Badanie spalin silnika Diesla - węgiel elementarny

Jakie związki chemiczne powstają w wyniku spalania oleju napędowego w silnikach Diesla?

Spaliny silników Diesla są to wieloskładnikowe mieszaniny kilkuset związków chemicznych, powstające w wyniku niedoskonałego spalania oleju napędowego i silnikowego, a także zawartych w nich modyfikatorów i zanieczyszczeń. Te niepożądane produkty spalania wydzielają się  do atmosfery w postaci gazów i par, jak również w postaci cząstek stałych. W skład fazy gazowej wchodzą węglowodory alifatyczne i ich nitrowe pochodne, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne o niskim ciężarze cząsteczkowym, takie jak naftalen, acenaftalen, antracen, fluoren i fluoranten. Tlenki azotu (produkty uboczne spalania) i tlenek węgla (produkt niezupełnego spalania) – to główne gazowe składniki spalin silników Diesla. Emisja cząstek stałych o różnych wymiarach i kształcie jest zjawiskiem charakterystycznym dla silników Diesla. Na wielkość emisji tych cząstek ma wpływ wiele czynników, między innymi zawartość siarki w paliwie, liczba cetanowa oraz gęstość  paliwa. Węgiel elementarny (pierwiastkowy) jest głównym składnikiem cząstek stałych, na których powierzchni są zaadsorbowane związki organiczne i nieorganiczne, głównie siarczany¹.

Jaki wpływ na zdrowie pracowników mają spaliny silnika Diesla?

Na całkowitą materię węglową w powietrzu (TC– Total Carbon) składają się tysiące związków węgla. Oprócz tego, że tworzy związki organiczne (OC – Organic Carbon), węgiel w powietrzu występuje także jako:

• węgiel elementarny (EC – Elemental Carbon),
• węgiel nieorganiczny (CC – Carbonated Carbon).

Spaliny emitowane z silników wysokoprężnych Diesla są to mieszaniny produktów niecałkowitego spalania oleju napędowego i silnikowego, a także zawartych w nich dodatków i zanieczyszczeń. Węgiel pierwiastkowy, czyli węgiel elementarny (EC), jest głównym składnikiem frakcji stałej spalin. Ponad 90% cząstek emitowanych z silników ma średnicę mniejszą niż 1 μm (Chernyshev i in. 2018). Cząstki EC i zaadsorbowane na nich substancje o udowodnionym działaniu rakotwórczym, m.in.: wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne i ich nitrowe pochodne, formaldehyd, benzen i nitrobenzen, a także substancje o działaniu toksycznym: toluen, ksyleny, acetaldehyd, odpowiadają za szkodliwe działanie spalin. Fazę gazową spalin stanowią tlenki azotu, węgla i siarki oraz lotne węglowodory aromatyczne i ich chloropochodne.²

Prawdopodobnie główną przyczyną nowotworów płuc, przede wszystkim gruczolaków i gruczolakoraków, są przedostające się do strefy wymiany gazowej płuc submikronowe cząstki stałe spalin, na których powierzchni są  zaadsorbowane substancje chemiczne, m.in. mutagenne i rakotwórcze, w tym wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne i ich nitrowe pochodne rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych oraz lipidowych składnikach surfaktantów płucnych ssaków. Cząstki te łatwo się wchłaniają i gromadzą w pęcherzykach płucnych.¹

Działanie spalin silników Diesla jest ściśle zależne od dawki, czyli od ilości cząstek wchłoniętych do komórek na drodze fagocytozy oraz od wielkości cząstek. Generalnie uważa się, że efekt toksyczny DEP jest związany z cząstkami o średnicy aerodynamicznej mniejszej niż 10 µm (PM10). Zdaniem wielu autorów szczególnie cząstki o  średnicy poniżej 2,5 µm (PM2,5) są  odpowiedzialne za nieodwracalne zmiany w drogach oddechowych. Jednak ostatnie doniesienia wskazują,  że to cząstki mniejsze, o średnicy  do 0,2 µm, powodują stres oksydacyjny i reakcje zapalne.¹

