut ein Kohlemonoxid-Anteil von 0,7 bis 1,1 %. Ein geringer Anteil von 0,5 % ist endogen, also ein Produkt der Stoffwechselvorgänge im Körper. So vermutet die Wissenschaft, dass Kohlenmonoxid eine wichtige Aufgabe als Botenstoff für den Geruchssinn übernimmt.
Da Kohlenmonoxid entzündungshemmende Eigenschaften aufweist, kommt es in bestimmten medizinischen Bereichen wie der Organtransplantation in geringen Mengen zum Einsatz. So fördert es nach einer Lungentransplantation die Durchblutung des implantierten Organs. Zur Transplantation vorgesehene Nieren werden in einer Lösung mit geringen Mengen Kohlenmonoxid aufbewahrt, um zellschädigende Vorgänge zu verhindern.
Vorkommen von Kohlenmonoxid
Beim Vorkommen von Kohlenmonoxid unterscheidet man zwischen
- ubiqutärem Vorkommen,
- dem Vorkommen in Gebäuden und
- dem extraterrestrischen Vorkommen
Nur ein Teil des vorhandenen Kohlenmonoxids ist natürlichen Ursprungs. Der Großteil wird vom Menschen erzeugt.
Kohlenmonoxid in der Atmosphäre
Die Erdatmosphäre enthält ungefähr 400 Megatonnen Kohlenmonoxid. Dies entspricht einer mittleren Konzentration von 90 ppbv (parts per billion im Volumen) oder einem Anteil von 90 Milliardstel am Gesamtvolumen. Diese Anteile sind jedoch ungleichmäßig auf die Nord- und Südhalbkugel der Erde aufgeteilt. So lag der natürliche Anteil auf der Nordhalbkugel vor der Industrialisierung bei 90 ppbv, der sich bis heute auf 140 ppbv erhöht hat. Auf der Südhalbkugel liegt die mittlere Konzentration auch heute noch auf dem natürlichen Niveau von 50 ppbv.
Die mittlere atmosphärische Lebensdauer von Kohlenmonoxid beträgt ungefähr zwei Monate, bevor es zu Kohlenstoffdioxid oxidiert. Allerdings gibt es bei der mittleren Lebensdauer aufgrund der unterschiedlichen Intensität der Sonneneinstrahlung deutliche Unterschiede zwischen der Süd- und Nordhalbkugel. Diese reichen von einem Monat auf der Südhalbkugel bis zu einem Jahr auf der Nordhalbkugel.
40 % des Kohlenmonoxids in der Atmosphäre sind natürlichen Ursprungs. Bei den restlichen 60 % handelt es sich um vom Menschen verursachtes Kohlenmonoxid, das im Rahmen der unvollständigen Verbrennung fossiler Brennstoffe oder anderer Biomasse entsteht.
Kohlenmonoxid in Gebäuden
Die normale Kohlenmonoxid-Konzentration in Gebäuden bewegt sich zwischen 0,5 bis 5 ppm, sofern nicht geraucht wird und weder ein Gasbrenner noch eine Holzfeuerung betrieben wird. Im Umfeld von Gasbrennern kann sich die CO-Konzentration auf bis zu 15 ppm erhöhen, Tabakrauch von zehn Zigaretten in einem ungelüfteten Raum erhöht die CO-Konzentration auf 22 ppm.
Daher muss in Räumen, in denen raumluftbetriebene Kamin- oder Kachelöfen sowie mit Gas betriebene Thermen oder Durchlauferhitzer in Betrieb sind, immer eine ausreichend hohe Frischluftzufuhr gewährleistet sein. Bei Kachel- und Kaminöfen muss durch den Schornsteinfeger gewährleistet sein, dass der Kaminzug einwandfrei funktioniert, um den Rückstrom von Kohlenmonoxid in den Wohnraum zuverlässig zu verhindern. So sind zum Beispiel Dunstabzugshauben mit Abluftbetrieb verboten wenn gleichzeitig ein Feuerstelle vorhanden ist.
