Monossido di Carbonio CO
E’ un gas (in condizioni ambiente)
inodore, insapore ed incolore
non corrosivo
moderatamente stabile in atmosfera
reattivo nei confronti di alcuni metalli
combustibile (basso potere calorifico)
Proprietà fisiche:
densità (relativa ad aria)
0.97
temperatura critica
-140 °C
punto di ebollizione (p=1 atm) -191.5 °C
solubilità in acqua a 20°C
29
ppm
limiti d’infiammabilità in aria
12.5 -74.2 %
DOVE E QUANTO
Nell'atmosfera terrestre:
meno di 0.05 ppm in aree remote (poli ed oceani)
da 0.2 a 0.4 ppm sulle superfici emerse
Distribuzione variabile
stagionalmente e con eventi
come incendi, eruzioni vulcaniche, ecc...
medie di 1- 5 ppm con massimi di 10-15 ppm
in ambienti domestici ed in zone urbane
10-20 ppm con picchi superiori alle 100 ppm in:
ambienti di lavoro (officine, autorimesse)
prossimità di strade ad elevato traffico
abitazioni insufficientemente aerate
alte concentrazioni (fino a migliaia di ppm)
nei prodotti di combustione di sostanze
contenenti carbonio come:
benzina, gasolio, GPL, metano, carbone, legna
nell’aria espirata dagli organismi viventi
(produzione endogena)
nel fumo di tabacco
COMBUSTIONE E PRODUZIONE DI CO
Bruciando combustibili fossili
in condizioni ottimali:
CXHY + (2X+Y/2) O2  X CO2 + (Y/2) H2O + calore
ESEMPI:
Metano:
CH4 + 2 O2
Propano:
C3H8 + 5 O2
Acetilene:
C2H2 + 2.5 O2  2 CO2 + H2O
Carbone:

CO2 + 2 H2O
 3 CO2 + 4 H2O
C + O2  CO2
I prodotti di combustione sono costituiti da:
- anidride carbonica (biossido di carbonio) CO2
- azoto N2
- acqua H2O (vapore)
- ossigeno O2 (se l'aria alimentata è in eccesso)
- tracce di altri prodotti
(NOx ; SO2 ; incombusti e parzialmente ossidati)
- ceneri (soprattutto da combustibili solidi)
Da una miscela di metano ed aria
in rapporto stechiometrico
CH4 + 2 O2 + 7.52 N2 
CO2 + 2 H2O + 7.52 N2
si sviluppano fumi con la seguente composizione:
71.5% N2
9.5% CO2
19.0% H2O
se l’aria è in eccesso:
18
CO2
2
Acqua
Ossigeno
16
[% volume]
14
N2:
complemento
al 100%
12
10
8
6
4
2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Eccesso Aria [% su stechiometrico]
90
100
In condizioni diverse
parallelamente a quello già visto
la reazione può seguire un percorso diverso:
CXHY + (X+Y/2) O2  X CO + (Y/2) H2O + calore
Metano :
CH4 + 1.5 O2  CO + 2 H2O
Propano:
C3H8 + 3.5 O2  3 CO + 4 H2O
Acetilene:
C2H2 + 1.5 O2  2 CO + H2O
Carbone:
C + 0.5 O2  CO
I prodotti di combustione contengono:
monossido di carbonio in quantità rilevante
La composizione chimica dei fumi dipende da:
tipo di combustibile
rapporto aria:combustibile
temperatura della fiamma
tempo di permanenza del gas alle alte T
condizioni fluidodinamiche nella zona di fiamma
(miscelazione combustibile-aria e turbolenza di fiamma)
La formazione di monossido di carbonio
è favorita da:
permanenza breve (l’ossidazione di CO a CO2 è lenta)
alte temperature (conversione di C e CO2 a CO)
scarsa miscelazione dei reagenti e
bassa turbolenza di fiamma (carenza locale di O2)
ma soprattutto da:
carenza d'aria che determina una bassa
concentrazione di O2 nella zona di fiamma
Nel caso di apparecchi d'uso domestico la
carenza di ossigeno nella zona di fiamma e la
conseguente alta concentrazione del monossido
di carbonio nei fumi si possono manifestare per
diversi motivi, tra questi i più comuni sono:
- inefficienza del sistema di scarico dei fumi
- insufficienza di ventilazione del locale
- errato rapporto aria-combustibile
Inefficienza del sistema
di scarico dei fumi:
la concentrazione di ossigeno
nei fumi è molto inferiore a
quella nell'aria
se il sistema di evacuazione dei
prodotti combusti non funziona
correttamente i fumi ristagnano
nella zona del bruciatore e sono
immessi nell’ambiente interno
il ristagno provoca una sensibile
