TOXICIDAD DE LA ATMÓSFERA DE UN INCENDIO

Domingo Beltrán Arnaldos Suboficial Especialista del Ejército de Tierra en situación de excedencia. Especialista Universitario en Dirección de Seguridad. Técnico Intermedio en Prevención de Riesgos Laborales. Profesor de Sistemas de Protección Contra Incendios. Jefe de Proyectos de Seguridad Corporativa y Protección del Patrimonio BELT IBERICA S.A [email protected]

Atmósferas adversas creadas en la combustión de materiales de interiorismo (I) El incendio, fuego que se desarrolla sin control en el espacio y en le tiempo, es uno de los riesgos tan antiguos como el hombre. Toda vez que el fuego es una manifestación humana, debe asumirse la existencia del riesgo que lo acompaña y establecer, al mismo tiempo, los métodos para protegerse de sus efectos accidentales para alcanzar un nivel adecuado de seguridad contra los mismos, tanto desde el punto de vista humano como desde el punto de vista económico, por las cuantiosas pérdidas que ocasiona. Cerca del fuego, tanto el calor generado como el humo emitido como consecuencia de la combustión, amenazan la vida. Sin embargo, a mayor distancia es el humo y no las llamas o el calor, el responsable de la gran mayoría de las víctimas de un incendio, ya sea por intoxicación directa, asfixia por disminución de oxígeno en el aire, o reducción de visibilidad por su opacidad, obstaculizándose la evacuación y extinción del mismo. Experimentos de laboratorio llevados a cabo demuestran que en casi todos los materiales más comunes, la reducción de visibilidad es el primer problema que aparece a raíz de a exposición al humo que generan, esto es, que el humo es demasiado denso para ver, mucho antes de ser demasiado tóxico para respirar, hasta el punto de definirse el “tiempo de escape” como el intervalo transcurrido entre la detección del humo y el oscurecimiento visual. Otros estudios sitúan entre un 50 y un 64% las muertes atribuidas a la inhalación de humos y gases de combustión en los incendios, principalmente monóxido de carbono. En cualquier caso, el efecto adverso de humos y gases de combustión es función de su toxicidad inherente y de lo rápido que el material se descompone, y ambos son factores muy importantes a considerar. En efecto, en la prevención de incendios puede ser más decisivo controlar la velocidad de emisión de humos, que su toxicidad intrínseca. Por tal motivo, en un primer estadio de la Prevención contra incendios, en todos los países , la problemática de la inflamabilidad de los materiales ha sido abordada en primer lugar y, en una segunda etapa, a la formativa y la reglamentación establecidas para clasificar a los materiales según su reacción al fuego, se ha incorporado la referente a la valoración de las atmósferas adversas creadas en la eventual descomposición térmica de tales materiales. Desde esta perspectiva, la denominada REACCIÓN AL FUEGO de los materiales, o aptitud de los mismos para favorecer o no la combustión, se complementa con la valoración de las atmósferas adversas creadas en la citada combustión, dando lugar a un criterio general de comportamiento al fuego de los materiales, que contempla ambos aspectos. Cabe aquí, además, establecer la diferencia, no meramente semántica, entre tasa de riesgo y peligro de incendio, conceptos a menudo tomados como sinónimos, pero que son esencialmente diferentes. El riesgo de incendio es definido por la American Society for Testing and Materials como la probabilidad de que tenga lugar un incendio, ligada al potencial del mismo para dañar vidas o bienes. Aplicándolo específicamente a la seguridad de vidas, el riesgo puede expresarse como el producto de tras parámetros distintos: la frecuencia esperada del suceso, el grado de exposición previsto y el potencial dañino. Por tanto, el riesgo puede representarse en una escala a partir de cero, cuando cualquiera de los tres parámetros citados sea nulo, que permite determinar el punto a partir del cual el riesgo es inaceptable (peligroso) y por debajo del cual el riesgo se considera seguro. Esto implica que la seguridad incluye una cantidad cuantificable de riesgo. Puede apreciarse que tal definición del riesgo utiliza el término “potencial dañino”, análogo al uso popular de la palabra “peligro”, mientras que se emplea en un sentido menos convencional. Aunque se argumente que todo material posee un peligro como propiedad inherente, esta calificación no es adecuada para referirse a la

