TULIPALON JÄLKIHAJUJEN POISTO SISÄILMASTA Tuomas Paloposki, Kati Tillander, Kirsi Villberg & Kristina Saarela VTT Rakennus ja yhdyskuntatekniikka TIIVISTELMÄ Tulipalon jälkihajujen poistamisessa käytettäviä puhdistusmenetelmiä ja niiden tehokkuutta vertaileva tutkimus on parhaillaan käynnissä. Hankkeeseen kuuluu rakennusmateriaalien ja rakennusten irtaimistoon kuuluvien tyypillisten materiaalien hallittu altistus savulle sekä puhdistus erilaisilla tekniikoilla. JOHDANTO Tulipalossa syntyy savua, nokea ja kaasumaisia yhdisteitä, joista osa päätyy palokohteen rakenteisiin ja irtaimistoon aiheuttaen tarvetta jälkisiivoukseen ja puhdistukseen. Työhön tarvittava aika ja työn aiheuttamat kustannukset ovat usein merkittäviä. Tulipalon jälkihajujen poistamisessa käytettäviä puhdistusmenetelmiä ja niiden tehokkuutta vertaileva tutkimus on parhaillaan käynnissä. Työhön kuuluu kirjallisuustutkimus ja kokeellinen osuus. Kokeita tehdään sekä laboratorio olosuhteissa että oikeiden palokohteiden jälkisaneerauksen yhteydessä. Pääosan työstä tekee VTT, ja hanketta rahoittamassa on hyvin laaja kirjo palosaneerausalan, vakuutusalan, kiinteistöalan ja pelastusalan yrityksiä ja yhteisöjä. Hanke päättyy syksyllä 2005. Tässä esitelmässä kuvataan hankkeen tilannetta toukokuun puolivälissä 2005. HANKKEEN TILANNE Kirjallisuustutkimus Kirjallisuustutkimuksessa käytettiin apuna VTT:n tietopalvelua. Haku käsitti 20 tietokantaa. Valitut tietokannat käsittivät sekä yleisiä tekniikan ja luonnontieteiden tietokantoja että myöskin rakentamiseen, tulipaloihin, kemiaan, muoveihin, lääketieteeseen, toksikologiaan ja työhygieniaan erikoistuneita tietokantoja. Hakutermit valittiin tarkoituksella mahdollisimman laajoiksi jottei mitään tärkeitä tutkimuksia jäisi vahingossa pois haun tuloksista. Tietokantahaku tuotti noin 15 kiinnostavalta vaikuttavaa artikkelia, jotka on osittain jo hankittu. Saalis oli paljon suppeampi kuin ennakkoon odotettiin, mikä toisaalta korostaa aiheesta nyt tehtävän tutkimuksen tärkeyttä. Haun tuloksena syntyneestä aineistosta ei ole vielä tehty yhteenvetoa, eihän kaikkea materiaalia ole vielä edes saatu luettavaksi. Selvästi kiinnostavia ja aiheen kannalta tärkeitä lehtiartikkeleita on kuitenkin jo löytynyt. Tiedon puutteesta kertoo toisaalta kyllä sekin, että lehtiartikkeleissa käytetty kirjoitustyyli näyttää poikkeuksellisen varovaiselta jopa tieteellisen kirjoittamisen yleisiin käytäntöihin verrattaessa; sanamuodot ovat lievimmillään tyyppiä There is little information ja jyrkimmillään There is no scientific documentation. 1
