知っておきたいガスのこと

酸素(O2

「酸素」は地球上の生物の生命維持を支える大切なモノであり、私たちの豊かな生活を支える鉄鋼、化学、製紙、医療をはじめとするあらゆる産業にとって、なくてはならない存在です。 しかし、実は危険性もあります。ここでは、知らないと怖い「酸素」についてご紹介します。

空気の組成

地球の大気には組成率にして約21%の酸素が存在し、人間をはじめとする生物の生命をささえています。

大気を構成するガス成分 容積比率 分圧
酸   素 20.93% 151.1mmHg
窒   素 78.09% 593.5mmHg
二酸化炭素 0.03% 0.2mmHg
アルゴンその他の希ガス 0.95% 7.2mmHg
100.00% 760.0mmHg

酸素欠乏(酸欠)の定義

酸素欠乏とは、空気中の酸素の濃度が18%未満である状態をいう。
酸素欠乏症等防止規則 第2条 定義より

酸素欠乏症の労働災害発生状況の推移(1990年〜2020年)

厚生労働省 基安労発0707第3号より抜粋

- 酸欠の主な原因 -

酸素の消費
金属の酸化、鉱石、土中鉄分の酸化、人の呼吸、穀物、果菜、木材等の呼吸、塗料・溶剤の酸化

不活性ガス・冷媒の流入
N2ガス(液体も含む)、アルゴンガス、CO2の流入、フロン等の冷媒ガスの流入・滞留

可燃性ガスが噴出
掘削中におけるメタンガス噴出、燃料ガス配管からのガス漏れ

酸素過剰

空気中の酸素濃度が増加すると、火炎の温度と長さが増し、可燃物の発火温度が下がり、燃焼速度が増す。結果として、火災時の危険性が拡大する。
ヒトが高濃度の酸素を摂取しつづけた場合、身体に痙攣や意識喪失等の異常が現れ、最悪の場合は死に至ることもある。

毒性ガス(CO,H2S等)

人間が吸引したり触れると人体に害を及ぼすガスを「毒性ガス」といいます。危険なガスですが、それぞれのガス特性を生かして様々な産業で活用されています。ガスの製造、運搬、利用、管理等は、法律で規定され厳しい基準が設けられています。しかし、事故や災害など「まさか」の時に役立つ情報として、毒性ガスの種類や特性などをまとめました。

毒性ガスの定義

省令改訂で毒性ガスの定義が変更になっておりますが、一般高圧ガス保安規則関係例示基準ではガス漏えい検知警報設備の警報設定値は"許容濃度"以下の値とすることは従来と変わっていません。

毒性ガスとは・・

アクリロニトリル、アクロレイン、亜硫酸ガス、アルシン、モノシラン、モノメチルアミン、硫化水素 (掲名ガス:33種)

及びその他のガスであって毒物及び劇物取締法第二条一項に規定する毒物

 ※一般高圧ガス保安規則から引用

毒性ガス(平成25年改正前後の比較)

・従来:掲名される33種のガス
    + じょ限量(=許容濃度)200ppm以下

・改正後:掲名される33種のガス
    + 毒劇物法第二条第一項規定毒物
※半導体材料ガスで毒物という定義で毒性に該当するものはHFのみ

許容濃度(TLV=Threshold Limit Values)・・・ACGIHの勧告値による ※ACGIH:米国産業衛生専門家会議

労働現場で労働者が曝露されても、空気中濃度がこの数値以下であれば、ほとんどすべての労働者に健康上の悪影響がみられないと判断される濃度。

・TWA(Time Weighted Average ;作業員が通常1日8時間、週40時間での許容値)
・STEL(Short Term Exposure Limit ;15分間内における平均値が超えてはならない値)
・ C(Ceiling value ; この値を超えてはならない上限値)

毒性ガスリスト

CO

赤血球中のヘモグロビンと結合し、体内の酸素供給能力を妨げる。結果として中毒症状が現れる。その症状は、頭痛、吐き気、めまい、耳鳴り、発汗、全身倦怠等。

CO化学的性質

無色無臭の気体
水に難溶
分子量:28
ガス比重:0.97 空気とほぼ同等の軽さ
TLV: 25ppm(ACGIH:米国産業衛生専門家会議)
爆発下限界(LEL):12.5vol%

CO濃度と呼吸時間および症状

CO濃度 呼吸時間および病状
25 ppm(0.0025%) ACGIH TLV-TWA
0.02% 2~3時間内に軽い頭痛
0.04% 1~2時間で前頭痛、2.5~3.5時間で後頭痛
0.08% 45分で頭痛、めまい、吐き気、2時間で失神
0.16% 20分で頭痛、めまい、吐き気、2時間で失神
0.32% 5~10分で頭痛、めまい、30分で致死
0.64% 1~2分で頭痛、めまい、10~15分で致死
1.28% 1~3分で死亡