Międzynarodowa Agencja Badań nad Rakiem (IARC) uznała mieszaninę spalin silnika Diesla za rakotwórczą dla ludzi – Grupa 1 (IARC 2014) oraz stwierdziła, że choć w spalinach z nowszych typów silników Diesla ilość cząstek i substancji chemicznych jest mniejsza, jednak nie wiadomo jeszcze, jaki to może mieć wpływ na zdrowie pracowników.²

Praca w narażeniu na spaliny emitowane z silników Diesla została dopisana, jako proces, w którym dochodzi do uwalniania substancji o działaniu rakotwórczym, do załącznika I dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2019/130 z dnia 16 stycznia 2019 r. zmieniającej dyrektywę 2004/37/WE w sprawie ochrony pracowników przed zagrożeniem dotyczącym narażenia na działanie czynników rakotwórczych lub mutagenów podczas pracy. Natomiast wartość dopuszczalnego stężenia w powietrzu na stanowiskach pracy (BOELV) ustalona na poziomie 0,05 mg/m³, mierzona jako węgiel elementarny, została wprowadzona do załącznika III tej dyrektywy. Wartość dopuszczalna w Polsce ma zastosowanie od 21 lutego 2023 r., a dla górnictwa podziemnego i budownictwa tuneli wartość dopuszczalna będzie obowiązywać od 21 lutego 2026 r. ^2,3

Jakie zawody są narażone na spaliny silnika Diesla?

Narażenie zawodowe na substancje chemiczne i cząstki stałe wchodzące  w skład spalin emitowanych przez silniki wysokoprężne Diesla dotyczy osób obsługujących lub konserwujących sprzęt wyposażony w tego typu silniki. Są to przede wszystkim kierowcy samochodów ciężarowych, pracownicy zajezdni autobusowych i zakładów zajmujących się naprawą i serwisem samochodów, pracownicy kolei, operatorzy ładowarek, koparek, dźwigów, wózków widłowych i podnośników, a także górnicy oraz strażacy. Ze względu na powszechność stosowania silników Diesla w pojazdach transportu, a także samochodach osobowych, spaliny tych silników stanowią zagrożenie dla zdrowia ogółu populacji. ¹

Na czym polega badanie narażenia pracownika na spaliny silnika Diesla?

Pobieranie próbek powietrza w celu określenia stężenia frakcji respirabilnej cząstek spalin silników Diesla jest  wykonane za pomocą przyrządów indywidualnych, zainstalowanych na pracowniku i wyposażonych w głowicę  pomiarową  usytuowaną  w strefie oddychania (możliwie blisko dróg oddechowych pracownika). Dozymetria indywidualna jest oczywiście metodą  preferowaną, gdyż najbardziej odzwierciedla narażenie pracowników na szkodliwe działanie pyłów podczas całego dnia pracy. Zasady pobierania próbek powietrza w środowisku pracy oraz interpretacji uzyskanych wyników są określone w normie PN‐Z‐04008‐7:2002 i PN‐Z‐04008‐7:2002/Az1:2004¹ oraz Podstawy i Metody Oceny Środowiska Pracy 2020, nr 4(106), s. 143–162.² Metoda polega na przepuszczeniu badanego powietrza zawierającego spaliny silnika Diesla przez filtr kwarcowy. Do oznaczania węgla elementarnego w próbkach powietrza pobieranych w środowisku pracy, gdzie emitowane są spaliny z silników Diesla, stosuje się analizator termo-optyczny z detekcją płomieniowo-jonizacyjną (FID)².

Jak poprawić warunki pracy pracowników narażonych na działanie spalin silnika Diesla?