Kirjallisuushakua on tarkoitus jatkaa vielä mm. Euroopan Unionin ja Yhdysvaltojen ympäristöhallinnon (EPA, Environmental Protection Agency) tietokannoista. Laboratoriokokeet Yleistä Laboratoriokokeet tehdään VTT Rakennus ja yhdyskuntatekniikan tutkimustiloissa Espoossa. Kokeissa jäljitellään tulipaloja ja hajunpoistoa täsmällisesti määritellyissä ja toistettavasti hallittavissa olosuhteissa. Kokeita tehdään sekä pienikokoisilla laboratoriolaitteilla että normaalikokoisessa huoneessa tapahtuvaa tulipaloa jäljittelevissä koeolosuhteissa. Kaikki kokeet tehdään kuivissa olosuhteissa eli koetulipaloja ei sammuteta vedellä ellei se osoittaudu välttämättömäksi turvallisuuden kannalta. Kokeissa käytettävät materiaalit Hankkeen taustaryhmien kanssa käydyissä keskusteluissa on tehty seuraavia valintoja: 1. Paloon osallistuvia eli palonhajua tuottavia materiaaleja ovat ensisijaisesti: (a) Puu ja puuhun perustuvat rakennustuotteet. Näiden ei oleteta synnyttävän erikoisen vaikeasti puhdistettavia hajuja, mutta ne tarjoavat hyvän vertailukohdan muiden materiaalien palaessa syntyville hajuille. (b) Muovit. Rakennusten irtaimistossa ja joissain tapauksissa myös rakenteissa on nykyisin merkittävä määrä erityyppisiä muoveja, ja muovien palamisessa syntyvien yhdisteiden uskotaan olevan yhteydessä tulipalojen jälkihajuihin. Laboratoriokokeissa ollaan parhaillaan kokeilemassa polystyreenimukeja. Tällaisia mukeja käytetään palokuormana eräissä muissa paloalan kokeissa, joten niiden käyttäytymisestä tulipalossa on olemassa jo kokemusta. (c) Ruoka. Kuumalle liedelle unohtunut ruoka voi aiheuttaa tulipalon, ja tällaisessa tulipalossa syntyneet hajut on todettu vaikeiksi puhdistaa. Laboratoriokokeissa ollaan parhaillaan kokeilemassa kananmunia, jotka olisivat ihanteellinen koemateriaali: helposti hankittavia, tasalaatuisia ja hyvin säilyviä. 2. Palossa likaantuvia ja puhdistuksen kohteeksi otettavia materiaaleja ovat ensisijaisesti: (a) Kipsilevy. (b) Lämmöneristevilla. (c) Vaahtomuovipehmuste. Näistä kaksi ensimmäistä ovat yleisesti käytettyjä rakennusmateriaaleja ja kolmanneksi valittiin materiaali, joka jäljittelee pehmustettuja huonekaluja eli rakennusten tyypillistä irtaimistoa. Myös muita materiaaleja on kokeiltu laboratoriokokeissa. 2
Jatkossa nimitetään paloon osallistuvia materiaaleja lyhyesti palomateriaaleiksi ja palossa likaantuvia materiaaleja lyhyesti kohdemateriaaleiksi. Palokokeissa käytettävät laitteet Tähänastisissa palokokeissa on käytetty kartiokalorimetria, joka on erilaisten materiaalien palokäyttäytymisen tutkimiseen soveltuva pienikokoinen laboratoriokoelaite. Kokeet ovat olleet alustavia, ja varsinaiset kokeet on tarkoitus tehdä touko ja kesäkuussa 2005. Normaalikokoisessa huoneessa tapahtuvia tulipaloja jäljittelevät kokeet on suunniteltu tehtäväksi elokuussa 2005. Kartiokalorimetrin periaatepiirros ja valokuva VTT:n laitteistosta on esitetty kuvassa 1. Laitteiston toimintaperiaate on seuraava. Tutkittava näyte altistetaan lämpösäteilylle, joka synnytetään kartion muotoisella sähkövastuksella, kartiosäteilyttimellä. Lämpösäteilyn aiheuttama kuumentuminen johtaa pyrolyysireaktioihin, joiden tuloksena näytteestä vapautuu palamiskelpoisia kaasuja. Pyrolyysikaasut sytytetään sähkökipinällä, ja syntyvät savukaasut virtaavat keräilykuvun kautta poistoputkeen. Kipinäsytytin voidaan haluttaessa myös kytkeä pois toiminnasta. Näin tehdään mm. silloin kun tutkimuksen kohteena on pyrolyysikaasujen koostumus tai niiden itsesyttyminen. Nyt tehdyissä kokeissa kipinäsytytin oli kytketty pois toiminnasta. Kuva 1. Kartiokalorimetrin periaatepiirros (vasemmalla) ja valokuva VTT:n kartiokalorimetrilaitteistosta (oikealla). 3