participación del mismo en un incendio. Por tal motivo debe emplearse el concepto de potencial dañino, reservando el término peligro para el resultado de la valoración de un nivel de riesgo inaceptable. Desde esta perspectiva, el análisis del peligro constituye el proceso por el cual se determinan los niveles de riesgo que son aceptables e inaceptables. En un sentido más amplio, el análisis del peligro incluye también la contribución al potencial dañino y el impacto colectivo de las consecuencias de los productos de la combustión: calor, llama, humo y gases tóxico, en la valoración de riesgo a un nivel inaceptable (peligroso). Obviamente, la toxicidad de humos por si misma, no puede tratarse independientemente del resto de elementos que contribuyen al potencial dañino y su incidencia en situar el riesgo en el nivel peligros. Además, la frecuencia esperada de un suceso y el grado de exposición, también deben considerarse en la determinación del riesgo para la seguridad vital. Por ejemplo: de un material que produce gases tóxicos en su combustión debería esperarse que contribuyese menos al potencial dañino si no ardiese rápidamente. Además, incluso si el potencial dañino fuese significativo, al combinarse con una baja frecuencia del suceso o con un mínimo grado de exposición, en ambos casos el riesgo se vería reducido. Deben manejarse por tanto, conjuntamente, los datos de un test de toxicidad de humos con la información del calor, las llamas y el desprendimiento de humos para la designación de una tasa de riesgo con sentido propio. No obstante la dificultad planteada, la dinámica de la vida social requiere planteamientos inmediatos para dar respuesta a las necesidades diarias de protección, lo que exige plantearse, aún a sabiendas de la complejidad del tema y del nivel de empirismo que inevitablemente deberá ser utilizado, un sistema de cuantificación del peligro de incendio y de los riesgos inherentes de los materiales. Los riesgos asociados ala creación de atmósferas adversas durante la descomposición térmica de un material son diversos: • La generación de humos puede dificultar la evacuación a causa de la opacidad. • Los humos pueden producir irritaciones en los ojos y vías respiratorias, además de ser la causa que origina el pánico en una situación de emergencia por incendio. • Los humos pueden ser tóxicos. • Se puede crear una falta de oxígeno. • El calor desprendido puede afectar a las vías respiratorias. • Algunos elementos pueden tener una acción senergética y aumentar el riesgo. Por estas razones, es notorio que la Prevención de incendios, etapa fundamental de la Protección contra incendios, no se puede limitar a controlar la propagación del fuego y los medios para evitarla, sino que debe contemplar también el papel que juegan los humos; pero es evidente, por la complejidad de los riesgos citados, que la problemática de la generación de atmósferas adversas presenta una notoria dificultad para su cuantificación. La multiplicidad de trabajos de investigación desarrollados en las tres últimas décadas con criterios a menudo muy dispares y resultados muy diversos, confirman esta aseveración que se manifiesta en una variedad de métodos propuestos en distintos países y por diferentes instituciones, para valorar la adversidad de las atmósferas creadas en la descomposición térmica de los materiales; si es notoria la falta de criterios universalmente aceptados para clasificar a los materiales según su reacción al fuego, cuando a ésta se añade la problemática de cuantificar la citada adversidad del entorno atmosférico que rodea a la combustión, la falta de unanimidad es aún más evidente. Por otra parte, el nivel de riesgo de un material depende en primer lugar de dónde y como es usado. Si se usa en el interior de un habitat donde podría ser expuesto a un eventual fuego, el riesgo es de una magnitud distinta que si es usado en una habitación desocupada o en un área donde no se encuentren eventuales fuentes de ignición. El riesgo asociado con el uso del material puede estar caracterizado por su contribución a la facilidad de ignición, propagación del fuego y generación de humo. Un material que no entre en ignición presenta un riesgo reducido, uno que no contribuya a la propagación o al crecimiento del incendio presenta también un rie4sgo bajo, y uno que genere poco o nada de humo tiene, así mismo, un riesgo reducido. Cada uno estos factores, debe entrar en la ecuación que define el riesgo y ninguno puede ser ignorado. Como ejemplo hipotético, puede compararse el comportamiento de dos materiales genéricos A y B, de los cuales, el material A genera el doble de humo que el material B, pero el humo generado por el material A es un tercio de tóxico que el generado por el material B, siendo el ratio de propagación de la llama de A 1,5 veces el de B.

Considerando sólo la toxicidad en la comparación del riesgo ofrecido por los dos materiales, se concluirá que B posee el mayor riesgo. Sin embargo, el hecho de que A genere el doble de humo y que propague el fuego un 50% más rápido puede hacerlo más peligroso a pesar de su reducida toxicidad. Únicamente teniendo en cuenta todas las propiedades de un material puede tomarse una decisión racional sobre cual proporcionará mayor seguridad. En cualquier caso, existe una unidad de criterios en la diversificación de los dos parámetros a valorar: • La disminución de la visibilidad (opacidad de los humos), que dificulta la evacuación del recinto. • La contribución a la asfixia (toxicidad de los gases) por obstrucción de los alveolos pulmonares después de un determinado tiempo de exposición. Sin embargo, el establecimiento de los niveles aceptables de ambos parámetros, aún asumida la adecuada correlación entre un método de ensayo determinado y la situación real de incendio, es complejo, especialmente para el segundo. En efecto, la determinación de la toxicidad de los gases de pirólisis a partir del conocimiento de los productos de la misma es difícil; debe tenerse en cuenta que un material puede generar un gran número de productos de combustión diferentes, entre los que la actuación simultánea de los potencialmente tóxicos sobre un ser viviente puede manifestarse en niveles diferentes: sistema nervioso, aparato respiratorio, sistema cardiovascular, etc. , con efectos sinergéticos, aditivos o contra puestos de compleja cuantificación, ya que la temperatura a la que son generados y las sucesivas temperaturas que puede alcanzar el entorno pueden modificar la aparición de los mismos y, aún, la generación de nuevos componentes. Los métodos de ensayo para clasificar a los materiales en función de la toxicidad de las atmósferas de su pirólisis requieren, por tanto, en una primera etapa, la realización de ensayos biológicos (con ratas, principalmente) para establecer los niveles de toxicidad de los diferentes gases que pueden generarse o la adopción de unos valores aceptables obtenidos en investigaciones realizadas por instituciones de prestigio y, en una segunda, la aceptación de un método de ensayo para realizar la combustión de los materiales, recoger los gases desprendidos en la misma y analizar su composición para compararla con los estándares establecidos. Con ello, se podrán establecer los criterios de aceptación de los materiales en función de la adversidad de las atmósferas que pueden crear su eventual descomposición térmica, y avanzar considerablemente en la Prevención contra incendios, en el bien entendido de que ni aún en esta situación se podrá garantizar la seguridad de las personas; la citada complejidad de los humos y gases generados por la combustión así como el imprevisible comportamiento humano en un situación de presumible pánico, son factores difícilmente estimables y, menos aún, controlables.

Atmósferas adversas creadas en la combustión de materiales de combustión (II) TOXICIDAD DE LA ATMÓSFERA DE UN INCENDIO Los efectos de toxicidad de los gases producidos por la combustión de los materiales, se manifiestan, en general, muy rápidamente. En la mayoría de los casos, se pierde la consciencia en el inicio del incendio. Los gases tóxicos y, en ocasiones, otras situaciones concurrentes con efectos secundarios, como el abuso de alcohol, impiden reaccionar adecuadamente frente al incendio y encontrar las distintas vías de evacuación existentes en el edificio o instalación.

También es necesario señalar que la toxicidad de los gases puede manifestarse igualmente a largo plazo en función de las características del individuo y del tiempo de exposición a la acción de los mismos. Aquellas personas rescatadas en un incendio pueden sufrir efectos secundarios del humo, como fuertes irritaciones sensoriales de los pulmones y vías respiratorias, quemaduras en las mismas, palpitaciones, pérdidas de memoria, etc... La Toxicidad puede manifestarse de las siguientes fuentes:

• Toxicidad indirecta.

• Toxicidad directa.

Toxicidad indirecta significa que en la atmósfera creada por la combustión de los materiales no hay elementos esenciales para las funciones vitales humanas, en cantidad suficiente; tal es el caso del oxígeno.

La toxicidad directa en cambio, se caracteriza por la presencia, en dicha atmósfera, de ciertos elementos que, en cantidad suficiente, impiden igualmente las funciones vitales.

Es general la coincidencia en que los principales productos tóxicos directos son el monóxido de carbono, los cianuros, y en menor grado, el cloruro y floruro de hidrógeno y los óxidos de nitrógeno. Al monóxido de carbono se le reconoce, habitualmente, como el elemento más tóxico, de tal manera que se estima que alrededor del 50% de las causas de mortalidad son atribuibles a sus efectos. No obstante, no es menos cierto que el ácido cianhídrico y otros haluros, como el HF y HC1 o el NO2, también son extremadamente peligrosos en determinadas proporciones. En la tabla siguiente se indican los efectos fisiológicos de diferentes niveles de ausencia de oxígeno y presencia de gases tóxicos en los seres humanos.

La toxicidad de tales gases de combustión se manifiesta según tres formas principales:

• Impidiendo la llegada de oxígeno a los órganos vitales.

• Irritación de las vías respiratorias.

• Tienen un efecto narcótico.

Sin embargo, no hay que descartar la importancia de otras causas, como el depósito de hollín en los pulmones. Los hidrocarburos alifáticos de bajo peso molecular y halógenos libres, el nitrógeno, el monóxido de carbono y el Ácido cianhídrico, pertenecen al primer grupo. Los productos del segundo grupo dañan las membranas mucosas, lo que puede causar infecciones en las vías respiratorias y en los ojos. El cloro, el fosgeno, los óxidos de nitrógeno, el amoniaco, los ácidos orgánicos, los aldehidos y los ésteres de peso molecular reducido así como los hidrocarburos halogenados, actúan de esta manera. Los productos del tercer grupo son, en general, absorbidos por la sangre sin dañar las vías respiratorias; productos tales como el dióxido de carbono, el éter, las cetonas, los aldehidos y los ésteres de peso molecular elevado, no tienen efectos secundarios graves. Los hidrocarburos aromáticos y sus derivados, los hidrocarburos alifáticos halógenos, las cicloparafinas y elfinas actúan en los músculos. Los alcoholes cíclicos, los fenoles, el ácido sulfídrico, etc.. compuestos aromáticos de azufre intervienen en la circulación sanguínea. La anterior enumeración indica que es muy difícil evaluar la toxicidad de un material en su comportamiento al fuego en base al conocimiento químico de sus productos de combustión. Hay que tener en cuenta que incluso la materia más simple puede generar literalmente docenas de productos de combustión diferentes. Por otra parte, cuando varios productos tóxicos actúan simultáneamente en un ser vivo y a diferentes niveles (sistema nervioso, respiratorio, cardiovascular, etc..), hay teóricamente tres posibilidades: que el efecto de los productos sea aditivo, antagónico o sinergético, lo que evidentemente complica el establecimiento de los niveles aceptablemente soportados por el organismo humano. Por esta razón la opinión de que la toxicidad debe ser determinada por ensayos biológicos ha ganado terreno, y las investigaciones científicas realizadas en los últimos años se han desarrollado con esta técnica, a fin de establecer los criterios que permitan posteriormente, mediante ensayos más simples de análisis cualitativo y cuantitativo de los productos de descomposición térmica de un material, clasificar al mismo según el potencial de toxicidad de sus gases de combustión. En tales ensayos sobre seres vivos, principalmente ratones y ratas, se ha estudiado la influencia de ciertos gases de combustión sobre las posibilidades de supervivencia, la alteración grave de las funciones vitales o las actitudes de comportamiento lógico. Es notorio que se pueden evitar, en última instancia, las acciones de los productos de combustión tóxicos

disminuyendo el riesgo de incendio, actuando sobre parámetros tales como la inflamabilidad, la velocidad de propagación de la llama, el calor desprendido, etc., mediante la adecuada selección de materiales clasificables como inflamables o difícilmente inflamables, o por el concurso de productos ignifugantes. Desde el punto de vista estricto de la toxicidad, se ha comprobado que la adición de productos ignifugantes sobre diferentes materiales, presenta resultados desiguales en cuanto a la toxicidad de los gases desprendidos; en algunos casos se produce una ligera disminución, pero en otros se acrecienta. Por otra parte, y en cierta medida, se puede dirigir la combustión de los materiales hacia productos menos tóxicos, modificando los polímeros existentes de forma que se reduzca al máximo la producción de gases tóxicos en una gama de circunstancias lo más amplia posible (temperatura, concentración de oxígeno, ventilación, etc.). En primer lugar, se constata que las fases iniciales de un incendio (flujo reducido de calor, buena ventilación) son las más adoptables para estas soluciones basadas en reducir la cantidad total de productos tóxicos o la velocidad de su producción. Así, la producción de monóxido de carbono disminuye cuando la combustión se realiza a temperaturas más bajas o cuando la proporción de oxígeno y carbono aumentan. Los aditivos empleados a tal fin deben disminuir la liberación de monóxido de carbono (CO) actuando según uno de estos dos mecanismos. Ciertos aditivos que contienen metales, ya indicados como inhibidotes de humo, actúan siguiendo este último mecanismo (ferroceno, óxido de molibdeno, tetrafenil-plomo). Estos productos disminuyen igualmente la producción de monóxido de carbono, a temperaturas más elevadas. Se puede aumentar la proporción de O / C añadidnos aditivos que reaccionan con una parte de los productos de degradación iniciales, para formar elementos más termoestables. De esta forma disminuye la alimentación de combustible, carbono, en las llamas. El ácido dicarbónico y el anhídrido piromelítico actúan según este mecanismo. Con este método, la cantidad total de monóxido de carbono no disminuye, pero sí su velocidad de liberación. Otros productos ignífugos actúan según el primer método de reducción de CO: la temperatura. El trihidrato de aluminio es un ejemplo. Se concluye que no es suficiente observar únicamente la cantidad total de CO producida, sino que también su velocidad de desprendimiento, para evaluar adecuadamente los efectos del conjunto. Así mismo, la producción de ácido cianhídrico depende de la cantidad de nitrógeno en el polímero. Temperaturas elevadas (hasta un máximo de 900 – 1000 º C) y una oxidación incompleta, favorecen la producción de HCN. Actuar según el segundo mecanismo, la oxidación incompleta, parece poco rentable ya que en una oxidación eficaz la temperatura aumenta y las ventajas son neutralizadas por el efecto de la temperatura. Esta es la razón por la que los metales de transición, que mejoran la eficacia de la oxidación, tienen una influencia reducida en la producción de HCN. Sin embargo, se ha obtenido un resultado positivo con el empleo de productos ignífugos endotérmicos. Para captar el ácido clorhídrico eventualmente liberado, es adecuado un producto de carga básico, como el carbonato cálcico. La eficacia de tales productos de carga depende de las dimensiones de sus partículas y de su superficie específica. En cualquier caso, la eventual influencia de estos compuestos como reductores de la toxicidad de las atmósferas creadas en un incendio, sólo puede ser valorada por métodos de ensayo aplicados a cada material tratado con los mismos. La toxicidad de los productos volátiles de pirólisis o de combustión puede ser examinada a dos niveles:

• Toxicidad inmediata: si se produjeran víctimas durante el incendio.

• Toxicidad a largo plazo: si se produjeran daños permanentes en los supervivientes o si ciertos síntomas sólo se manifestaran más tarde.

El examen de la toxicidad a largo plazo sólo tiene sentido, evidentemente, cuando haya posibilidades de supervivencia. Las estadísticas demuestran que la mayoría de las víctimas de la toxicidad se producen a causa de una pérdida rápida de la consciencia, lo que hace suponer que los gases tóxicos se producen de hecho en la fase inicial de un incendio, cuando no se han alcanzado todavía temperaturas altas. Esto supone que:

• La combustión se realiza aún en una atmósfera rica en aire.

• Los gases se encuentran a temperaturas relativamente bajas.

• Los gases se han producido en la fase de propagación de la llama. Cabe entonces pensar que los factores a tener en cuenta para definir una atmósfera de incendio, desde el punto de vista de la toxicidad son:

• El contenido en óxidos de carbono (el ratio CO2 /CO) y la disminución de la concentración de oxígeno, como medida de las condiciones de base de un incendio.

• La concentración de gases tóxicos específicos adicionales (en relación al CO) que pueden ser importantes para ciertas materias (ácido cianhídrico, ácido clorhídrico, etc.. ).

• El tipo y concentración de productos orgánicos no inflamables, que implica la concentración total en relación al CO y la distribución porcentual de los grupos importantes: hidrocarburos alifáticos y aromáticos, productos de oxidación, aminas, etc.

• La velocidad de producción y la cantidad total de productos formados, para los principales productos tóxicos. Los productos de combustión pueden variar considerablemente según la evolución del incendio y las temperaturas de descomposición de los materiales implicados. Por tanto, el riesgo que supone la toxicidad de un material en un incendio está influenciado por diversos factores:

• Curva temperatura / duración (t) del incendio.

• Producción de óxidos de carbono y disminución del contenido de oxígeno.

• Composición química del material e inflamabilidad del mismo.

• Opacidad de los humos.

• Cantidad de calor desprendido. Tal complejidad de factores, en el momento actual, no puede ser reflejada globalmente con un algoritmo que expresa la influencia parcial de cada uno y sus interacciones, recurriéndose a la valoración de un índica de toxicidad potencial máxima de los materiales para compararlos sobre esta base establecida. Desde esta perspectiva, cabe utilizar dos tipos de procedimientos:

• Análisis químico de los gases de combustión.

• Ensayos biológicos sobre animales. Los métodos que utilizan el análisis químico de los gases se basan en provocar la degradación térmica de una cantidad del material a ensayar, con o sin llamas, recogiendo los gases formados para el análisis cuantitativo de un determinado número de compuestos tóxicos eventualmente presentes; para cada uno de los gases detectados se compara la concentración del mismo con las concentraciones límite que, en la literatura existente sobre el tema, se consideran mortales. En la siguiente tabla se indican los valores límite de diversos gases tóxico propuestos en diferentes fuentes.

En los ensayos biológicos los gases desprendidos en la degradación térmica de la probeta de material son transferidos a una cámara con animales en los que se valora, con diversos criterios, el efecto de los gases; la finalidad de los mismos puede ser la de obtener tal información directa o servir para la obtención de informaciones complementarias que permitan acercar los resultados de los análisis químicos a la realidad. Es notorio que los resultados de los ensayos realizados sobre animales presentan sólo un cierta correlación con la respuesta de los órganos vitales humanos y que, en cualquier caso, debe tenerse en cuenta que no es prudente aceptar que los productos de combustión obtenidos en ensayos de laboratorio sean representativos de aquellos formados en un incendio real, más que a nivel cualitativo.