作業環境測定便覧より

H2S

高水溶性による皮膚粘膜への刺激性と、"チトクロムオキシターゼ"と呼ばれる細胞膜間貫通タンパク質の阻害作用による肺の酸素分圧低下を起し、結果として呼吸障害 (細胞レベルの酸欠)となる。 ⇒高濃度の場合は急速に進行しノックダウン現象となる。

H2S化学的性質

無色透明の気体・腐卵臭
水に溶けやすい(40℃で0.25g/100ml)
分子量:34
ガス比重:1.190 空気より重い
TLV: 1ppm(ACGIH:米国産業衛生専門家会議)
爆発下限界:4vol% 

- 硫化水素中毒とは -

硫化水素の濃度が百万分の十(=10ppm)を超える空気を吸入することにより生ずる症状が認められる状態をいう。
※酸素欠乏症等防止規則 第二条 定義より

硫化水素濃度と作用、毒性について

濃度(ppm) 作用又は毒性
0.025 嗅覚でできる限界。但し個人差大。
0.3 はっきり臭う
3~5 中等度の強さの不快臭
10 目の粘膜が刺激される下限。許容濃度。
20~40 強烈に臭うが、耐えられぬことはない。肺粘膜刺激の下限
100 2~15分で嗅覚が鈍る。1時間で眼、気道の刺激。
8~48時間の連続曝露で死亡することあり。
170~300 1時間曝露で重大な健康障害を起こさぬ限界
400~700 30分~1時間の曝露で生命の危険あり
800~900 速やかに意識喪失、呼吸停止、死亡
1000 直ちに意識喪失、死亡

可燃性ガス(CH4,H2等)

空気中または酸素中で燃えるガスのことを「可燃性ガス」といいます。産業用から家庭用、スプレー缶などの市販製品にも含まれ、その種類・性質は様々。しかし、ガスの爆発事故の原因物質となるため取り扱いの方法も様々に規定されています。ここでは可燃性ガスの種類と特徴をご紹介します。

可燃性ガスの定義

一般高圧ガス保安規則より、可燃性ガスとは
・爆発限界(空気と混合した場合の爆発限界をいう。以下同じ。)の下限が十パーセント以下のもの
・爆発限界の上限と下限の差が二十パーセント以上のもの

爆発下限界:LEL(Lower Explosion Limit)...その濃度以上空気中にあると爆発が起こる濃度
爆発上限界:UEL(Upper Explosion Limit)...その濃度以下空気中にあると爆発が起こる濃度

(例)水素の爆発範囲について

・%LELは爆発下限界値を100とした濃度
・爆発下限界はガスにより異なる(LEL=メタン:5vol%、イソブタン:1.8vol%など)

可燃性ガスリスト

- メタン(CH4)ガスの性質と特徴 -

最も簡単な飽和炭化水素で天然ガスの主成分であり、都市ガスの主成分として使用されています。沼や湿地土中で有機物の腐敗・発酵によっても発生し、自然界でも広く存在しています。

・燃焼しやすい(燃焼範囲が比較的狭い)
 燃焼範囲:5vol%~15vol%
・自然発火しにくい
 発火点(自然発火温度):537℃
・空気よりも軽い
 分子量:16.04 ガス比重(空気を1としたとき):0.6
・天然ガス(シェールガスやメタンハイドレートを含む)の主成分であり、燃料ガスとして多く利用される。
・無色・無臭で人体に無害
・地球温暖化係数がCO2の約25倍、牛、ヒツジ、ヤギなどは、はんすう動物のゲップにもメタンガスが含まれており、
 その温室効果により地球温暖化の原因の一つといわれている。
 地球環境保護の観点から排出削減の研究が多くの国で進められている。

水素(H2)ガスについて

水素(H)は地球上で最も軽く、最も多く存在する原子です。
最小着火エネルギーが低く、空気と混合した際の爆発範囲が広い可燃性ガスですが、メタンやプロパン等の一般的な可燃性ガスと異なり、燃焼しても地球温暖化の原因となるCO2を排出しないことから、地球環境にやさしいクリーンなエネルギーとして近年注目されています。

一般的な可燃性ガス: CH4 + 2O2 → 2H2O + CO2(温室効果ガス)を排出
水素ガス     : H2 + 1/2O2 → H2O

- 水素(H2)ガスの性質と特徴 -

・燃焼しやすい(燃焼範囲が広い)
 燃焼範囲:4vol%~75vol%
・自然発火しにくい
 発火点(自然発火温度):570℃
・地球上でもっとも軽い気体
 分子量:2.017 ガス比重(空気を1としたとき):0.07
・無色・無臭で人体に無害
・燃焼してもCO2を生成しない
 環境負荷が小さい
・地球上でもっとも多く存在する元素のため原料が豊富
  製造方法:水(海水等)の電気分解、化石燃料から抽出、製鉄プロセスの副生ガス 等

- TOPICS : 水素社会の実現のための技術 -

水素は、可燃性ガスであり爆発の危険性がありますが、他の化石燃料と異なりCO2を排出しないため、温暖化を防止するために様々な活用が期待されています。

- 水素の活用事例 -

Power to Gas(パワーツーガス)