diminuzione della concentrazione
di ossigeno e crea le condizioni
favorevoli alla formazione di CO
Cause della inefficienza del sistema
di evacuazione dei fumi
- condotti di diametro insufficiente
le perdite di carico (DP) dipendono da:
- velocità del gas
- quoziente L/D (lunghezza:diametro del condotto)
a parità di portata, con il diminuire del diametro
aumentano sia la velocità sia L/D quindi
la perdita di pressione nel condotto fumario cresce
riducendo sensibilmente il tiraggio
Cause della inefficienza del sistema
di evacuazione dei fumi
- mancanza o insufficiente lunghezza del
primo tratto verticale
la perdita di carico locale causata da una
curva del condotto in prossimità dell’imbocco
può causare difficoltà di avvio del flusso dei fumi
Cause della inefficienza del sistema
di evacuazione dei fumi
- inserimento scorretto nella canna fumaria
se il condotto di collegamento con l’apparecchio è
introdotto in profondità all’interno della canna
fumaria la
sezione di uscita presenta una
riduzione di sezione che ostacola il flusso dei
prodotti combusti
Fumi
Canna fumaria
Cause della inefficienza del sistema
di evacuazione dei fumi
- occlusioni o riduzioni di sez. della canna fumaria
anche in questo caso la riduzione di sezione genera
una perdita di carico locale che ostacola il tiraggio
Cause della inefficienza del sistema
di evacuazione dei fumi
- andamento discendente, orizzontale o
con pendenza ascendente non sufficiente
il tiraggio è causato dalla bassa densità del gas
costituito dai prodotti combusti
nell’atmosfera più densa, la massa dei combusti tende
naturalmente ad un moto ascensionale
se il condotto non ha un andamento ascendente
la forza motrice è esclusivamente cinetica
e può risultare insufficiente per
vincere le perdite di carico
Cause della inefficienza del sistema
di evacuazione dei fumi
- troppe curve
ogni deviazione della direzione del flusso comporta
una dissipazione di quantità di moto
e dunque una perdita di carico
anche in questo caso il problema è dovuto alle
eccessive perdite di pressione che ostacolano
il deflusso dei fumi nei condotti
Cause della inefficienza del sistema
di evacuazione dei fumi
- mancanza di terminale antivento
- errato collegamento a canne fumarie collettive
Insufficiente ventilazione del locale:
in condizioni
stazionarie normaliventilato,
la massa lo
atmosferica
se
il locale è insufficientemente
squilibrio tra il
contenuta
nel scarico
locale eela
pressione
sonodall’esterno
costanti nelgenera
tiraggio
dello
l’afflusso
d’aria
tempo;
dall’esterno
accededepressione
una quantità
d’aria
pari
una
condizione
di leggera
nel
locale;
a quella consumata dalla combustione
la tendenza del sistema è di compensare tale
Fumi
depressione con l’immissione di parte
dei fumi nell’ambiente interno
>11 m3/h
Fumi
Metano 1m3/h
Aria 10 m3/h
Aria
inrischio
questoècaso
il ristagno
deiper
fumi
le condizioni
favorevoli
il
ancora
maggiore
glieapparecchi
di tipo
A che
alla formazione
di CO
possonodirettamente
essere provocate
anche
scaricano
i prodotti
combusti
nel locale
dall’assenza o inadeguatezza di una sola delle
due aperture previste dalle norme
Fumi
Combustibile
Aria
Fumi
Errato rapporto aria-combustibile:
nella maggior parte degli apparecchi per uso
domestico, l'aria fresca è richiamata dalla
depressione provocata dal deflusso dei
prodotti di combustione
un incremento della portata di combustibile e
dunque dei fumi prodotti causa un aumento
della portata d’aria aspirata, mantenendo
il rapporto ossigeno:combustibile
ad un livello corretto
resta da valutare la capacità di smaltimento
della maggiore portata di fumi da parte di
un condotto di scarico dimensionato per
condizioni di funzionamento normali
Perchè il Monossido di Carbonio
è pericoloso?
