一、简介

流体是其中所有元素（无论多小）都具有共同特征的物质[ 1 ]。流体在剪切力的作用下连续变形。也就是说，施加剪切力对于产生变形是必要的。在没有剪切力的情况下，变形停止并消失。剪切力的施加可以通过施加到流体的平移、往复和旋转运动来发生。由混合器或泵的叶轮搅拌引起的流体的旋转或搅动是应用剪切力的常见示例。在液体中，由于紧密堆积，抗变形能力主要由分子之间的内聚力控制。内聚力和粘度随着温度的升高而降低。

剪切应力与变形率成正比的流体被归类为牛顿流体[ 1 ][ 2 ]。相反，剪切力与变形速率不成正比的流体被归类为非牛顿流体。大多数非牛顿流体是剪切稀化、假塑性的，这意味着表观粘度随着变形速率的增加而降低。反之亦然。一旦剪切力消除，粘度就会恢复。

非牛顿（非线性）流体的流动不仅发生在自然界中，例如泥石流和雪崩，而且还发生在涉及化学品（聚合物）、生物材料（血液）、食品（蜂蜜、番茄酱、酸奶）的许多工业过程中）、药品和个人护理用品（洗发水、面霜）等[ 3 ][ 4 ]。在剪切稀化、假塑性非牛顿流体的情况下，流体被剪切得越多，其粘度就越低[ 4 ]。一个很好的例子是油漆。由于剪切率很小，当从罐中倒出或用画笔拿起时，油漆非常粘稠。在将油漆涂到墙上的过程中，画笔和墙壁之间的薄层受到很大的剪切速率，并且变得相当不粘稠。

非牛顿流体中的气体聚集是许多行业的重要考虑因素，包括化学、生物化学和食品加工[ 5 ][ 6 ][ 7 ]。从这些流体的溶液和混合物中控制溶解气体的去除受到了相当多的工程关注。这些过程中通常采用机械搅拌容器，因为它们促进各相之间的高度接触。以受控方式混合非牛顿流体以排出气体涉及的变量包括体积传质系数、功耗、含气量、气泡直径和洞穴尺寸。

涉及剪切稀化、假塑性非牛顿流体的气体聚集和解吸也会在不受控制的条件下发生。非牛顿流体中气体不受控制的释放是一个非常重要和令人担忧的领域，特别是在工人安全以及严重和致命工业事故的潜在和实际原因方面。这种担忧并未在文献中得到认识和报道。

最近的一篇文章 [ 8 ] 提供了本讨论背景下有关气体释放的少数定量信息来源之一。本文涉及在移除用于填充的扰动土壤期间，在一次大型挖掘中意外释​​放硫化氢 (H 2 S) 到空气空间中的情况。极低水平的H 2 S 很容易通过臭鸡蛋的特有气味识别出来。文献中没有包含有关工人在这些情况下接触 H 2 S 的信息。H 2的来源S被认为是位于前海岸线沿线的含硫有机物或在工业发展或史前地质过程之前为了提高地面水平而倾倒到海岸线上的材料的厌氧代谢。

Jerome 631-X（一种高灵敏度仪器）在各种活动期间 1 分钟样本中检测到的 H 2 S水平范围为 1 ppb（十亿分之一）到 25 ppb [ 8 ]。这种情况提供了有关两种半重复条件下H 2 S排放的重要信息，即背景活动和偏移。当活动开始时，水平从零增加，当活动停止时，水平降低到零。含有被捕获的 H 2 S的材料暴露后，立即出现意外峰值达到 2500 ppb 的峰值，叠加到背景水平上。 含有被捕获的 H 2的材料S 通常要么非常湿，要么湿到足以表现出塑性行为。偏移水平突然上升、达到峰值，然后迅速下降到背景。游览每天进行一次，持续约 10 分钟。

这些排放物具有如上所述的剪切稀化、假塑性非牛顿流体的特征 [ 2 ] [ 4 ]。与百万分之一 (1 ppm = 1000 ppb) 的 8 小时阈值限值-时间加权平均值 (TLV-TWA) 相比，对本工作期间的暴露进行了非常保守的估计，表明它大大低于最低水平监管关注，并且在这些条件下工作可以在不过度暴露于 H 2 S 的情况下进行。（美国政府工业卫生学家会议发布的 8 小时 TLV-TWA 在许多司法管辖区用作监管暴露限值 [ 9 ]。）