Normaaleihin mittauksiin kartiokalorimetrikokeen aikana kuuluvat tutkittavan näytteen massan muutos, poistokanavassa virtaavan kaasun happipitoisuus ja tilavuusvirta sekä valonsäteen vaimeneminen sen kulkiessa poistokanavan läpi. Näistä mittaustuloksista saadaan lasketuksi mm. näytteen paloteho sekä savuhiukkasten tuotto. Mittausvarustukseen voidaan tarvittaessa sisällyttää myös muiden kaasumaisten yhdisteiden pitoisuudet poistokaasussa. Nyt toteutettavassa hankkeessa mitataan mm. häkäpitoisuudet sekä eräiden muiden tavanomaisten palotuotteiden pitoisuudet poistokaasussa kaasuanalysaattoreilla ja FTIR tekniikalla, sekä lisäksi haihtuvien orgaanisten yhdisteiden pitoisuudet kaasukromatografisesti. Viimeksi mainitusta lisää jäljempänä. Yleisimmin kartiokalorimetrilla tutkitaan levymäisiä materiaaleja, ja tällöin tutkittava näyte on levystä leikattu 10 cm x 10 cm pala. Muuntyyppisten materiaalien sovitus näytteenpitimeen pitää ratkaista tapauskohtaisesti. Eräitä tässä hankkeessa kokeiltavana olevia ratkaisuja on esitetty kuvassa 2. Kohdemateriaaleina eli palonhajua vastaanottavina materiaaleina on kokeiltu mm. kipsilevystä ja lämmöneristevillasta ja työtakkikankaasta leikattuja 22cm x 22 cm näytteitä. Eräitä näytteitä on esitetty kuvassa 3. Näytteet asetettiin kokeen ajaksi kartiosäteilyttimen päälle vaakasuoraan asentoon niin, että palomateriaalista vapautuvat kuumat kaasut virtasivat näytteiden ohitse. Näyteteline ja näytteen asento telineessä on esitetty kuvassa 4. Kaasun lämpötila välittömästi näytteen alapuolella mitataan termoelementillä; tyypilliset arvot kokeen aikana ovat vaihdelleet välillä 150 200 ºC. Kuva 2. Palonhajua synnyttäviä näytteitä valmisteltuna kartiokalorimetrikokeita varten. Näytteet on asetettu alumiinifoliosta tehtyihin 10 cm x 10 cm kuppeihin. Vasemmalla polystyreenimukeista silputtuja muovisuikaleita. Oikealla kananmuna. 4
Kuva 3. Esimerkki palonhajua vastaanottavasta näytteestä: eristevillanäyte A3. Vasemmalla näyte ennen koetta, oikealla kokeen jälkeen. Näytteen kanssa kosketuksissa olleen kaasun lämpötila on ollut n. 150 200 ºC. Näytetelineen kohdat näkyvät selvästi vaaleampina alueina. Kuva 4. Vasemmalla kohdemateriaalinäytteen teline kartiosäteilyttimen päällä. Oikealla kokeen suoritus käynnissä: palomateriaalina kananmuna ja kohdemateriaalina vanerilevyyn kiinnitetty työtakkikangas. 5