Extraterrestrisches Vorkommen von Kohlenmonoxid
Kohlenmonoxid kommt nicht nur auf der Erde und in unserer Atmosphäre, sondern auch im Weltall vor. So konnte die Raumsonde Giotto in den Gasemissionen einiger Kometen Kohlenmonoxid nachweisen. Aufgrund dieser Erkenntnisse geht die Wissenschaft davon aus, dass Kohlenstoffmonoxid einen nicht unerheblichen Beitrag bei der Bildung unseres Sonnensystems hatte.
Entstehung und Gewinnung von Kohlenmonoxid
Kohlenstoffmonoxid entsteht immer dann, wenn kohlenstoffhaltige Substanzen unvollständig oxidieren. Dies ist dann der Fall, wenn bei der Verbrennung zu wenig Sauerstoff verfügbar ist oder beim Verbrennungsprozess sehr hohe Temperaturen vorherrschen. In diesem Fall kommt das Boudouard-Gleichgewicht zum Tragen, das das Gleichgewicht zwischen Kohlenstoffdioxid (CO2) und Kohlenstoffmonoxid (CO) beschreibt.
Bei Temperaturen ab 600 °C verschiebt sich der Anteil des Kohlenmonoxids im Vergleich zum Anteil des Kohlendioxids massiv zugunsten des Kohlenmonoxids. Aufgrund dieser Erkenntnis können verschiedene Verfahren gezielt zur Gewinnung von Kohlenmonoxid genutzt werden, aber auch für unterschiedliche Produktionsverfahren wie die Verhüttung von Metallen.
- 450 °C: 98 % CO2, 2 % CO
- 700 °C: 42 % CO2, 58 % CO
- 1000 °C: 1 % CO2, 99 % CO
Neben der natürlichen Entstehung von Kohlenmonoxid wie beispielsweise in Form von Waldbränden leistet der Mensch einen großen Beitrag zur Entstehung von Kohlenmonoxid. Dies gilt vor allem für alle Maschinen und Fahrzeuge, die mit Energieträgern aus fossilen Rohstoffen betrieben werden, aber auch für öl- oder gasbetriebene Industrieöfen in der Produktion. Nicht zu vergessen die zahlreichen Heizungssysteme, die mit dem Brennstoff Heizöl oder Erdgas betrieben werden.
Gewinnung aus kohlenstoffhaltigen Bodenschätzen
Zur Gewinnung aus natürlichen Vorkommen wurden im Verlauf der Jahrhunderte verschiedenste Verfahren entwickelt, um aus kohlenstoffhaltigen Rohstoffen Kohlenmonoxid zu gewinnen. Zu diesen Rohstoffen zählen, Kohle, Koks, Erdgas, Biogas, Schweröle, Leichtbenzin oder Biomasse.
- Kohlevergasung in speziell dafür entwickelten Generatoren. Abhängig vom Prozess gewinnt man Kohlenmonoxid als Generatorgas, Wassergas oder Synthesegas.
- Holzvergasung zur Produktion von Holzgas. Dafür wird Holz bei geringer Luftzufuhr auf mehr als 150 °C erhitzt. Das Ergebnis ist das Holzgaskondensat in teerartiger Form und Kohlenmonoxid.
- Dampfreformierung ist ein Verfahren, mit dem Kohlenmonoxid durch den Einsatz von Wasserdampf aus Erdgas oder leichtem Erdöl gewonnen wird.
- Partielle Oxidation setzt auf die Oxidation fossiler Rohstoffe wie schweres Heizöl. Dabei oxidiert das Heizöl durch den Einsatz von Sauerstoff zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Als Verfahren wird entweder die thermisch partielle Oxidation mit einer Reaktionstemperatur von 1200 °C oder das katalytische Verfahren mit einer Temperatur von 800 bis 900 °C eingesetzt.
Bei allen Verfahren entsteht zumeist Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Wird für die weitere Anwendung reines Kohlenmonoxid benötigt, muss es aus dem Gasgemisch abgetrennt werden. Dafür stehen verschiedene Verfahren wie die Druckwechsel-Absorption oder die Kondensation bei niedrigen Temperaturen zur Auswahl.