作者进行的一项未发表的调查提供了额外的定量信息。该事件涉及泵站意外且不可预测的 H 2 S排放（泵站是一个地下室，包含一个或多个从指定水源排出水的泵）。该泵站有一个位于地面上方的大型开放式顶部。所涉及的液体用于生产蘑菇生长的堆肥。该液体含有水、来自回收干墙的石膏 (CaSO 4 )、鸡粪以及可能的其他未公开成分。

在本次活动开始之前，水中没有任何气味或气泡（图1（a））。在两栋大型建筑之间进行堆肥的室外大片区域，毫无预兆地突然出现了H 2 S的气味。没有明显的活动表明原因。没有证据表明均热坑中的水有排放。臭味的来源是泵站。进入泵站的水与均热坑中的水呈相同的棕色（图1（b））。泵的运行导致冒泡并形成米色泡沫（图 1 (c)）。



图1。(a) 它显示了含有成捆稻草和棕色“好”水的浸泡坑。注意液体表面没有气泡。(b) 显示棕色液体从绿色排水管进入泵室，并出现米色泡沫。(c) 它强调了泵叶轮的旋转在米色泡沫形成中的作用。米色泡沫含有H 2 S。气泡破裂后， H 2 S 逸入腔室中。

泵站附近环境中监测仪器上的H 2 S (~200 ppm)水平迅速增加，迫使该地区迅速疏散。这是多次参观该堆肥厂期间唯一一次用鼻子闻到气味并且监测仪器检测到气体排放。

H 2 S排放仅在均热坑排水和泵站水泵运行过程中发生。泵关闭后，排放停止。也就是说，排放仅与泵的运行有关。

上述观察结果与先前描述的剪切稀化、假塑性非牛顿流体的行为一致[1-7]。存在定量数据的有限示例 [ 8 ]所表达的担忧在业界产生了广泛的影响。这种关注反映了此类服务中使用的工业设备和结构的设计和操作。关于这种现象的知识对于其他工程学科的设计师和从业者来说至关重要，因为设计是影响工作条件的链条中的第一个环节。这种关注在“绿色”和“可持续”设计的新兴领域尤为重要，这些领域强调排水的储存和再利用以及废水的热回收。

本次审查的重点是：

· 识别因基础设施结构中的非牛顿流体不受控制地释放气体而引起的严重和致命事件；

· 确定并讨论这些释放所涉及的增强机制；

· 提醒设计师，特别是那些参与“绿色”和“可持续”结构设计的设计师，注意设计选择的含义；

· 确定并讨论预防措施，以尽量减少这些事件的发生。

2.致命事故中的剪切稀化、假塑性、非牛顿流体

2.1. 历史记录与研究

美国职业安全与健康管理局 (OSHA) 和国家职业安全与健康研究所 (NIOSH) 发表了几项研究，提供了密闭空间内发生的致命事故的摘要 [ 10 ] - [ 15 ]。密闭空间是指由于大气和其他危害而比“正常”工作空间带来更高风险的工作空间[ 16 ]。McManus 和 Haddad [ 17 ] 报告了一种解构这些摘要的技术，以便尽可能提取附加信息。McManus [ 18 ] 总结了该分析的结果。

该分析的重要发现之一[ 18 ]是涉及危险气氛的致命事件的发生没有可识别的原因。事故发生后不久，发现死者时情况已恢复正常。这些情况发生在地下市政基础设施以及工业和农业基础设施的有限空间内。尽管今天拥有更好的仪器，但历史上和现在的调查人员仍无法发现这些事件的原因。

发生这些事件的一些建筑物是完全封闭的，而另一些建筑物的顶部是开放的。开放式顶部结构在农业中很常见。封闭结构通常通过井盖和舱口进入。一些井盖不具有通向大气的开口，而一些井盖具有一个开口，而一些井盖具有两个或更多个开口。有些结构是联网的，而另一些结构是孤立的。

室外所有结构的共同点是水和有机物质的积累[ 18 ]。畜牧业相关的室内结构也符合这一描述。室外结构中的水和有机物质的积聚是通过不完全封闭的盖子和用于插入去除工具的开口中的间隙发生的。

有机材料包括树叶和树叶碎片、加工设施产生的灰尘、昆虫和蜘蛛，可能还有小动物[ 18 ]。包括细菌和真菌（酵母和霉菌）在内的微生物可以在这些结构中生长。细菌、酵母菌和一些真菌在潮湿的地方生长。霉菌在具有一定湿度范围的表面上生长。

