Intoxikace oxidem uhličitým ve speleologii

Milan Geršl (ZO 6-23 Aragonit & Ústav geologických věd, PřF MU Brno),

Marek Vitovják (ZO 7-02 Hranický kras & Ústav soudního lékařství a medicínského práva FN Olomouc)

(Speleo 37; str.37—41; Praha 2003)

 

 

Oxid uhličitý je jednou z nejběžnějších škodlivin v ovzduší jeskyní i ostatních podzemních prostor. V případě kvalitní detekce tohoto plynu a znalosti první pomoci při případné otravě, tedy intoxikaci oxidem uhličitým, se zpravidla jedná o klidného a neškodného společníka. Opomeneme-li však zásadní zásady logicky uplatňované v prostředí s vyšším obsahem oxidu uhličitého, můžeme očekávat tragické následky.

 

Fyzikální a chemické vlastnosti

Oxid uhličitý (dříve kysličník uhličitý), CO2, je bezbarvý plyn, prakticky bez zápachu, resp. s mírně nakyslým zápachem, při vyšších koncentracích je nakyslé chuti. Vře, resp. sublimuje při −78,5 °C (101,3 kPa). Snadno se zkapalňuje v bezbarvou kapalinu. Jeden kg kapalného CO2, odpovídá 462 l plynu. Při vypouštění z tlakových lahví expanduje, ochlazuje se a tvoří bílou látku podobnou sněhu. Oxid uhličitý nehoří ani hoření nepodporuje, je velmi stálou sloučeninou, která se rozkládá jen při velmi vysokých teplotách (nad 1300 °C). Hustota v poměru ke vzduchu je 1,524. Je tedy asi o polovinu těžší než vzduch. I za normálního tlaku se velmi snadno pohlcuje ve vodě. V jednom litru vody se pohltí při teplotě 20 °C a tlaku 100,3 kPa až 0,88 litru CO2. Vodné roztoky oxidu uhličitého tvoří kyselinu uhličitou H2CO3, reagují kysele a tvoří mnoho solí (uhličitany).

 

 

Výskyt

Oxid uhličitý se vyskytuje vždy v malém množství ve vzduchu (0,03—0,1 obj. %). V jeskyních i ostatních podzemních prostorách můžeme rozlišit CO2, juvenilní, pronikající do prostor z hlubších částí zemské kůry, např. jako pozůstatek vulkanické činnosti a biogenní, vznikající jako produkt hnití a tlení organických zbytků a výdřevy, dýcháním lidí a živočichů, při trhacích pracích, při požárech a výbuších.

Ve Zbrašovských aragonitových jeskyních jsou koncentrace juvenilního oxidu uhličitého detailně sledovány od roku 1973. Průměrné koncentrace v období 1973—2000 jsou např. Prokopova kaple 6,6 %, Jurikův dóm – Tunel 9,4 %, Gallašův dóm 19,6 %. Průměrné koncentrace v roce 1999 dosáhly: Prokopova kaple 21,5 %, Jurikův dóm – Tunel 21,6 %, Gallašův dóm 84,9 % (Geršl, Bosák 2000). V Hranické propasti CO2 často tvoří nedýchatelnou vrstvu nad jezerem kyselky smísené s dešťovou vodou.

V černouhelných dolech se oxid uhličitý, často spolu s metanem nebo dusíkem, vyskytuje především v podobě výronů z hornin, kde je uzavřen jako jeden z produktů prouhelňování. Přímo v dolech vzniká při požárech, výbuších a záparech uhelné hmoty a nakonec bývá přiváděn i uměle jako inertizační prostředek při likvidaci těchto nehod.

V průmyslu se zvýšený obsah oxidu uhličitého může vyskytnout zejména v tunelech, ve studních, různých jímkách a v potápěčských kesonech. Vysoké obsahy tohoto plynu můžou být nahromaděny při těžbě a zpracování uhličitých minerálních vod. Zvýšený obsah rovněž indikujeme při procesech kvašení, hnití nebo tlení. V průmyslu se jedná např. o kvasírny pivovarů, drožďárny, vinné sklepy, silážní jámy. Lazarev (1959) uvádí různé příklady, např. ve skladech s kvasícím ovocem bylo zjištěno až 60 % CO2, v kádích drožďáren až 37,6 %, v silážních jamách až 76 %, v kontrolních šachtách vodovodní sítě 0,25—11 %.

