Detektor cyjanowodoru (HCN)

Detektor cyjanowodoru HCN to urządzenie bezpieczeństwa stosowane wszędzie tam, gdzie istnieje ryzyko emisji tego niezwykle toksycznego gazu jakim jest cyjanowodór. Zadaniem czujników cyjanowodoru jest ciągłe monitorowanie stężenia HCN w powietrzu oraz sygnalizowanie niebezpieczeństwa w przypadku przekroczenia wartości dopuszczalnych. W takiej sytuacji włączają się alarmy dźwiękowe, świetlne i wibracyjne, a w systemach stacjonarnych dodatkowo uruchamiana jest wentylacja, odcinany jest dopływ używanych w procesie substancji i wysyłane jest powiadomienie do systemu nadzoru. Dzięki temu możliwe jest natychmiastowe podjęcie działań chroniących zdrowie i życie ludzi.

Detektory cyjanowodoru wykorzystywane są zarówno w formie urządzeń stacjonarnych, instalowanych w halach produkcyjnych czy magazynach, jak i w formie osobistych przenośnych mierników cyjanowodoru, które stanowią podstawowe wyposażenie pracowników narażonych na kontakt z HCN. Coraz częściej stosuje się również mobilne strefowe detektory gazów, które pozwalają zabezpieczać teren prac remontowych czy awaryjnych.

Charakterystyka cyjanowodoru (HCN)

Cyjanowodór (HCN, kwas pruski) to bezbarwny gaz lub lotna ciecz o charakterystycznym zapachu gorzkich migdałów. Numer CAS tej substancji to 74-90-8. Jest gazem niewiele lżejszym od powietrza (gęstość względna 0,93), co oznacza, że ma tendencję do powolnego unoszenia się w górne partie pomieszczeń jednak zanim to nastąpi może tworzyć lokalne chmury gazu wokół miejsca emisji. Temperatura wrzenia wynosi 25,6^oC, co powoduje, że w warunkach normalnych cyjanowodór bardzo łatwo paruje i błyskawicznie miesza się z powietrzem. Rozpuszcza się dobrze w wodzie, tworząc kwaśny roztwór.

HCN działa jako silny inhibitor enzymów oksydacyjnych blokuje proces oddychania komórkowego, co prowadzi do szybkiego niedotlenienia organizmu. Objawy zatrucia mogą pojawić się już po kilku oddechach: bóle i zawroty głowy, przyspieszenie tętna, utrata przytomności, a w krótkim czasie śmierć wskutek uduszenia komórkowego.

W polskim prawodawstwie z zakresu ochrony pracy przyjęto, że dopuszczalne stężenie cyjanowodoru (HCN), nie powinno przekraczać 1 mg/m³ (0,89ppm)w średnim 8-godzinnym narażeniu (NDS). Ze względu na wyjątkowo szybkie i silne działanie toksyczne HCN, wprowadzono także wartość pułapową (NDSP) na poziomie 5 mg/m³ (4,45ppm), której nie można przekraczać nawet przez krótki czas, ponieważ już krótkotrwałe przekroczenie tej wartości niesie poważne zagrożenie dla zdrowia lub życia. Formalna wartość NDSCh (dla ekspozycji 2x po 15 min. w odstępie 1h) nie została w Polsce określona.

Cyjanowodór jest także gazem wybuchowym i posiada dość szerokie granice wybuchowości 5,4% v/v dolna granica wybuchowości oraz 46%v/v górna granica wybuchowości. Zaliczany jest do grupy wybuchowości IIB i posiada klasę temperaturową T1 zgodnie z PN-EN ISO/IEC 80079-20-1.

Regulacja prawne detekcji cyjanowodoru

Obiekty, w których są magazynowane, wykorzystywane lub może nastąpić emisja substancji sklasyfikowanych jako niebezpieczne muszą być wyposażone w system sygnalizacji o zagrożeniach na podstawie regulacji BHP. Dodatkowo substancje, które mają wyznaczony poziom najwyższego dopuszczalnego stężenia pułapowego (NDSP) muszą podlegać ciągłemu monitorowaniu na podstawie przepisów o pomiarach czynników szkodliwych w miejscach pracy. Tym samym detektory cyjanowodoru to urządzenia obowiązkowo stosowane we wszystkich obiektach, w których może się on pojawić lub jest wykorzystywany.

Ponieważ cyjanowodór jest gazem palnym wymagane jest wykonanie oceny zagrożenia wybuchem na podstawie przepisów PPOŻ. W przypadku instalacji służących do magazynowania, napełniania zbiorników lub produkcji cyjanowodoru wymagane jest stosowanie samoczynnych urządzeń wykrywających cyjanowodór (detektorów cyjanowodoru). Mogą obowiązywać także inne regulacje branżowe w zakresie cyjanowodoru.