McManus [ 18 ] 对历史报告 [ 10 ] - [ 15 ] [ 18 ]中提供的事故摘要进行的分析表明，市政基础设施中的事件通常发生在地下混凝土结构中，并且以前的条目经常发生，没有发生任何事件。事件发生后确定，空气中通常没有气味，也没有发出任何警告。受害者迅速崩溃。在某些情况下，二氧化碳（CO 2）和甲烷（CH 4）的含量较高。当调查时存在硫化氢时，其含量并未升高。有时存在水，但不存在废水。

在工业中发生的事件中，已知某些情况下会存在含硫物质[ 18 ]。之前的记录都是例行公事，没有发生任何事件。事后确定，致命事件发生时的大气通常没有发出警告的气味。受害人迅速倒地。CO 2和CH 4有时以升高的水平存在。当在调查时可检测到H 2 S时，H 2 S以低水平存在。

农业中发生的事件通常涉及粪便储存、处理、均质化、泵送和撒播[ 19 ][ 20 ]。一些发生在典型的密闭空间中，另一些发生在谷仓、棚屋和开放环境中。这些事件常常造成多人死亡。事故发生、应急响应或后续调查时尚未确定病原体。验尸官的报告中对病原体有不同的归因，但没有确凿的证据证明是 CH 4、CO 2和缺氧。

OSHA 维护着一个包含致命事件摘要的数据库[ 21 ]。这些可以根据工作地点类型进行搜索。对最近的文件和致命事件的总结与历史事件和麦克马纳斯的工作进行比较[ 18 ]表明，尽管监管机构、雇主、工人付出了努力，但在相同情况下以几乎相同的方式发生的致命事件仍在不断重复以及工人代表和职业健康安全从业人员，以防止此类事件再次发生。其中一些事件显示出非牛顿流体参与的特征。

2.2. 自然过程和剪切稀化、假塑性非牛顿流体

工业中利用的几种工艺为解决引言中提出的问题提供了可能的帮助。从事某一过程的商业应用的从业者有时具有几个世纪的背景知识和经验的优势。这些信息可能包括对照研究；通过偶然事件获得的启示；具有实际应用和流程优化的经验；它造成的危险条件；和控制方法。

2.2.1. CO 2的排放：啤酒、葡萄酒、苹果酒酿造和其他发酵过程

啤酒、葡萄酒和苹果酒是通过酵母（一种真核微生物）发酵糖来生产的[ 22 ]。糖不含硫。因此，发酵并不是H 2 S的主要来源。

啤酒、起泡酒和苹果酒有一个共同特征，即发酵过程中产品中会截留CO 2 。个人酿酒经验表明，这种截留是在初级发酵期间开始的，并导致液体表面形成泡沫、水状中间层和容器底部沉淀的碎片层。泡沫中含有水果的碎片。在没有干扰的情况下，该系统的气体排放并不明显。

搅拌会迅速破坏泡沫并导致液体剧烈起泡。这种扰动迅速释放出泡沫和水层中捕获的CO 2 。停止搅拌后，表面迅速平静，并且明显的气体排放停止。这表明气体的排放是由搅拌施加的应力引发和控制的，并导致现状几乎瞬时发生重大变化。

发酵的历史包含许多致命事件的事件 [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]，这些事件记录了不受控制的 CO 2排放的结果来自参与发酵的物质。其中一个事件涉及一名工人在取样期间通过位于二级发酵罐顶部附近的检修口部分进入。受害者靠在开口处，同时悬挂着一个容器，并被罐内空气空间中液体表面的排放物压倒。另一个事件发生在排空的发酵罐内，进入后去除二次发酵中剩余的残留物。工人将残留物铲入桶中，通过检修口将其提升，并在材料扰动期间受到排放物的困扰。

未记录的轶事也报道了其他事件。在一家酒厂的一次情况中，在生产大楼屋顶空间飞翔的鸟类突然死亡。这些鸟被初级发酵过程中开放式罐体排放的污染物所困扰。

2.2.2. H 2 S排放量低

人与人之间口头传递的轶事报告中存在低水平 H 2 S 排放的相关例子，这些例子对于解释致命事件所涉及的机制可能很重要。这些发作是短暂的、罕见的且持续时间短的。

低水平 H 2 S 排放的一个常见例子发生在步行穿过含有静水（死水）的潮湿沼泽地区时。传闻表明，在踏入水底而扰乱该区域之前，不会出现任何气味。将脚压入底部材料并抬起脚并重复该动作的动作足以释放水下污泥中截留的H 2 S。当步行停止时， H 2 S的气味迅速消失。湿地中 H 2 S的排放在环境研究中有详细记录 [ 26 ] [ 27 ]。然而，这些研究并未量化研究人员接触 H 2 S的情况。

2.2.3. H2S 的致命排放：蘑菇堆肥

蘑菇堆肥操作中发生的导致数名工人死亡的致命事件[ 28 ]为在之前讨论中提到的某些情况下识别可能的病原体和机制提供了起点。该事件发生在试图疏通一家生产蘑菇堆肥设施的管道时。受害者很快就被致命的气氛所征服。病原体是H 2 S。在随后的调查中并未确定排放的机制。没有进行H 2 S水平的测量。

2.2.4. 硫化氢的致命排放：粪便处理和加工

蘑菇堆肥和粪便处理之间有相似之处。粪便处理造成了许多致命事件，并引发了大量的调查研究[ 29 ][ 30 ][ 31 ]。粪便是农场动物产生的废物。农场动物在其一生的所有地点（室内和室外）都会产生粪便。粪便处理是每个畜牧业农场运营中的主要考虑因素和关注点之一。粪便储存涉及农场基础设施中的结构。迄今为止的研究主要集中在实验室规模的研究和建筑物内的面积测量，而不是涉及大量、快速排放 H 2 S的情况。

以下信息反映了本文作者通过走访奶牛场获得的经验。在现代奶牛场，粪便处理是一个机械化过程。机械刮刀清除牲畜大部分时间待在的谷仓畜栏内的粪便。机械刮刀将材料沿着地板移动到落点，落入部分或完全位于谷仓下方的室中。该设备移动非常缓慢，以免伤害动物。底层地板室可包含机械刮擦设备，用于将粪便移动到中央收集点，在那里粪便通过管道输送到沉淀和储存结构。

粪便储存有利于需氧和厌氧微生物过程[ 22 ]。这些过程利用废物中已经存在的细菌，以及该过程特有的细菌、酵母和其他微生物。后者的细菌可能与废物中的细菌不同，具体取决于生长条件。这两种过程的消化都不完全。这留下了大量需要处置的污泥和固体材料。该材料作为肥料具有经济价值。

未经机械混合的材料往往会分离成三个离散层：表面上的泡沫、泡沫或浮渣；中间有一层水；以及沉淀到储存结构底部的污泥。在水层和污泥的厌氧消化过程中，由于气体（主要是CO 2 ）的排放而形成表面层。

在春季，农民使用机械设备（通常由拖拉机上的动力输出装置提供动力）来搅拌储存结构中的物料（图2）。搅拌使存储结构的内容物均质化。均化过程必须破坏结皮并混合成悬浮液，其中很大一部分是底部污泥。地壳可以变得高度抵抗



图2 . (a) 它显示了搅拌过程开始时的粪便储存池。注意表面的棕色硬化外壳。鼻子闻不到任何气味。(b) 显示开始搅拌并开始形成米色泡沫。(c) 它显示了接近程序结束时泡沫的分散和结壳的残余物。

破坏。拖拉机 PTO 驱动的螺旋桨是常见的搅拌器，因为在给定的发动机功率下，它每分钟移动的水量更大。

将螺旋桨以小角度放置在略低于表面的位置，将水流引导到地壳中。只有深度搅拌才能使底部污泥悬浮。在一个位置深度搅拌超过几分钟可能会破坏底部密封并导致泻湖泄漏到地下水中。当内容物旋转并移动时，就可以泵出。在泵出过程中保持固体悬浮可能需要不断搅拌。

图 2 (a)中结构东南角的监测仪器显示均质化过程中 H 2 S 浓度为 7 ppm。图2 (b)和图2 (c)中可见的泡沫在外观和颜色上与图1 (c)中的泡沫非常相似。在室外一个被墙壁部分封闭的区域内，在一个相当小的结构中搅拌粪便期间进行的监测表明，在此过程中含有12 ppm 的 H 2 S。