Verwendung von Kohlenmonoxid
Der Anwendungsbereich von Kohlenmonoxid ist vielfältig. Kombiniert mit Wasserstoff kommt es in der chemischen Industrie häufig als Synthesegas zum Einsatz. Aber auch zur Herstellung von Substanzen wie Phosgen, Ameisensäure Essigsäure oder von Koch-Säuren kommt es zum Einsatz. In der organischen Synthese ist es für Carbonylierungen verantwortlich und auch für die in vielen Bereichen eingesetzten Kunststoffe wie z. B. Polycarbonate (z. B. Makrolon) und Polyurethane (Isolierschäume, Kleber, Polster etc.) ist es ein wichtiger Grundstoff.
Ein ebenfalls wichtiger Einsatzbereich ist die Verhüttung von Eisenerz, um den Sauerstoffanteil zu reduzieren. In diesem Fall wird Kohlenmonoxid nicht zugesetzt, sondern entsteht durch die gezielt hohen Temperaturen bei der Verbrennung von Koks. In diesem Fall kommt die bereits erwähnte Boudouard-Reaktion zum Einsatz, indem sich der Anteil des Kohlenmonoxids im Vergleich zu Kohlendioxid auf 99 % erhöht. Dabei nimmt das Eisen den im Kohlenmonoxid enthaltenen Kohlenstoff auf, der die Eigenschaften des Eisens verändert.
In der Lebensmittelindustrie verbessert Kohlenmonoxid die Optik von Fleisch und rotem Fisch wie Thunfisch, indem es ihm eine besonders intensive rote Farbe verleiht, obwohl die vorgetäuschte Frische nicht mehr vorliegt. Außerhalb Europas wird es unter Schutzgas verpackten Lebensmitteln zugefügt, um diese optisch frisch zu halten.
Ein weiterer Anwendungsbereich ist der Einsatz als Energieträger, da bei der Biomassevergasung Kohlenmonoxid entsteht, das zum Heizen verwendet wird.
Lagerung und sicherer Umgang
Aufgrund der hohen Toxizität von Kohlenmonoxid darf es nur in sehr gut belüfteten Räumen gelagert werden. Eine Deckenabsaugung, entsprechende Gasdetektoren über den Lagerbehältern und Anlagen sollten unbedingt vorhanden sein. Dies gilt aufgrund der Brennbarkeit ebenfalls für Feuerlöscheinrichtungen. Die Behälter dürfen nur für fachkundige Personen zugänglich und nutzbar sein.
Die eindeutige Kennzeichnung von Behältern und Leitungen muss genauso selbstverständlich sein wie die kontinuierliche Kontrolle aller gasführenden Bestandteile der Behälter und Anlagen auf Lecks. Vor und nach der Inbetriebnahme eines Kohlenmonoxid führenden Systems muss das gesamte System mit trockenem Inertgas gespült werden.
Kommen Druckflaschen zum Einsatz, sollten diese möglichst klein. Um Spannungsrisskorrosionen durch den meist in Kohlenmonoxid auch vorhandenen Anteil an Kohlendioxid zu verhindern, bieten sich Flaschen und Ventile aus austenitischen Edelstählen oder aus Aluminiumlegierungen an. Gegen den Einsatz von Ventilen und Flaschen aus Nickellegierungen spricht das Risiko, dass sich beim Kontakt mit Kohlenmonoxid giftige Metallcarbonyle bilden können.
Achten Sie bei Dichtungen darauf, dass diese keinesfalls aus Fluorkautschuk FKM bestehen, da dieser Werkstoff für diesen Einsatzbereich ungeeignet ist.
Kohlenmonoxid und die gesundheitlichen Risiken
Kohlenmonoxid wirkt toxisch, da sich die Moleküle des Gases stärker an das im Blut enthaltene Hämoglobin anbinden als Sauerstoff. Dadurch werden der Sauerstofftransport und somit die Versorgung der Organe mit Sauerstoff unterbunden. Ohne entsprechende Gegenmaßnahmen ist eine Kohlenmonoxid-Vergiftung innerhalb kurzer Zeit tödlich.