In quasi tutti i paesi del mondo circa la meta' dei
decessi classificati come intossicazioni acute
sono causati da monossido di carbonio
Anche nell'ambito degli eventi con esito non letale
il CO è un agente intossicante molto frequente
In molti casi d’incendio la vera causa dei decessi
è la intossicazione da CO conseguente alla
inalazione di fumi di combustione
Il monossido di carbonio ha causato:
oltre 1’000 decessi/anno in Gran Bretagna [1]
più di 3’500 decessi e 10'000 intossicazioni gravi
all’anno in USA [2]
per l’Italia non esistono dati certi, ma si stima che
nel periodo 1980-2000 i decessi causati da CO
siano stati 300-350 all’anno
(con un sensibile calo negli ultimi anni)
[1] Fonte: British Medical Journal, periodo 1985-1999
[2] Fonte: US Center for Disease Control, periodo 1990-1996
IL PROCESSO D’INTOSSICAZIONE
Il monossido di carbonio ha
grande affinità nei confronti della
emoglobina (Hb) contenuta nel sangue
Respirando un’atmosfera contenente
CO questo si combina con l’emoglobina
convertendola in carbossiemoglobina (COHb)
COHb è inefficace ai fini del
trasporto dell'ossigeno ai tessuti dell'organismo
I danni che derivano dalla
insufficiente ossigenazione interessano
numerosi organi tra i quali il cervello ed il cuore
I danni possono anche essere irreversibili
e provocare la morte del soggetto intossicato
in tempi relativamente brevi (decine di minuti)
Sintomatologia della intossicazione acuta da CO
%COHb
0 - 10
10
20
30
40
–
–
–
–
20
30
40
50
50 – 60
60 – 70
70 – 80
Sintomi
Nessun sintomo apparente,
modificazioni dei parametri cardiocircolatori
Cerchio frontale, cefalea, dilatazione vasale
Cefalea e pulsazione alle tempie
Cefalea intensa, vertigini, vomito, collasso
Maggior possibilità di collasso e di sincope,
aumento della frequenza respiratoria
Sincope con aumento della frequenza
respiratoria e del polso, collasso
coma, convulsioni, morte
arresto respiratorio e morte
L’intossicazione è un processo chimico-fisico
e fisiologico molto complesso
Atmosfera esterna
Aria alveolare
CO
endogeno
CO a CO2
metabolico
Plasma
Mioglobina
Hb
Intravascolare
Extravascolare
Enzimi
intracellulari
Immaginando di partire da una condizione
iniziale
di assenza
di processo
carbossiemogliobina
la
La dinamica
del
d’intossicazione
concentrazione di tale componente nel sangue di
presenta un andamento che possiamo
un soggetto che respira un’atmosfera contenente CO
definire
“saturazione
cresce
nel tempo,
tendendo progressiva”
ad un valore limite di equilibrio
valore limite: dipende dalla
concentrazione
di CO nell’aria
%COHb
16
12
8
la dinamica è
più rapida nella fase iniziale,
poi rallenta fino ad annullarsi
4
0
0
20
40
60
80
tempo
100
120
Concentrazioni di COHb all’equilibrio (saturazione)
in funzione del livello di CO in atmosfera
CO nell'aria
30
% COHb3]
[mg/m
5.7
11.5
23.0
20
34.5
46.0
57.5
69.0
92.0
115 10
172
229
%COHb
[ppmV]
[% volume]
[ 100*COHb/COHbmax ]
5
10
20
30
40
50
60
80
100
150
200
0.0005
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.008
0.01
0.015
0.02
0.87
1.73
3.45
5.05
6.63
8.16
9.63
12.46
15.11
21.05
26.22
0
0
50
100
CCO [ppm]
150
200
La velocità con cui la % di COHb cresce nel tempo
dipende anche dall’attività fisica
COHb
16
12
soggetto a riposo
8
attività fisica moderata
4
attività intensa
0
0
20
40
60
80
tempo
100
120
Per valutare quantitativamente la dinamica del
processo d’intossicazione sono state elaborate:
- relazioni empiriche
(interpolazione di misure sperimentali)
- equazioni basate su modelli dei
processi chimico-fisici e fisiologici
Le relazioni empiriche sono più semplici,
ma hanno un campo d’impiego limitato e
devono essere verificate sperimentalmente
I modelli sono più affidabili, se applicati in
condizioni diverse da quelle già sperimentate,
ma sono più difficili da utilizzare perché richiedono
la conoscenza di numerosi parametri
Modello dinamico:
Coburn, Forster e Kane (1965)
[COHb]  pI,O2 pE,CO
dCOHb
VB
 VCO 

dt
M  B  [O2Hb]
B
pI
1
B

DL,CO VA
VB
VCO
pI,O2
M
pE,CO
DL,CO
PI
VA
volume sangue
CO endogeno
pressione alveolare ossigeno
coefficiente di Haldane
pressione CO in ambiente
diffusività polmonare CO
pressione totale alveolare
ventilazione alveolare
Soggetto adulto non fumatore
10 l/min = riposo
20 l/min = attività moderata
Relazione empirica:
Chovin (1967)

 k  t 
%COHb  (%COHb)
100 ppm di COeqinatmosfera
1  exp   8.82  
15



12
(%COHb)eq  100 
%COHb
9
pCO  M/(pO2 )
1  pCO 50M/(pO2 )
500 ppm di CO in atmosfera
Attività fisica
riposo
moderata
40
intensa
6
k coefficiente
di attività fisica
0.025 a riposo
30
3
%COHb
0.035 attività mod erata
Attività fisica
riposo
moderata
intensa
0.045
attività int ensa20
0
0
200
400
600
800
1000
1200
tempo [min]
10
0
0
200
400
600
tempo [min]
800
1000
1200
La reazione di combinazione tra emoglobina
e monossido di carbonio è reversibile
Se un soggetto intossicato respira un’atmosfera
priva di CO la concentrazione di COHb nel suo
sangue dimuirà progressivamente nel tempo
Purtroppo il processo è più lento della formazione
di COHb e dunque la “disintossicazione”
richiede tempi lunghi:
da 2 a 7 ore per
dimezzare la concentrazione di COHb
La dinamica del processo è descrivibile un
decadimento esponenziale [1]:
CCOHb  (CCOHb )iniziale  e0.69315 t / d
Dove d è il tempo di dimezzamento:
d = 300 min in aria a pressione atmosferica
d = 80 min con ossigeno a 1 atm
d = 20 min con ossigeno iperbarico (3 atm)
[2]
[1] G.Godin and R.J. Shephard, “On the course of carbon monoxide uptake and release” 1972
[2] B.D.Dinman, National Academy of Sciences, Washington, 1969
%COHb
Intox 500 ppm CO
Detox aria
Detox ossigeno
20
15
10
5
0
0
120
240
360
480
tempo [min]
600
720
840