2.2.5。在下水道工作

在下水道工作环境中发生严重和致命事故的例子有很多。可获得监测数据的 H 2 S低水平排放的一个例子是一则轶事，涉及从用于将地表排水引向海洋的涵洞内部清除砾石。这起事件发生在一家前鱼类加工厂附近。据了解，该厂的地表水已进入排水收集系统。工人们报告说，当他们进入涵洞开始工作时，没有任何气味，并且在砾石开始扰动后几乎立即产生了气味。该排放引起了 H 2他们携带的仪器中的S传感器发出警报。警报响起后，工人们立即停止工作，撤离现场。警报的设定点为 10 ppm。如果工人们不遵守警报而继续工作，他们的暴露程度将会相当高，并且根据所提供的信息是不可预测的。

第二个例子强调了这些情况可能延伸到的极端性质。工作人员正在清除正在使用的下水道管道中的碎片，以安装就地固化的内衬 [ 32 ]。下水道管线宽 0.6 m，高 1.5 m，长 183 m。下水道管线含有 0.3 至 0.6 m 未经处理的污水，在两名工人组成的清洁人员通过该部分下游端的沙井进入之前，这些污水已闲置约 10 天。工人们向上游走向一个露天矿坑，其他工人正在那里准备安装衬管。当清洁人员呼救时，五名同事试图营救他们。他们也被克服了。

当地消防部门的急救人员戴上自给式呼吸器（SCBA）后进入检修坑。他们借助附近的移动式起重机将七名工人从坑中吊出。两名在管道中行走的工人被发现脸朝下倒在污水中溺水身亡。没有工人佩戴呼吸器，也没有进行空气监测和通风。事故原因归因于 H 2 S 释放到空域，这可能是由于人们沿着线路行走并清除碎片时对沉降物质的干扰引起的。

3. 增强因素

3.1. 解决方案效果

气体和蒸气溶解在水中，要么保持完整，要么与水或溶解在水中的物质发生化学反应，形成酸和一种或多种阴离子。甲烷保持完整，不与水或通常溶解在水中的物质发生反应。不能与水反应限制了CH 4的溶解度。

如果有机会，在特定温度和压力下的封闭空气空间中，溶解在水中的气体分子会与空气中的气体分子建立平衡。

3.2. 水库的作用

H 2 S的情况要复杂得多。与CH 4一样，H 2 S分子作为非电离的单个分子分配在空气和水之间。该性质对于H 2 S分子重新排放到空气中的现象极其重要。

3.3. pH值的作用

第二个重要机制涉及 pH 值的作用。酸化溶液（降低 pH 值）将使平衡向形成更多溶解在液体中的H 2 S 分子方向移动。这反过来又促进H 2 S分子排放到液体上方的空气空间中。这种情况发生在纸浆厂中，因为从运输卡车到含有 NaSH 溶液的储罐的酸管线连接错误[ 34 ]。提高 pH 值将使平衡向 HS -和 S 2−离子的形成方向移动。

这种情况也适用于气体或易蒸发液体的CO 2、氨和其他胺。分子的胺形式不带电荷，能够在液体上方的空气空间中与溶液中的分子建立平衡。（有关氨的亨利定律常数和进一步讨论，请参阅表 2。）胺和氨还与水发生反应，其反应方式与 pH 值相关。胺和氨从水中吸收H +离子形成铵离子。胺的铵形式通常无味，并且由于带正电荷而比分子形式更易溶于水。氨和胺的pK A值大于 H 2 S 和 CO 2（有关 pK A值和进一步讨论，请参阅表 2 ）。

4. 致命大气事件的致病因素

总而言之，之前讨论中总结的事件表明，暴露于剧毒、快速作用、瞬态大气介质的个体会迅速崩溃。该制剂能够在这些事件中杀死一名或多名人员，并出现在开放区域、建筑物和密闭空间中[ 18 ]。

缺氧是职业环境中的一个主要问题，是导致死亡的原因，也是许多标准和法规中讨论的话题。通常，下表 1或出版物中出现的类似版本总结了

通常根据浓度和分压报告急性暴露于缺氧气氛的影响[ 18 ]。

在浓度足够低的情况下，缺氧的影响会在短短几秒钟内迅速发生。为了使缺氧以与前面讨论的情况一致的方式导致死亡，浓度必须迅速降低。缺氧仅以与这些情况一致的有限方式发生。其中两个是被其他气体稀释或置换。这将需要排放大量的其他气体。另一种情况涉及通过化学反应或吸附（物理过程）从大气中快速去除氧气。