Środki ochrony zbiorowej – wentylacja i klimatyzacja

Priorytetowymi środkami do eliminowania spalin silników Diesla ze środowiska pracy i  życia powinny być  środki ochrony zbiorowej, tzn. instalacje wentylacji  i klimatyzacji wyposażone w wielostopniowe układy do oczyszczania powietrza ze szkodliwych cząstek oraz gazów i par zawartych w spalinach.¹

Parametrem, którym charakteryzuje się wentylację ogólną, jest liczba wymian powietrza na godzinę. Na etapie projektowania wentylacji liczba wymian powietrza jest z reguły obliczana w odniesieniu do intensywności emisji spalin silników Diesla:

• w warsztatach mechanicznych – w odniesieniu do stężenia spalin u  źródła ich emisji podczas prac wykonywanych z włączonym silnikiem Diesla; istotny wpływ na liczbę obliczanych  wymian powietrza ma rodzaj planowanej do zastosowania wentylacji miejscowej (zwykle odciągu miejscowego podłączonego do systemu odciągającego i oczyszczającego powietrze ze spalin),
• w garażach – w odniesieniu do czasu pracy silnika Diesla w najbardziej niekorzystnych warunkach, to znaczy podczas uruchamiania, rozgrzewania i wyjazdu lub powrotu osób użytkujących pojazdy.¹

Środki ochrony indywidualnej – sprzęt ochrony dróg oddechowych

Do najskuteczniejszych  środków profilaktycznych przed zagrożeniami związanymi ze spalinami silników Diesla należą sprawnie działające systemy wentylacyjne. Jednakże tam, gdzie stosowanie tych systemów nie jest możliwe ze względu na charakter czynności zawodowych pracowników, dostarczanie pracownikom prawidłowo dobranych  środków ochrony układu oddechowego staje się podstawowym obowiązkiem pracodawcy. Przyjmuje się, że aby sprzęt ochronny odpowiednio spełniał swoje funkcje, powinien:

• zostać prawidłowo dobrany do istniejącego zagrożenia, a więc proces doboru powinien uwzględniać  identyfikację  zanieczyszczeń  powietrza występujących lub mogących powstać na poszczególnych stanowiskach pracy oraz  ustalenie ich wpływu na organizm człowieka,
• odpowiadać warunkom panującym na danym stanowisku pracy,
• odpowiadać  wymaganiom ergonomicznym i uwzględniać  stan zdrowia pracownika,
• być  dopasowany indywidualnie do każdego użytkownika – ochrona nie powinna powodować dyskomfortu przy wykonywaniu pracy.¹

Do ochrony układu oddechowego przed zagrożeniami substancjami pochodzącymi ze spalin silników Diesla powinien być  stosowany oczyszczający sprzęt ochrony układu oddechowego posiadający właściwości filtrujące i pochłaniające. Takim sprzętem są: 

• filtropochłaniacze par organicznych skompletowane z odpowiednią częścią twarzową w postaci: maski, półmaski, ćwierćmaski, ustnika,
• półmaski filtrująco‐pochłaniające z zaworami,
• sprzęt z dodatkowym źródłem zasilania w postaci: sprzętu ze wspomaganiem przepływu powietrza wyposażonego w maski, półmaski lub ćwierćmaski. ¹

Źródło:

¹ dr M. Pośniak, dr inż. E. Jankowska, dr M. Szewczyńska, dr L. Zapór, dr inż. A. Brochocka, dr inż. P.Pietrowski: Zagrożenia spalinami silników Diesla. CIOP-PIB Warszawa 2010.

²  dr hab. M. Szewczyńska, dr M. Pośniak, dr J. Kowalska: Spaliny emitowane z silników Diesla, mierzone jako węgiel elementarny – metoda oznaczania w powietrzu na stanowiskach pracy. PiMOŚP 2020, nr 4(106), s. 143-162. CIOP-PIB.

³ Rozporządzenie Ministra Rozwoju, Pracy i Technologii z dnia 18 lutego 2021 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy (Dz.U. 2021 poz. 325).

⁴ Obwieszczenie Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej z dnia 28 sierpnia 2003 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Pracy i Polityki Socjalnej w sprawie ogólnych przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy (Dz.U. 2003 nr 169 poz. 1650 z późniejszymi zmianami).