 

Celkový charakter účinku na organismus

Pro organismus člověka je oxid uhličitý přirozeným stimulátorem dýchání. Při vdechování nízkých koncentrací způsobuje oxid uhličitý zrychlení dechu. Při konc. asi 3 % CO2 v ovzduší se dechová frekvence téměř zdvojnásobí, při 5 % ztrojnásobí. To zpravidla již vyvolává bolesti hlavy, také hučení v uších a člověk pociťuje zvýšenou únavu. Pocit zvýšené únavy nutí postiženého k usednutí, čímž se dostává do polohy s vyšší koncentrací CO2. Při konc. okolo 8 % se dostavují silné bolesti hlavy a závratě, postižený ztrácí soudnost. Mnohdy dochází k obrně hlasivek a postižený není schopen přivolat pomoc. S příznaky počínající hypoxie se objeví i slabé narkotizující účinky. Při konc. 10—11 % již člověk ztrácí vědomí a při dalším vdechování nastává smrt.

Vlastní pitevní nález je charakterizován obecnými známkami dušení (tečkovité krevní výronky v měkkých pokrývkách lebních, pod serózními blanami, tekutá krev v orgánech a cévách, akutní překrvení všech orgánů, otok mozku). Bezprostřední příčinou smrti postiženého je těžký otok mozku v důsledku dušení, přičemž nástup smrti je urychlen selháním periferního oběhového systému.

Již při nízkých koncentracích vytváří CO2, na vlhkých sliznicích kyselinu uhličitou (H2CO3), která dráždí sliznice dýchacích cest a oči. Se zvýšením koncentrace vyvolá pocit svědění a tepla, zvláště na zpocené pokožce. Dráždění pokožky vede k překrvení podkoží, a tím k nedokrvení centrálních orgánů, což narušuje fyziologickou rovnováhu. Celkově je narušená činnost centrální nervové soustavy a celkově se projevuje obdobně jako přehřátí organismu.

Za vysokou koncentraci se např. v báňské záchranářské praxi považuje konc. nad 20 % CO2. Avšak již poloviční koncentrace způsobuje vznik kyseliny uhličité na zpocené pokožce pracovníka. Pocity projevující se na pokožce v koncentracích nad 60 % jsou pro zasahující záchranáře již vyloženě nepříjemné. Po ukončení práce v prostředí zamořeném CO2, je proto vhodné omytí celého povrchu těla vlažnou vodou s použitím alkalického mýdla, které urychlí neutralizaci kyseliny uhličité.

 

První pomoc

Předlékařská první pomoc:

Polohování. Uvolnění a udržení volných dýchacích cest. Podání kyslíku, příp. umělé dýchání bez nebo i s potřebnými pomůckami (T-tubus, vzduchovod, ambuvak, pulmotor). Sledování dýchání, tepu a krevního tlaku.

Umělá ventilace nesmí být nikdy zdržována hledáním pomůcek. Vzduch vydechovaný zachráncem je ihned k dispozici a vždy znamená víc, než kyslík podaný o pár sekund později. Vydechovaný vzduch obsahuje 16—18 % kyslíku, což zcela postačuje potřebám neodkladné resuscitace.

Lékař:

Přivolaný lékař zpravidla provede celkové vyšetření. V nutných případech postiženého intubuje a zavádí umělé dýchání (hyperventilace). Léky: bronchodilatace např. Euphyllin® (200—300 mg). Podání kyslíku musí předcházet zvýšení dechové ventilace (Rossi, Dobler 1995).