正如前面讨论的情景中所建议的，这将需要迅速降低大气中的氧气浓度。前面讨论的场景都不符合这些要求。

在这种情况下，只有在存在边界表面封闭以容纳大气的情况下才会出现缺氧。在暴露于正常大气条件下的风的开放式防空洞中，粪便上方的空气空间可以含有正常大气水平的氧气。在具有高直墙的深层结构中，情况可能并非如此。

验尸官报告中提到甲烷可能是一种病原体，它的密度比空气小得多，并且往往会通过通风口从封闭的房间中逸出。甲烷被认为是一种简单的窒息剂，没有指定的监管暴露限值[ 9 ]。因此，如果情况确实如此，正如测试表明的那样，此类事故的杀手将是缺氧。由甲烷引起的缺氧将导致发生这种情况的结构的边界表面的大量释放和截留。

微生物的呼吸，无论是需氧还是厌氧，都是一个非常缓慢的过程[ 22 ]。有氧呼吸过程中缺氧气氛的形成取决于封闭和静止以及通风的缺乏，尤其是由风和热浮力引起的自然气流。在自然气流（例如风）开放的结构中，缺氧的气氛很容易预防，也很容易缓解。

厌氧消化稳定期粪便pH值范围为8～12，平均为7.3[ 37 ][ 38 ]。表 2列出了本次讨论中感兴趣的各种气体的 pKa 值。pH 值随时间的变化会影响溶液中以及液体上方空气空间中分子气体的非电离形式和电离形式之间的平衡。这会影响液体上方空气空间中气体和蒸汽的气味以及扰动后排放的难易程度。高pH值有利于电离形式的H 2 S以及非电离形式的胺和氨。

描述大气和液体之间分子相对分布的测量值是亨利常数，即空气-液体分配系数[ 33 ]。该值是空气中气体浓度与液体中气体浓度的比值。亨利常数取决于许多因素，包括液体的温度和 pH 值。类似的考虑也适用于粪便中存在的物质产生的其他气体和蒸汽。

较大的亨利常数 [ 33 ]（如甲烷的情况（表 2））表明气体在液体中的溶解度较低。非常小的亨利常数（如氨的情况）表明气体在液体中的溶解度高。为了使甲烷成为致命事件的致病因素，必须发生大规模、快速地从液体转移到空气空间中，以充分降低氧气浓度，从而导致缺氧。调查人员和验尸官的报告将涉及粪便的事故归因于多种气体，包括缺氧和 CH 4。归因的原因与所提到的气体的物理性质和生理作用不一致。

根据分子量计算，在相同温度下，二氧化碳的密度约为空气的 1.5 倍。由于这个原因，CO 2可能会在封闭的结构中积聚[ 39 ]。CO 2是人类和动物呼吸的产物，其耐受浓度远高于正常大气水平。CO 2在高浓度下可作为呼吸兴奋剂。在会发生CO 2中毒的浓度下，由于CO 2 的稀释，也会发生缺氧。

大气中的二氧化碳含量高时会导致死亡。

由于粪便是液体中H 2 S分子的来源，因此这也是空气中H 2 S分子的来源。H 2 S 在空气中积聚的能力取决于许多因素，包括静止和是否存在自然或机械通风、腔室的封闭范围、温度、液体粘度以及约束层的存在在表面上。

描述大气和液体之间分子相对分布的测量值是亨利常数，即空气-液体分配系数[ 33 ]。该值是空气中气体浓度与液体中气体浓度的比值。亨利常数取决于许多因素，包括液体的温度和 pH 值。类似的考虑也适用于粪便中存在的物质产生的其他气体和蒸汽。

表 2总结了最重要和最普遍物质的值。亨利常数值较大表明该气体不溶于水，就像甲烷的情况一样。将与水反应的气体的水反应组分与分子溶解度组分分离可能是不可能的。这些数据还表明氨优先保留在水中。表 2还提供了 IDLH（立即危及生命和健康）[ 40 ] 和 LC （1, 0.5 小时）（0.5 小时内致死浓度达到 1%）[ 41 ] 的值。

美国国家职业安全与健康研究所（NIOSH）创建了IDLH（立即危及生命或健康）的概念，以表达他们对危险气氛造成严重死亡风险程度的担忧[ 40 ]。急性或短期接触高浓度的某些空气传播化学物质能够迅速使工人不知所措，导致一系列不良的健康后果，包括刺激眼睛和呼吸道、严重的不可逆转的健康影响、能力受损逃离暴露环境，在极端情况下甚至导致死亡。