再生可能エネルギーの電力(太陽光、風力等)を利用して、水素や合成メタンを製造する技術。地球環境にやさしい低炭素社会実現のために近年、世界中で研究や実証試験が進められている。

Methanation(メタネーション)

CO2とH2から天然ガスの主成分であるメタン(CH4)を合成する技術。原料にCO2を利用することから合成されたCH4はカーボンニュートラルな燃料とみなすことができる。H2をそのまま利用する場合に比べて、合成されたCH4は既存の天然ガス用の既存インフラが利用できることが利点。

FCV(Fuel Cell Vehicle:燃料電池自動車)

燃料電池で水素と酸素の化学反応によって発電した電気エネルギーを使って、モーターを回して走る自動車。 CO2を排出せず、排出されるのは水だけであるため、環境に優しいゼロ・エミッション技術として、期待されている。

有機ハイドライド技術

水素をトルエンと触媒反応させて、容積が約1/500 のMCH(メチルシクロヘキサン)にして貯蔵や輸送を容易にする技術。安全かつ容易に水素の長期貯蔵や大量輸送を可能にする。

その他(CO2 , etc.)

産業で、暮らしの中で、危険なガスは他にもあります。ここではSDGsの目標にも掲げられている「CO2」とガス漏洩時にキーポイントとなる「蒸気比重」「蒸気圧」に関する情報をご紹介します。

CO2の人体への影響

炭酸ガスの毒性は弱く、特異な吸収症状を招くことはほとんどない。高濃度の場合には麻酔作用が現れ、窒息死することがある。

CO2化学的性質

無色無臭の気体
不燃性
水に可溶 溶解度:90.1mL/100mL,20℃
分子量:28 ガス比重:1.5
TLV: 5,000ppm(ACGIH:米国産業衛生専門家会議)
一般高圧ガス保安規則の毒性ガスには該当しない

建築物における衛生的環境の確保に関する法律
(通称:ビル管法)

特定建築物(一定延べ面積以上の百貨店、事務所、学校、旅館等)の所有者、占有者、管理者は政令で定める基準に従って維持管理しなければならない(法第4条)

建築物環境衛生管理基準(政令第2条)
空気調和設備により、二酸化炭素 1,000ppm以下になるよう空気を浄化して供給すること

その他ご参考:新型コロナウィルス クラスター対策について

厚生労働省ホームページ公開の「換気の悪い密閉空間」を改善するための換気の方法(リーフレット)(令和2年4月3日改訂)ではビル管法の基準(二酸化炭素であれば 1,000ppm以下)に従い、居室の換気を励行することでクラスター(集団)感染発生リスクを 回避することが対策の一つとして示されています。

CO2濃度 呼吸時間および症状
0.1%(1000ppm) 建築物衛生管理基準
0.5% TLV-TWA 1日8時間曝露で人体に悪影響が出る閾値
1~2% 不快感が起こる
3~4% 呼吸中枢が刺激されて呼吸の増加、脈拍・血圧の上昇、頭痛、めまいのなどの症状
6% 呼吸困難
7~10% 数分で意識不明チアノーゼが起こり死亡

日本における1987年~2020年の大気中のCO2ガス濃度の推移を下記のグラフに示します。
年々CO2ガス濃度は増加しており、近年では410ppm以上のCO2が一般大気中に存在します。

CO2ガス濃度推移

気象庁 岩手県大船渡市綾里の観測地点データより

二酸化炭素(CO2)は地球温暖化の原因となる温室効果ガスの1つとして知られており、2016年に発効した「パリ協定※」のもと、各締約国では、エネルギー供給と使用に関して、CO2の排出量を削減する「低炭素化」の政策が強力に進められています。
※2015年にパリで開かれた「国連気候変動枠組条約締約国会議(通称COP)」で、2020年以降の気候変動問題に関する国際的な枠組み

蒸気比重

標準状態の空気の重さを1としたときのそれぞれのガスの重さの比のことを意味します。ガス検知器の設置場所を検討する際の1つのファクターとして考慮する必要があります。

空気より重い(蒸気比重>1)場合

ガス漏洩の場合、下方に滞留しやすい
⇒ガス検知器を下に設置する

空気より軽い(蒸気比重<1)の場合

ガス漏洩の場合、上方に滞留しやすい
⇒ガス検知器を上に設置する

蒸気圧

ある温度において液体が気体になろうとするときの圧力のことです。VOCなどの有機溶剤についてSDS(安全データシート)等の文献から蒸気圧データを得ることができれば、その物質が(ある温度で)どのくらいの濃度まで気化することができるかを計算によって求めることができます。

計算例)
 エチルアルコール 蒸気圧:5.8kPa/20℃
 大気圧:101.3kPaとすると
 蒸気圧濃度(%) = 蒸気圧 ÷ 大気圧 = 5.8 ÷ 101.3 ≒ 5.73 vol%
 よって、エチルアルコールの20℃における蒸気圧濃度は約 5.73vol%