Budowa detektora cyjanowodoru

Podstawą działania wszystkich detektorów cyjanowodoru jest sensor elektrochemiczny. Zawiera on elektrolit, który reaguje z obecnym w powietrzu gazem, przedostającym się do środka sensora, powodując powstanie ładunków elektrycznych na elektrodach zanurzonych w nim. Wytwarzany w ten sposób sygnał elektryczny jest następnie przetwarzany przez układ elektroniki odpowiedzialny za jego wzmocnienie, interpretację, zasilanie całego urządzenia oraz komunikację z systemem nadrzędnym. Dzięki temu czujnik cyjanowodoru może zarówno wyświetlać aktualne stężenie HCN, jak i współpracować z innymi elementami systemu bezpieczeństwa.

Stacjonarne detektory cyjanowodoru projektowane są z myślą o pracy w wymagających warunkach przemysłowych. Wyposażone są w wyjścia sterujące przekaźnikowe lub analogowe w standardzie 4–20 mA umożliwiające współpracę z wentylacją, centralą alarmową czy innymi urządzeniami wykonawczymi. Obudowy stacjonarnych czujników cyjanowodoru charakteryzują się wysoką odpornością na korozję, pył i wilgoć, a w zależności od potrzeb mogą osiągać stopień ochrony nawet IP66. Dostępne są również wersje przeznaczone do pracy w strefach zagrożonych wybuchem, takie jak PolyXeta2 w wykonaniu Ex. Oprócz tego detektory cyjanowodoru stacjonarne często wyposażone są w sygnalizację alarmową diody LED, syreny akustyczne oraz w czytelne wyświetlacze, które pokazują zarówno aktualne stężenie gazu, jak i poziom aktywowanego alarmu.

Rozmieszczenie detektorów cyjanowodoru

Skuteczność systemu detekcji cyjanowodoru w dużej mierze zależy od właściwego rozmieszczenia czujników cyjanowodoru. Ze względu na ochronę ludzi, detektory cyjanowodoru montuje się zazwyczaj na wysokości około 120 - 150cm nad posadzką. Należy przy tym uwzględnić wysokość na jakiej z reguły znajduje się głowa człowieka (pozycja siedząca czy stojąca). Biorąc pod uwagę, że HCN jest lżejszy od powietrza może być konieczne zastosowanie dodatkowych czujników cyjanowodoru pod sufitem. Należy przy tym wziąć pod uwagę lokalizacje potencjalnych wycieków lub emisji cyjanowodoru. Takie umiejscawianie pozwala wychwytywać obecność gazu w strefach, w których przebywają ludzie, a jednocześnie umożliwia wykrycie gromadzącego się gazu wskazującego na wyciek lub emisję.

Lokalizując detektory cyjanowodoru w poziomie należy uwzględnić przemieszczanie się gazu oraz odległość od źródła. Ze względu na silną toksyczność (HCN był używany do zabijania więźniów w komorach gazowych z użyciem cyklonu B oraz jako bojowy środek trujący) popularne rozmieszczanie maksymalnie do 8m od potencjalnego źródła emisji może być odległością zbyt dużą i należy rozważać możliwie bliskie umieszczanie detektorów cyjanowodoru w stosunku do źródła jego emisji.

Podczas projektowania systemu należy brać pod uwagę sposób działania wentylacji nawiewno-wywiewnej, która może powodować przemieszczanie się gazu w określonych kierunkach. Istotne są również przeciągi oraz lokalne zawirowania powietrza, ponieważ mogą one zmieniać naturalny tor rozprzestrzeniania się cyjanowodoru. Ważnym elementem analizy są także fizyczne przeszkody, takie jak maszyny, instalacje czy materiały składowane w pomieszczeniu, które mogą spowalniać lub blokować swobodny przepływ gazu i w ten sposób tworzyć strefy opóźnionego zagrożenia.

Proces rozmieszczenia czujników cyjanowodoru powinien być przeprowadzany przez doświadczonego projektanta.

Zakres pomiarowy i progi alarmowe detektorów cyjanowodoru

Detektory cyjanowodoru projektowane są w taki sposób, aby mogły wykrywać niskie stężenia tego gazu zapewniając ochronę osób przebywających w pomieszczeniu. Typowy zakres pomiarowy urządzeń stacjonarnych obejmuje wartości od 0 do 50 ppm, a w niektórych rozwiązaniach sięga nawet 0 do 100 ppm.

W praktyce stosuje się kilka progów alarmowych, które aktywują się w zależności od wartości stężenia i czasu narażenia. Dzięki temu można efektywnie sterować urządzeniami zabezpieczającymi przy jednoczesnej minimalizacji wpływu fałszywych alarmów.

Najniższy z nich wynoszący 0,5ppm (wartość średnia) powinien przesyłać informację do obsługi technicznej, aby zwrócić uwagę na konieczność kontroli i potencjalnym zdarzeniu (należy pamiętać aby obsługa była wyposażona w przenośne detektory cyjanowodoru oraz odpowiednie środki ochrony osobistej). Drugi próg alarmowy odpowiada średniej ośmiogodzinnej wartości dopuszczalnej (NDS), wynoszącej około 0,89 ppm (1 mg/m³ wartość średnia). Po jego przekroczeniu system powinien uruchomić I bieg wentylacji mechanicznej oraz lokalną sygnalizację ostrzegającą użytkowników pomieszczenia. Kolejny, trzeci próg na poziomie 2ppm (wartość średnia, brak odniesienia w regulacjach) powinien uruchamiać II bieg wentylacji mechanicznej, akustyczną sygnalizację lokalną aby użytkownicy opuścili zagrożony rejon oraz obiektową sygnalizację optyczną aby ostrzec pozostałych użytkowników obiektu o potencjalnym zdarzeniu. Ostatni, czwarty próg alarmowy odnosi się do wartości granicznej określanej w polskich przepisach jako dopuszczalne stężenie pułapowe (NDSP). Wynosi ono około 4,45 ppm (5 mg/m³) i jest wartością, której nie wolno przekraczać nawet chwilowo, a tym samym detektor cyjanowodoru musi mieć możliwość realizacji 2 różnych typów pomiarów i uruchamiania urządzeń wykonawczych w zależności od wartości średniej lub chwilowej (bieżącej). Jego przekroczenie uruchamia zwykle zatrzymanie dopływu czynnika do instalacji. Osiągnięcie progu 5 mg/m³ (~4,45 ppm) jest traktowane jako bezpośrednie zagrożenie dla życia i zdrowia, dlatego system uruchamia obiektową sygnalizację ostrzegawczą i wymusza natychmiastową ewakuację.

Należy pamiętać, że progi alarmowe oraz funkcje detektorów cyjanowodoru dobiera doświadczony projektant uwzględniając specyfikę obiektu.

Technologie pomiarowe detektorów cyjanowodoru

W przypadku czujników cyjanowodoru jedyną praktycznie stosowaną metodą detekcji jest technologia elektrochemiczna. Sensory elektrochemiczne zostały opracowane właśnie z myślą o toksycznych gazach w niskich stężeniach i dzięki temu zapewniają odpowiednią czułość oraz wysoką selektywność w warunkach przemysłowych i ratowniczych.

Działanie takiego sensora polega na kontrolowanej reakcji chemicznej zachodzącej wewnątrz elektrolitu, w którym zanurzone są elektrody. Cząsteczki HCN, które przedostają się przez membranę sensora, powodują reakcję elektrochemiczną prowadzącą do powstania ładunku elektrycznego na elektrodach. Sygnał ten jest następnie wzmacniany i przeliczany przez elektronikę urządzenia na wartość stężenia gazu wyrażoną w ppm. Dzięki temu detektor cyjanowodoru wskazuje aktualne stężenie HCN w powietrzu z wysoką dokładnością, umożliwiając bieżące monitorowanie narażenia i szybkie reagowanie na zmiany w otoczeniu.

Zastosowanie technologii elektrochemicznej niesie ze sobą szereg zalet. Przede wszystkim sensor jest selektywny, dzięki czemu reaguje przede wszystkim na HCN, co ogranicza ryzyko fałszywych alarmów. Drugą istotną cechą jest krótki czas odpowiedzi, co ma kluczowe znaczenie w sytuacjach nagłego uwolnienia HCN. Sensory tego typu pozwalają także na detekcję bardzo niskich stężeń, poniżej wartości NDS i NDSP, dzięki czemu możliwe jest wczesne ostrzeganie pracowników jeszcze zanim dojdzie do przekroczenia dopuszczalnych limitów. Dodatkowo wyróżniają się powtarzalnością wyników oraz dobrą stabilnością w dłuższym okresie użytkowania, co zwiększa wiarygodność pomiarów i ułatwia planowanie konserwacji urządzeń.

Zastosowania detektorów cyjanowodoru (HCN)

Detektory cyjanowodoru znajdują szerokie zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu i w służbach odpowiedzialnych za bezpieczeństwo. W przemyśle chemicznym są nieodzowne w procesach produkcji akrylonitrylu, tworzyw sztucznych, pestycydów czy barwników, gdzie istnieje ryzyko emisji HCN zarówno w trakcie syntezy, jak i przy obróbce surowców. Równie istotną rolę odgrywają w metalurgii szczególnie podczas procesów galwanizacji, oczyszczania i powlekania metali gdzie cyjanowodór może pojawiać się jako produkt uboczny reakcji chemicznych.

Zastosowanie detektorów cyjanowodoru obejmuje także branżę fumigacji i dezynsekcji. Gaz ten bywa używany do zwalczania szkodników w magazynach zbożowych, kontenerach czy zakładach przetwórstwa spożywczego, co wymaga stałej kontroli jego stężenia w powietrzu. Podobnie w laboratoriach badawczych i magazynach chemicznych czujniki HCN pełnią funkcję zabezpieczenia pomieszczeń, chroniąc personel przed przypadkowymi wyciekami.

Poniżej przedstawiono szczegółowe opisy branż, w których stosuje się detektory cyjanowodoru, wraz z materiałami projektowymi i informacjami o regulacjach prawnych.