NIOSH 表示，建立 IDLH 值是为了确保在呼吸防护设备发生故障时工人能够逃离给定的污染环境，并指示最高水平，高于该水平的只有高度可靠的呼吸器才能提供最大程度的工人保护。允许的。IDLH 不是一种通常的工作状况。IDLH 需要高水平的呼吸防护，可能还需要化学防护服才能安全工作。

LC ( 1, 0.5h)是指预计暴露时间为 0.5 小时的一组动物的致死浓度为 1% [ 41 ]。英国健康与安全执行局 (HSE) 和其他监管机构准备的风险评估文件中规定了LC （1, 0.5 h） 。HSE 在标签 SLOT（规定毒性水平）下报告这些值。Turner 和 Fairhurst [ 42 ]描述的 SLOT 方法涉及将最相关的可用毒性数据外推到人类。在通常的应用中，估计剂量被称为 SLOT 危险毒性负荷（或 SLOT DTL）。

IDLH 和 LC （1、0.5h）反映了独立组对不同目的的毒性估计。表 2中报告的值可用于比较各个物质之间的相对毒性。

与表 2中提到的其他气体相比，硫化氢是一种极其危险的气体。IDLH（立即危及生命和健康）[ 40 ] 和 LC （1, 0.5 小时）（0.5 小时致死浓度达到 1%）[ 41 ] 远低于其他气体的值。虽然在低浓度下，H 2 S 具有易于识别的臭鸡蛋气味，但嗅觉麻痹会迅速发生，以致检测不到任何气味 [ 43 ]。当浓度超过 100 ppm 时，就会发生这种情况。当浓度超过 500 ppm 时，一两次呼吸后可能会发生快速虚脱。氢2S使大脑呼吸中枢瘫痪，受害者无法呼吸。

该信息表明，涉及有毒暴露于 H 2 S的事件可能发生得非常快，并且可能涉及从小面积表面散发出少量气体。这一现实还表明，这一事件可能影响不止一个人，包括潜在的救援人员。此外，在配备适当装备进行救援的救援人员到达现场之前，气氛可能会迅速消散。这一假设反映了 McManus [ 18 ]总结的信息，并补充了此处提出的有关剪切稀化、假塑性非牛顿流体行为的讨论。

5.设计在控制非牛顿流体有毒气体排放中的作用

本文提供了有关剪切稀化、假塑性非牛顿流体及其在造成致命事故中的潜在作用的大量信息。发生这种联系的原因如下：

· 这些流体捕获气体并在激发过程中突然快速释放气体的能力；

· 无法预测排放量；

· 排放涉及的高毒性气体（H 2 S、NH 3、CO 2）；

· 一旦干扰停止，周围环境迅速恢复；

· 环境浓度和峰值浓度之间不存在联系。

从该分析中获得的见解表明，调查人员未能确定这些事故的机制和原因，并低估了事故发生的频率。

世界各地的监管机构已通过进入受限制空间监管的结构时适用的要求来解决这些事故。密闭空间是指通常不会进入以进行工作为目的的结构[ 17 ]。这些工作空间带来了较高的风险。

这种方法的前提是，只有设备或结构的所有者或必须进入其中并在其中工作的工人的雇主才对设计过程中做出的选择所造成的条件负责。这种责任也延伸到了设计上。工程设计影响工作条件，但文献中没有包含关于工程设计者承担的义务的信息，以尽可能减少进入、进入这些结构和在这些结构中工作的风险，并提供外部和内部结构，例如进入平台足够的规模以尽量减少紧急响应的风险。

这种考虑的出发点是进入设备或结构的门户以及访问它们的方式。虽然设计规范可能会限制门户的特征，但设计人员在访问门户的方式方面可能有一定的自由度。这种担忧尤其适用于位于室外地面或建筑物地板上方的门户。紧急救援人员的安全需要可容纳三到四人的通道平台。

上述观点进一步凸显了这种担忧，特别是由于前面提到的“绿色”和“可持续”工程的强调而发生的变化。发生这种情况是因为采取了不寻常的措施，可能会增加这些结构中的工作风险。这些措施包括收集和储存雨水以供再利用以及从废水中回收热量。这些类型的水都含有有机物，当被困在水位以下的污泥中时，有机物会发生无氧呼吸。涉及该设备和结构的维护活动会受到剪切力对含有截留剧毒气体的剪切稀化、假塑性非牛顿流体的作用而产生的危险条件的影响。