VOC näytteenotto savukaasukanavasta Savukaasussa olevat haihtuvat orgaaniset yhdisteet (volatile organic compounds, VOC) määritetään seuraavalla tavalla. Kokeiden aikana imetään kartiokalorimetrin poistokanavasta näytekaasua, jonka sisältämät haihtuvat orgaaniset yhdisteet adsorboidaan Tenax patruunaan. Käytetty menetelmä on akkreditoitu. Adsorboituneet yhdisteet määritetään kokeen jälkeen kaasukromatografisesti. Valokuva koejärjestelystä on esitetty kuvassa 5. VOC näytteenotto savulle altistuneista materiaaleista Savulle altistettujen näytekappaleiden emissiomittaukset suoritettiin FLEC tekniikalla (Field and Laboratory Emission Cell). FLEC on alapuolelta avoin ruostumattomasta teräksestä valmistettu emissiotutkimuskammio, joka tiivistetään tutkittavan pinnan päälle. Menetelmä on akkreditoitu. Valokuva koejärjestelyistä on esitetty kuvassa 6. Kuva 5. Haihtuvien orgaanisten yhdisteiden näytteenotto kartiokalorimetrin poistokanavasta. Tenax patruuna on kiinnitetty poistokanavassa olevaan yhteeseen lyhyellä silikoniletkulla. Näytepumppu ja virtausmittari pöydällä. 6
Kuva 6. FLEC emissiotutkimuskammio tiivistettynä tutkittavan villanäytteen päälle. VOC näytteiden analysointi Näytteet analysoitiin kaasukromatografisesti käyttäen näytteensyöttöön termodesorptiotekniikkaa. Analysointiin käytetty kaasukromatografi on varustettu liekki ionisaatiodetektorilla ja massaselektiivisellä detektorilla. Menetelmä on akkreditoitu. Yksittäisten VOCyhdisteiden alin määritysraja on yhdisteestä riippuen 0,1 1 µg/m³. Kuvassa 7 esitetään kananmunan palohajulle altistetun työtakkikangasnäytteen (kuva 4) totaali ionikromatogrammi. Abundance 140000 TIC: POL54648.D 25.37 130000 120000 110000 100000 90000 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 Time > 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 Kuva 7. Esimerkki savulle altistetun näytteen totaali ionikromatogrammista. 7
Näytteistä lasketaan haihtuvien orgaanisten yhdisteiden kokonaismäärä (total VOC, TVOC) liekki ionisaatiodetektorin kromatogrammin kokonaispinta alasta väliltä heksaani heksadekaani tolueenin vastetekijän avulla. Näytteissä esiintyneet yksittäiset VOC yhdisteet tunnistetaan massaselektiivisen detektorin kokonaisioni kromatogrammista spektrikirjaston perusteella. Yksittäisten VOC yhdisteiden tunnistuksia ei varmenneta malliaineilla. Alustavia tuloksia Savulle altistetuista materiaaleista tunnistettiin useita yhdisteitä, jotka eivät normaalisti kuulu materiaalien omiin emissioihin. Uusia savualtistuksessa syntyneitä yhdisteryhmiä olivat mm. kresolit ja muut aromaattiset yhdisteet (esim. bentsonitriili) sekä typpiyhdisteet/furaanit ja rikkiyhdisteet. Muodostuneiden yhdisteryhmien hajuista tiedetään, että esim. kresolien aiheuttamia hajuja kuvataan yleensä karvaiksi ja pistäviksi. Rikkiyhdisteiden hajukynnykset (=pienin pitoisuus, missä kyseisen yhdisteen haju tunnistetaan) ovat erittäin alhaisia, joten jo pieni määrä kyseistä yhdistettä riittää aikaansaamaan tunnistettavan, ja usein erittäin pistävän, hajun. Jatkosuunnitelmat Kokeet jatkuvat kesäkuussa siten, että palohajulle alttiit kohdemateriaalit puhdistetaan eri tekniikoilla ja lopputulos arvioidaan eri menetelmillä. Elokuussa ovat vuorossa täyden mittakaavan kokeet. KIITOKSET Haluamme esittää kiitoksemme kaikille hankkeen rahoittamiseen ja toteuttamiseen osallistuneille yhteisöille ja henkilöille. 8