 

Nejvyšší přípustná koncentrace

Koncentraci složek ovzduší uvádíme zpravidla v objemových procentech, v báňské praxi není zvykem používat označení % obj. Jen zřídka se setkáváme s procenty hmotnostními, kde potom musí být pro odlišení uvedeno značení v % hm. Pro velmi malé koncentrace je možno použít jednotku milionté části z celku, kterou označujeme jako ppm (z lat. partes per milion). 1 ppm = 0,0001 %; 1 % = 10000 ppm. V chemické praxi a v některých předpisech a normách se můžeme setkat s údajem uvádějícím koncentraci plynu v hmotnostních jednotkách na určitý objem ovzduší. Obvykle je to mg.m−3 nebo mg.l−1.

 

Vliv oxidu uhličitého na fyziologii člověka

Koncentrace CO2 Příznaky
0,03 % obj. Normální koncentrace v Zemské atmosféře. (Poznámka MK: během zhruba 20 let od publikování článku se zvýšila koncentrace na hodnotu 0,04 %.)
0,5 % Plicní ventilace stoupá o 5 %. Maximální hranice pro bezpečnou práci při 8 hod. pracovní směně.
1,0 % Začínají se projevovat první vnímatelné příznaky; pocity horka a pocení, úpadek pozornosti v detailech, pocity úzkosti, únava a vyčerpání, nemotornost a ztráta energie, na kterou zpravidla nejdříve upozorňuje slabost v kloubech.
2,0 % Plicní ventilace stoupá o 50 %. Po několikahodinové expozici se projevují bolesti hlavy. Při delším pobytu vzrůstá akumulace CO2 v těle na úroveň, která již způsobuje poruchy tělesných funkcí. Důvodem je okyselení fluid v tělesných tkáních. Po dlouhodobém pobytu v této koncentraci CO2 je vhodný několikadenní pobyt ve vhodném prostředí mimo jeskyni, aby se metabolické funkce navrátily k normálu.
3,0 % Plicní ventilace stoupá o 100 %. Objevuje se bušení srdce při námaze. Běžně se projevují následující příznaky: bolesti hlavy, závratě, možné jsou poruchy vidění v podobě vidění skvrn nebo hvězdiček.
5—10 % Objevuje se nafialovělé zabarvení kůže, zesiluje se únava, dýchání se stává těžším a objevují se silné bolesti hlavy. Prodloužená expozice v 5-%ní koncentraci může znamenat nevratné změny v organismu. Při prodloužené expozici v konc. přes 6 % již nastává bezvědomí a následuje smrt.
10—15 % Nesnesitelné bolesti hlavy a silné vyčerpání. Již několikaminutová expozice vede k nástupu bezvědomí a dušení bez předcházejících varovných příznaků.
25—30 % V extrémně vysokých koncentracích nastupují křeče, koma a následuje mozková smrt.

 

Podle Směrnice Ministerstva zdravotnictví o hygienických požadavcích na pracovní prostředí jsou stanoveny „takové nejvyšší přípustné koncentrace plynů, par a aerosolů v pracovním ovzduší (NPK-P), o nichž se podle současných vědeckých znalostí předpokládá, že nepoškodí zdravotní stav jim vystaveným“. Dále se rozdělují na:

Koncentrace oxidu uhličitého v ovzduší pracovišť, kde se zdržují lidé, nesmí být vyšší než 1,5 % (NPK-P mezní). Mimo doly (povrchová pracoviště) je NPK-P průměrná 9000 mg.m−3 (asi 0,5 %), NPK-P mezní 45000 mg.m−3 (asi 2,5 %).

 

Detekce oxidu uhličitého ve vzduchu

Detekce přímým spalováním

Jedná se o nejprimitivnější metodu založenou na principu zhasnutí plamene způsobeným přítomným CO2. Benzínová indikační lampa, tzv. větérka se používala dříve v báňském průmyslu k indikaci metanu. Benzínová větérka hoří při 3 % CO2 mdle, při 5—6 % hasne, svíčka hasne při 11 % CO2.

Hořící páry benzínu v indikační lampě hasnou při obsahu kyslíku pod cca 16 %, plamen svíčky nebo olejové lampy zhasíná při 17,5 % O2, acetylenový plamen karbidové lampy asi při 12 % O2. Je tedy nutné si uvědomit, že karbidka velmi dobře hoří i v ovzduší se smrtící koncentrací CO2.