在这种情况下，一个重要的考虑因素是在这些排放过程中控制接触有害气体的手段有限。举例来说，通风系统的成功设计取决于对预期条件的了解。这一要求对于粪坑等区域的通风系统设计具有相当大的实际意义。含有CO 2和/或NH 3和/或H 2 S的非牛顿流体的轻微刺激就会产生致命气氛[ 28 ]。无法预测的排放量会在没有警告的情况下发生。

设计人员合理地询问是否针对环境条件与预期最大浓度进行设计。通风系统必须将空气质量保持在液体水平或以上，以便工人始终呼吸质量可接受的空气。如果不这样做，工人就会面临中毒、跌倒和溺水的风险。考虑到先前的考虑以及H 2 S和/或CO 2和/或NH 3的快速作用，在这些情况下通风系统作为控制手段似乎是不切实际的。

这种担忧延伸到呼吸系统保护。如上一节所述，NIOSH [ 40 ] 和其他机构强制要求在存在无法量化吸入危险的大气中工作时使用 SCBA。这种呼吸器的选择增加了应急响应的复杂性。

克服这个问题的一种可能的方法是用高压水流清洗设备或结构的内部，以排出流体中的有毒气体。当通过设计将实现这一点的方法纳入结构设备中时，这一概念的实施最为有效和安全。

机器人高压水射流设备已在市场上销售至少 30 年[ 18 ]。该技术及其变体的成功取决于以保持与工人隔离的方式隔离工人的排放物并排放到大气中或破坏性或捕获剂。这个办法看来是可行的。发生水喷射的设备和/或结构的设计必须考虑安装该设备，以及收集和控制其运行期间排放的雾气和气体的排放。

响应式设计可以大大降低此类工作的风险。解决这种情况的一个有组织的应对措施是 NIOSH 发起的通过设计预防 (PtD) 倡议 [ 44]。通过设计预防旨在“设计”出跨行业的各种危害。NIOSH 指出，预防职业伤害、疾病和死亡的最佳方法之一是在设计或重新设计过程的早期消除危害并最大程度地降低风险，并将安全设计方法纳入危害和风险缓解的所有阶段。通过设计预防，通过在工作场所、工具、设备、机械、物质和工作流程（包括其建造、制造、使用、维护和最终处置或最终处置）的整个生命周期中消除危害并最大限度地减少工人面临的风险，满足职业安全和健康需求。重复使用。

6。结论

本文介绍并讨论了剪切稀化、假塑性非牛顿流体的特性。这些流体形成与高毒性气体（H 2 S、CO 2和NH 3等）的存储以及在施加剪切力期间意外释放到空气中相关的高度受限的系统。这一特性几乎可以立即将大气条件从常温状态改变为可能致命的状态。剪切力停止后，条件迅速恢复到环境温度。对密闭空间内发生的致命大气事件的调查表明，在某些情况下，病原体在调查之前就已经消失，否则无法识别。

在这方面未得到广泛认识或考虑的众所周知的化学和物理过程导致了情况的严重性。水和危险气体或蒸汽之间的化学反应可以通过形成阴离子或阳离子库而显着增加可排放到空气中的数量。通过改变 pH 值将离子库转化为分子形式，可以迅速超过气体分子在水中的溶解度。剪切稀化的假塑性非牛顿流体的粘性较大的形式可以比受到剪切力的粘性较小的形式存储更多的气体分子。

由于控制和保护的选择有限，在剪切稀化、假塑性非牛顿流体的扰动过程中，有毒气体的不受控制的释放对所有可能与之相关的职业的工人的安全造成了极其严重的技术问题。

这种情况需要从工程设计开始涉及加工剪切稀化、假塑性非牛顿流体的设备和结构的建造、操作和维护的所有学科的参与。工程设计影响并可能控制其他职业工人的工作条件。应对本文讨论的挑战的工程设计有可能大大降低工作风险。这在与收集、储存和处理含有能够参与厌氧消化的有机物的流体相关的“绿色”和“可持续”工程领域尤其重要。

由 NIOSH 赞助的“通过设计预防”倡议为有组织的应对措施提供了框架。认识到此类高度危险系统的存在，为采取措施控制这些环境提供了所需的关键信息。获得控制权以最大限度地降低风险需要在设计、操作、服务和维护方面进行根本性的改变，涉及解决这些系统形成性质的措施。