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开学专栏 | 爆炸性的新闻,我们一点都不喜欢

编者按

又是一年入学季,为帮助新生尽快适应从大学生到研究生的转变,X-MOL团队从过去发表的诸多文章中,精选一些作为“开学专栏”。希望这些内容能对师弟师妹们有所帮助,将来少碰一些钉子,少走一些弯路。

下面这篇文章发布于2016年。实验室安全是关系生命和健康的头等大事,怎么强调都不为过!不规范操作和不够警惕是造成事故的最大原因!这篇文章列举了一些实验室事故,并给出了一些防范事故的建议和参考资源。


化学工业是众多产业的基础,但由于化学物质的特殊性,易发生火灾爆炸事故。类似的报道在国内外都不少,以石化行业居多,例如[1]

  • 1998年澳大利亚Esso Longfor天然气处理厂起火爆炸,2名工人遇难。

  • 2001年法国AZF化肥厂中的硝酸铵起火爆炸,造成29人遇难,2500人受伤。

  • 2005年英国Bucefield石油仓库发生火灾,造成43人受伤。

  • 2005年美国BP德克萨斯城炼油厂发生火灾和爆炸,造成15人遇难。

  • 2009年印度Jaipur石油仓库发生火灾,造成12人遇难,200余人受伤。

  • 2010年美国BP深水地平线式石油钻井平台泄露起火,造成11人遇难。

  • 2012年委内瑞拉Amuay炼油厂起火爆炸,造成47人遇难,151人受伤。

  • 2015年天津港8.12火灾爆炸事故,造成165人遇难

    ……


天津港8.12火灾爆炸事故。图片来源:新华社


除了石化行业,其他化工企业的生产事故也屡见不鲜。2007年12月19日,美国佛罗里达州的小型化工厂T2实验室生产燃油添加剂甲基环戊二烯三羰基锰(MCMT)时发生剧烈爆炸,4名员工当场遇难,32名人员受伤,其中包括28名在附近工作的人员。美国化学安全委员会CSB(Chemical Safety Board)调查事故原因为金属化反应失控[2]

爆炸后的T2实验室。图片来源:CSB

爆炸后的反应釜(壁厚3英寸,可见爆炸的威力)。图片来源:CSB


MCMT金属化反应


这些事故不仅会带来惨重的人员伤亡、企业财产损失,也对周围环境造成恶劣的影响。我国目前已经是世界上最大的化工产业国,但频频发生的事故也令人揪心不已,甚至由震惊变得麻木。据国际非政府组织绿色和平Greenpeace 统计,2016年1月到8月,我国共发生232起化学品相关事故,几乎1天1起,共造成199人遇难,400余人受伤。这些事故一半以上发生在运输阶段,四分之一发生在生产期间,涉及到99种不同的化学物质,其中45%属于危险化学品(下图)[3]。进入9月份情况并未有明显改观,9月20号烟台万华二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯(MDI)车间检修期间发生爆炸,造成4死4伤。而就在数天前(10月10日),山东齐鲁制药厂回收系统一含有酒精的压力容器发生爆炸,现场车间约400平方米左右,所幸无人员伤亡。

图片来源:Greenpeace


这些事故之后的调查结果,原因一般是企业管理不善,员工缺乏专业知识、安全意识淡漠、违规操作等等原因。与生产企业相比,科研院所或者研发型企业的实验室,好像不存在专业知识方面的问题,毕竟其人员大部分受到过良好的专业高等教育,理应不存在科学认知方面的缺陷。但事实往往很残酷,相对于工厂车间,科研实验室也存在着很多安全隐患,不断出现各种类型的实验室安全事故。下面来看几个经典案例。


典型案例一:德州理工大学实验室爆炸[4]


2010年1月7日,美国德州理工大学化学和生物化学系实验室,一名研一新生和五年级博士生合成高氯酸肼镍衍生物(NHP),通常每次合成50-300 mg。因用于表征分析的项目较多,如差示扫描量热法(DSC)、落锤冲击试验、热重分析(TGA)等,而每次合成的量仅够一次分析,要表征完全需要多次合成NHP,因此他们想一次就合成足够的量,在没有征求PI意见的情况下,他们擅自放大规模至10 g。基于之前的经验,这两名研究生发现少量的NHP对水和正己烷并不敏感,不会燃烧和爆炸,因此推测大量的NHP也会有类似的表现。当放大规模时,博士生发现这个化合物团聚成块了,他意识到样品颗粒大小的规模一致很重要,因此将一半样品转移至研钵中,加入正己烷用搅拌棒粉碎分散。由于化合物有潜在的爆炸可能,他戴上了护目镜,在搅拌结束后摘下护目镜并离开。因佩戴护目镜并不是强制行为,完全凭个人视情况而定,返回之后,这位高年级研究生没有戴上护目镜就开始继续搅拌,此时悲剧发生,化合物爆炸,导致此名学生失去三根手指,手和脸被烧伤,还有一只眼睛受伤。

爆炸后的实验台面。图片来源:CSB


典型案例二:夏威夷大学实验室爆炸[5]


2016年3月16日美国夏威夷大学的博后Thea Ekins-Coward在制备培养微生物的混合气体(含55%氢气、38%氧气和7%二氧化碳)时因静电放电引发爆炸,由此失去一只胳膊。根据夏威夷职业安全卫生事业部(HIOSH)处罚条例,夏威夷大学主要违反了以下几条:减少雇员暴露于潜在的爆炸和火灾环境的风险;保证安全操作都能执行;确保定期检查以识别危险;保证每个雇员都有合适的个人防护用品;使用标准化操作规程(SOP);实验室都有合适的安全出口。因此夏威夷大学面临11.55万美元的罚款。

夏威夷大学爆炸后的实验室。图片来源:ACS C&EN


我国的高校研究所也发生过多起爆炸火灾等事故,最近一次发生在2016年9月21日,位于松江大学园区的东华大学化学化工与生物工程学院一实验室在进行化学实验时发生爆炸,三名学生受伤,其中两名眼部受伤。据最新的消息,1名学生受轻微擦伤,经治疗已复学。另外2名学生主要伤害集中在面部,灼伤面积均在5%左右,眼部不同程度受伤,其中1名学生眼部整体无大碍,另一名学生已接受眼部手术[6]

东华大学一实验室爆炸后的一角。图片来源:东方网


相信每个高校或实验室都不缺乏安全管理办法或制度,在具体执行过程中是否能完全贯彻呢?不能在事故发生后才幡然悔悟,事故确实能够刺激安全管理,但这种靠生命和鲜血换来的教训,代价是在太高昂。如同优秀的运动员背后都有一个优秀的教练组,良好的实验室安全也需要一个安全监察员的角色,而实验室的每个成员都应该知道识别和防范风险,具体而言有如下建议:

  • 任何人,不论实验水平和头衔,都要参与到危险评估。

  • 任何人都要熟悉危险控制措施和设备的使用方法。

  • 任何人都要参与危险分析和更新实验室里的SOP,这也是从已有事故中学习的好机会,可以用头脑风暴的形式以防止发生同样的事情。

  • 富有经验的人应领导风险分析,并对实验和物质进行风险评级。

  • 每个人都要知道在实验室里的职责。


安全管理循环前进。图片来源:ACS


早在2008年,美国化学安全委员会CSB已经注意到研究实验室安全监管是个空白,而2010年德州理工大学实验室爆炸事件促进了实验室安全建设。他们委托美国化学会(ACS)制定一份实验室安全指导原则,ACS的化学安全委员会CCS(Committee on Chemical Safety)和化学品健康与安全专业委员会CHAS(Division of Chemical Health and Safety)密切合作,出版了关于发展良好实验室操作规范的指导手册Identifying and Evaluating Hazards in Research Laboratories,重点关注如何识别和评价实验室的危险[7]

图片来源:ACS


现在也推出了网络版,可以下载各种文件模板,界面如下图所示[8]

图片来源:ACS


评估实验风险和危害


在评估实验危害的时候,首先要确定范围,具体包括:

1. 哪一步需要进行实验?

2. 哪些人参与?

3. 需要什么类型的设备?

4. 在哪里进行实验?

5. 需要哪些物质或材料?

6. 从文献或已有经验获得关于实验的哪些信息?


在此基础上,继续获得化学物质和气体的常规危险分析清单;化学设备、气体组成、操作规程、流速、运行时间和其他参数清单;设备的潜在健康危害清单(如离子化、高温、高压、机械接触点危险);设备的安全特性(如连锁)等。


经过风险评估,ACS将实验室安全等级(Chemical Safety Levels,CSLs)分为4级。


CSLs1级:化学物质对身体健康危害程度可忽略。没有浓酸或浓碱、有毒、致癌性、致畸性物质,易燃液体少于4 L,不需要通风橱或全面通风。典型代表如:控温房间、K-12(从幼儿园到高三)科学演示实验室、激光实验室、显微镜室等。