Použití svíček a karbidek v tomto směru dnes patří do seznamu dobrodružných akcí a tyto prostředky by rozhodně neměly být jediným identifikátorem nebezpečného ovzduší u moderního speleologa.

Detekční trubice

Detekční trubice využívají barevných chemických reakcí plynu s indikační náplní. Náplň je zpravidla specifická pro určitý plyn. V současnosti vyráběné skleněné detekční trubice jsou délkového typu, tzn. množství zreagované vrstvy je přímo úměrné obsahu měřeného plynu. Trubice jsou přímo potištěny vyhodnocovací stupnicí. Podle použité trubice lze analyzovat jednotlivé složky v ovzduší, např.: CO2, CO, H2S, O2, nitrózní plyny aj. V ČR se jedná především o spojení s tzv. harmonikovými nasávači UNIVERZAL 66 a UNIVERZAL 86.

Výhodou detekčních trubic je jejich univerzálnost daná rozsahem dodávaných trubic a tedy množstvím možných analyzovaných plynů. Nevýhodou je jejich jednorázové použití, což značně zvyšuje náklady při častém měření.

Interferometry

Důlní interferometry využívají ke stanovení složek ovzduší rozdílných indexů lomů plynného prostředí. Světelné paprsky jsou optickou soustavou vedeny jednak srovnávací komorou s čistým plynem, jednak komorou, v níž je nasáto měřené ovzduší. Rozdíl lomů světelných paprsků se projevuje jako posun interferenčního obrazu pozorovaný v okuláru. Tento obraz je tvořen řadou pravidelně rozložených barevných proužků. Ze dvou nejtmavších levý přímo ukazuje hodnotu koncentrace na stupnici.

V báňské praxi se dnes používají interferometry DI-2 s rozsahem 0—10 % CO2, a DI-2 C s rozsahem 0—100 % CO2. Je možné se setkat také se staršími typy (ŠI 3, ŠI 10, DI-1 a DI-1 C). Interferometry jsou určeny ke stanovení koncentrace metanu ve směsi se vzduchem a směsi metanu a oxidu uhličitého ve směsi se vzduchem.

Interferometry jsou poměrně odolné přístroje s velmi jednoduchou obsluhou a nižší pořizovací cenou. Uživatel by neměl zapomínat na pravidelné kontroly a kalibrace přístroje u servisní organizace. Celkově lze tyto přístroje hodnotit jako nejvýhodnější pro použití ve speleologii.

Ostatní analyzátory

Kromě nejběžnějších výše uvedených detekčních prostředků existuje velké množství moderních elektronických analyzátorů. Jedná se o výrobky firem AUER/MSA, Dräger aj. Vysoké pořizovací náklady jsou však hlavní zábranou pro pořízení těchto přístrojů do běžné amatérské speleologické praxe.

 

Ochranné prostředky

Přístroje pro ochranu dýchacích orgánů v prostředí s nízkým parciálním tlakem kyslíku nebo při zvýšeném obsahu škodlivin lze rozdělit na přístroje používané pro:

Tradičně dělíme dýchací přístroje podle využití dýchací směsi v přístroji na:

 

Preventivní opatření

Před vstupem do potencionálně zamořených prostor, tedy do jeskyní a starých dolů, zvláště do nižších úrovní, je nutno koncentraci CO2, vždy zkontrolovat. Jestliže v minulosti již v dané prostoře zvýšená koncentrace škodlivin naměřena byla, je nutno prověřit složení ovzduší vždy při vstupu do této prostory. Koncentraci CO2, příp. také jiných plynů, je nutné kontrolovat také v pravidelných intervalech po celou dobu trvání akce, příp. použít přístroj umožňující kontinuální sledování složení ovzduší s varovným signálem. V případě zjištění zvýšené koncentrace škodlivin v ovzduší je nutno prostory před započetím práce pečlivě vyvětrat nebo použít některý z ochranných prostředků. Pracovníky je vhodné vybavit některým ze sebezáchranných přístrojů používaných v báňském průmyslu a zřídit hlídku na povrchu kontrolující průběh akce.

 


Literatura: