Badanie parametrów pożarowych i wybuchowych substancji słodzących z grupy polialkoholi cukrowych oraz identyfikacja toksycznych produktów ich spalania

Kierownik projektu: dr inż. Maciej Celiński

Streszczenie projektu:

Celem projektu była ocena potencjału pożarowo-wybuchowego substancji słodzących z grupy polialkoholi cukrowych, związanego z możliwością wystąpienia poważnej awarii przemysłowej podczas ich produkcji, przetwarzania oraz magazynowania.

W ramach projektu przeprowadzono serię badań mających na celu ocenę palności i dymotwórczości substancji słodzących w kontekście bezpieczeństwa chemicznego (d‑mannitol, d‑sorbitol, ksylitol, mezo‑erytrytol, mio‑inozytol, maltitol, sacharoza, aspartam). Dokonano identyfikacji jakościowej toksycznych produktów powstałych w wyniku pożarowego scenariusza awarii z udziałem badanych substancji słodzących oraz oceny charakterystyk wybuchu pyłów badanych substancji słodzących.

Do badania procesów spalania związków z grupy polialkoholi cukrowych niezbędne było oznaczenie podstawowych parametrów określających zachowanie się tych materiałów w warunkach pożarowych, m.in. szybkości wydzielania ciepła, czasu zapłonu, gęstości zadymienia. Wprowadzono także dodatkowe parametry pozwalające na szerszą analizę badanych związków. Pomiary wykonano za pomocą kalorymetru stożkowego i komory dymowej.

Do wytwarzania produktów termicznego rozkładu oraz spalania wybranych materiałów zastosowano piec rurowy oraz układ do jednoczesnej analizy termicznej. Substancje obecne w emitowanych mieszaninach gazów i dymów analizowano z zastosowaniem chromatografu gazowego ze spektrometrem mas oraz spektrometru w podczerwieni z analizą Fouriera.

Do badania charakterystyki procesu wybuchu substancji słodzących niezbędne było oznaczenie podstawowych parametrów określających szybkość wzrostu ciśnienia oraz jego maksymalną wartość wygenerowaną w efekcie zapłonu mieszaniny pyłowo-powietrznej. Oznaczono również Dolną Granicę Wybuchowości, czyli minimalne stężenie, dla którego odnotowano wybuch, oraz Minimalną Energię Zapłonu określającą energię iskry będącą w stanie zainicjować zapłon mieszaniny pyłowo-powietrznej. W celu dopełniania badań charakteryzujących palność i wybuchowość pyłów substancji słodzących oznaczono Minimalną Temperaturę Zapłonu mieszaniny pyłowo-powietrznej oraz ciepło spalania określające maksymalną ilość energii, jaką materiał jest w stanie wygenerować w trakcie spalania bądź wybuchu.

Na podstawie analizy krzywych szybkości wydzielania ciepła stwierdzono, że aspartam w wyniku kontaktu z zewnętrznym źródłem promieniowania cieplnego zapala się najszybciej spośród badanych substancji, niezależnie od wartości zewnętrznego promieniowania cieplnego.

Projekt II.N.08. Prawdopodobny mechanizm termicznego rozkładu aspartamu

Zróżnicowanie w budowie badanych substancji miało odzwierciedlenie w uzyskiwanych wynikach badań. Niezależnie od atmosfery (tlenowej i beztlenowej), w której przebiegał proces rozkładu, mezo-erytrytol ulegał całkowitemu rozkładowi, w wyniku jednoetapowego procesu. Dla aspartamu z kolei na krzywych TG widoczny jest ubytek masy w znacznie niższych temperaturach, niż ma to miejsce w przypadku cukroli. Na podstawie uzyskanych produktów rozkładu przygotowano prawdopodobny mechanizm rozkładu termicznego aspartamu. Po dokonaniu pomiarów charakterystyk wybuchu substancji słodzących stwierdzono, że najbardziej niebezpiecznym z badanych związków jest aspartam; aż trzy spośród badanych cukroli wykazały wartość parametru K_ST wyższą od sacharozy.

Na podstawie uzyskanych wyników opracowano 2 procedury dotyczące prowadzenia pomiarów z wykorzystaniem kalorymetru stożkowego i aparatu MINOR II będącego zmodyfikowaną rurą Hartmana. Opracowano poradnik dotyczący zagrożeń pożarowo-wybuchowych stwarzanych przez substancje słodzące z uwzględnieniem środków prewencji skierowany do pracowników Państwowej Straży Pożarnej, pracowników przemysłu cukrowniczego oraz organów kontrolno-nadzorczych. Przygotowano również materiały informacyjne dotyczące palności, wybuchowości oraz emisji substancji powstających podczas spalania substancji słodzących, które zostaną upowszechnione poprzez portal internetowy CIOP-PIB w serwisie nt. przeciwdziałania poważnym awariom przemysłowym.

Wyniki projektu przedstawiono w 1 publikacji przygotowanej do czasopisma o zasięgu międzynarodowym, 2 publikacjach w recenzowanych materiałach konferencyjnych i 1 rozdziale polskojęzycznej monografii naukowej oraz zaprezentowano w referatach na 3 konferencjach międzynarodowych i 1 konferencji krajowej.

Jednostka: Pracownia Bezpieczeństwa Chemicznego

Okres realizacji: 01.01.2017 – 31.12.2019