CSLs2级:化学物质对身体健康危害程度较低。浓酸或浓碱少于1 L,实验过程产生有限的毒性或有害物质,易燃液体少于40 L,可能会需要通风橱或特殊场地。典型代表如:大学化学实验室、生物化学教学和演示实验室、生物医学研究实验室等。


CSLs3级:化学物质对身体健康有中等程度的危害。实验室操作过程中用到浓酸、浓碱、有毒或者高度有害的化学品、低温液体、致癌或生殖毒性化学品、产生腐蚀性、易燃或毒性气体的化学品。大量的易燃液体(> 40 L)堆放在实验室中,一定量的高危物质,如氢氟酸、自燃物质、氰化物等。实验室布置通风橱或通风口,有时用到手套箱和对水敏感物质。典型代表如:化学研究、药学、化学工程、病理学等跟化学密切相关的研究实验室。


CSLs4级:高度化学和健康危害。工作中用到易爆或潜在易爆性物质,经常使用大量自燃性物质。用到大量急性毒性物质,有发生不可控或可预见的事故风险。实验室用到手套箱操作自燃性物质或对空气/水敏感物质。PI或实验室管理员需建立高度有害性物质的使用上限,例如不超过5 g自燃性物质、150 mL或2 mol的叔丁基锂戊烷溶液。


识别和评估实验室危害


识别实验室的危害是最核心的工作,化学实验室无外乎试剂、实验室条件、活动。


识别试剂危害


化学实验室,都少不了和各种化学试剂打交道,通常情况下拿到试剂瓶上都有个标识告诉你这种物质大概有什么危险,用化学品(含危险品)标签标志与象形符号显示如:


仅仅知道符号还不够,虽然大部分试剂包装标签上注明了最重要的信息,我们还需要解这种物质具体的理化性质(可以试试X-MOL提供的手机版物性数据查询)和危险情况应对措施,有些网站也提供类似信息,例如http://www. chemhat.org/en以及化学试剂供应商的网站。完成化学物质的资料搜集,可按照ACS推出的化学品危害清单管理。另外,对实验室试剂库存的现代化管理也是很重要的一条,跟踪高风险及高风险试剂的购买及使用,避免可能的风险(永久免费的X-MOL试剂安全管理系统,点击了解详细)。


除此之外,在化学实验室的常见危害可见下表简要说明。


风险评级分析


识别风险后,利用分析评估的工具,进行风险评级。风险评级是根据危害的严重性和发生几率的乘积,得分越高,危害严重性越高。


防范措施


在识别实验危害的同时,还要建立防范措施,备齐设施,如通风橱和个人防护用品(护目镜、实验服、手套、防护口罩等),以及确立必要的标准操作规程,最好将危险扼杀在摇篮中。根据美国疾控中心(CDC)的建议,从根本上避免实验危害才是上策,防护有效性从高到低依次为:物理上消除、取代已有危险、撤离易感人群、改变工作方式、最差为增加个人防护。

图片来源:CDC


清单式管理


ACS为方便危险管理,在网站上特地推出了清单式管理的模板[9],其中比较重要的有:

  • 假设分析模板What-If Analysis

  • 工作危险分析模板Job Hazard Analysis

  • 化学物质危险汇集清单Hazard assessment for a chemical

  • 实验室传统安全检查清单Traditional laboratory safety checklist

  • 标准操作规程模板Standard Operating Procedures


最后,所有的安全管理办法也好,条例也好,工具也罢,关键是要执行,并且要持之以恒的坚持执行下去!


参考资料:

[1] http://cen.acs.org/articles/94/i34/uneven-world-chemical-accident-investigation.html?type=paidArticleContent

[2] http://www.csb.gov/texas-tech-university-chemistry-lab-explosion/

[3] http://www.greenpeace.org/eastasia/press/releases/toxics/2016/China-averaged--29-chemical-accidents-per-month-so-far-this-year---Greenpeace/

[4] http://www.csb.gov/t2-laboratories-inc-reactive-chemical-explosion/

[5] http://cen.acs.org/articles/94/i13/Researcher-Thea-Ekins-Coward-loses.htm

[6] http://sh.eastday.com/m/20160923/u1ai9760397.html

[7]https://www.acs.org/content/dam/acsorg/about/governance/committees/chemicalsafety/publications/identifying-and-evaluating-hazards-in-research-laboratories.pdf

[8] https://www.acs.org/content/acs/en/about/governance/committees/chemicalsafety/hazard-assessment.html

[9] https://www.acs.org/content/acs/en/about/governance/committees/chemicalsafety/hazard-assessment/tools.html


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