Für gesunde Erwachsene gilt eine Kohlenmonoxid-Dauerbelastung von unter 30 ppm über einen Zeitraum von täglich acht Stunden als gesundheitlich unbedenklich. Ist die Gesundheit jedoch geschwächt, können bereits geringere Mengen zu Beschwerden führen. Leidet ein Mensch an Schwerhörigkeit, kann sich diese bei höheren Belastungen um bis zu 50 % verstärken.
Bei einer mehrstündigen milden Kohlenmonoxid-Belastung der Atemluft von 70 bis 100 ppm treten bei gesunden Menschen oft folgende Symptome auf:
- Nasenlaufen
- Kopfschmerzen
- schmerzende Augen (trocken, wund)
- Kurzatmigkeit
Handelt es sich um eine mittlere bis schwere Belastung von 150 bis 300 ppm, kommt es vorwiegend zu folgenden Symptomen, die jedoch von weiteren Auffälligkeiten begleitet werden können:
- Schwindelgefühl
- Verwirrtheit
- Krämpfe
- Schläfrigkeit
- Übelkeit bis zum eventuellen Erbrechen
Eine Kohlenmonoxid-Belastung von 400 ppm wird als extreme Belastung bezeichnet. Die Folgen sind Bewusstlosigkeit, Hirnschaden und Tod. Überlebt die betroffene Person, können auch erst Wochen später weitere gesundheitliche Folgen auftreten.
Erste Hilfe-Maßnahmen bei Kohlenmonoxidvergiftung
Ist eine Person einer größeren Menge an Kohlenmonoxid ausgesetzt und zeigen sich entsprechende Symptome, sind umgehend Erste-Hilfe-Maßnahmen erforderlich und der Rettungsdienst zu verständigen.
Die einzig wirksame Ersthelfer-Maßnahme ist die Gabe von 100 %-igem Sauerstoff, sofern dieser verfügbar ist sowie die umgehende Entfernung der Person aus dem Gefahrenbereich unter Berücksichtigung der eigenen Sicherheit. Der Raum muss umgehend gut durchlüftet werden.
Alle anderen Maßnahmen wie der Bluttest zur Bestimmung der Kohlenmonoxid-Konzentration (HbCO) können nur im Krankenhaus durchgeführt werden, da Kohlenmonoxid an die roten Blutkörperchen andockt und die Schädigungen von Organen und des Gehirns vor allem bei mittelschweren Vergiftungen erst nach wenigen Stunden erkennbar sind. Daher sollten bereits Vergiftungen durch eine mittlere bis schwere Belastung von unter 400 ppm ernst genommen werden.
Nachweis von Kohlenmonoxid
Wie Sie bisher im Kohlenmonoxid Ratgeber lesen konnten, ist Kohlenmonoxid ein für den Menschen hoch toxisches und brennbares Gas, von dem zahlreiche Risiken ausgehen. Besonders gefährlich ist Kohlenmonoxid, da es farb- und geruchlos ist und der Mensch keine Chance hat, mit den ihm verfügbaren Sinnen eine zu hohe Konzentration in der Raumluft wahrzunehmen. Aus diesem Grund ist es unverzichtbar, in Räumen mit entsprechend hohem Risiko Gasmessgeräte zu installieren. Dies gilt nicht nur für Unternehmen, sondern kann auch im privaten Bereich Menschenleben retten.
Als Experte für Gasmessgeräte bietet Compur Monitors eine große Auswahl individuell an die Situation angepasste Gasmessgeräte für toxische und brennbare Gase für die verschiedensten Einsatzbereiche. Moderne und kontinuierlich weiter entwickelte Messgeräte sind als stationäre und mobile Geräte verfügbar und ermöglichen dadurch genau dort Messungen, wo sie erforderlich sind.
Dr. Josef von Stackelberg
Geschäftsführer COMPUR MONITORS GmbH & Co. KG
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