Kohlenmonoxid, auch Kohlenstoffmonoxid – chemische Bezeichnung CO – entsteht bei der unvollständigen Verbrennung bei hohen Temperaturen von fossilen Materialien, wie zum Beispiel Holz, Kohle, Papier, Benzin, Öl und vielen Kunststoffen, und zwar im Falle einer nicht ausreichenden Sauerstoffzufuhr. Bei einer Verbrennungstemperatur von 1000 °C liegt das chemische Gleichgewicht von Kohlenstoff zu Kohlendioxid (Boudouard-Gleichgewicht) fast vollständig auf der Seite der Bildung von Kohlenmonoxid (C + CO2 zu 2 CO).
Kohlenmonoxid (CO) wird in der chemischen Industrie in größerem Umfang als Synthesegas verwendet, z.B. bei der industriellen Produktion von Methanol, Essigsäure oder Carbonylsäuren. Daher wurde eine CO-Pipeline von Dormagen nach Krefeld errichtet.
Da Verbrennungsreaktionen in der Natur und Technik niemals in allen Bereichen der Flamme das ideale Mischungsverhältnis aus Brennstoff – und Sauerstoff bieten, entsteht zwangsläufig bei jeder Verbrennung kohlenstoffhaltiger Substanzen – zumindest in Spuren – Kohlenstoffmonoxid [34].
Die bei einer Verbrennung entstehenden Emissionen sind in Abbildung 1 dargestellt.
Entscheidend für die Bildung von Kohlenstoffmonoxid ist der dem verbrennenden Kohlenstoff zugeführte Sauerstoff (Sekundärluft). So lassen sich die stofflichen Umsetzungen von Kohlenstoffatomen, in Abhängigkeit der Sauerstoffzufuhr, in vollständige (Sauerstoffzufuhr für die Oxidation ausreichend), wie auch in unvollständige Reaktionen (Sauerstoffzufuhr für die Oxidation nicht ausreichend – Kohlenstoffmonoxid entsteht als Zwischenprodukt) unterteilen.
Abbildung 1: Produkte eines Verbrennungsprozesses [10]
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Beispiele für CO-Konzentrationen im Alltag:
Umgebungsluft: 0,1 ppm [36]*
Wohngebäude (mit Verbrennungsheizung): 0,5 – 5 ppm [35]
Gastherme (wenige cm Abstand): 5 – 15 ppm [35]
Kaminoffen mit Holzfeuer (Abgasrohr): 5.000 ppm [38]
Holzkohlengrill in geschlossenen 16 qm Raum: 300 ppm in 6 min [37]
Auspuffgase von Verbrennungsmotoren 5 – 20 Vol % [42]
*(parts per million; 1 ppm entspricht 0,0001% Volumenanteil)
Rauchen sowie Passivrauchen bewirken eine zusätzliche CO-Exposition [28].
Brandrauch ist je nach Brandstoff und Brandbedingungen ein Gemisch aus verschiedenen Bestandteilen (u. a. Gase mit toxischer Wirkung, lungengängige Aerosole, Partikel), dessen toxische Gesamtwirkung bisher unzureichend geklärt ist. Bei ca. 70 % der Brandtodesfälle ist die Rauchgasvergiftung todesursächlich [17]. In den meisten Fällen trägt das beim Brand gebildete Kohlenmonoxid das toxische Hauptpotential im Zusammenwirken mit Sauerstoffmangel sowie der atemfrequenzsteigernden Wirkung des ebenfalls im Brandrauch enthaltenen Kohlendioxids und den unterschiedlichen Anteilen von Nitro- und Chlorgasen und Blausäure im Rauch oder Brand. Dabei zeigt sich jedoch, dass das Vergiftungsgeschehen in der Regel vom Kohlenmonoxid dominiert ist [14].
Nahezu alle Rauchgasvergiftungen mit Todesfolge (ca. 98 %) sind auf den CO-Anteil zurückzuführen [6]. Daher gilt CO als Leitgas für Brandgase [12]. Jedoch ist Brandgas stets ein Gemisch aus giftigen Rauchgasen, die während der Schwelbrandphase entstehen. Die hoch erhitzte Atemluft, aber auch die Sauerstoffarmut spielen bei Rauchgasen ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Gesundheitsschädigung eines Menschen im Zusammenhang mit einem Brandgeschehen.
Da Kohlenmonoxid ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas ist und eine vergleichbare Dichte (rel. Gasdichte: 0,967) wie die Luft (rel. Gasdichte: 1) aufweist, kann der Mensch es mit seinen Sinnen nicht wahrnehmen. Der Körper erfährt keine Warnwirkung bzw. keinen Warneffekt. Darin liegt die besondere Gefahr dieses hochgradig giftigen Gases [6].
Die wesentlichen Expositionsursachen für das Auftreten von CO sind:
– unsachgemäßer Betrieb von Hausbrandanlagen (Kohleöfen, Gasheizung), Defekte und Wartungsmängel,
– Betrieb von gasbetriebenen Geräten in geschlossenen Räumen (Heizpilze, Heizstrahler)
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– Einsatz von Anlagen mit Verbrennungsmotoren in Räumen mit unzureichender Belüftung (enthalten bis zu 10 % Kohlenmonoxid, wegen Einbau von geregelten Katalysatoren ab EURO 4 Norm zunehmend nicht mehr relevant [15])
– Brände,
– gezielte Selbstmordversuche mit Autoabgasen, Ofenrauch, Grillen in abgedichteten Innenräumen „Indoor-Grillen“.
Die Betrachtung der industriellen großtechnischen Quellen zeigt, dass der Gehalt an CO in den Schwefelgasen der Braunkohlenverbrennung wesentlich höher als der Gehalt an Schwefelgasen aus der Steinkohlenverbrennung ist. Der Gehalt an CO-Gas in PKW-Auspuffgasen ohne Katalysator beträgt ca. 5 – 20 %, jedoch ist er heute aufgrund des Katalysatorseinsatzes bei mehr als 90 % der PKW niedriger als 0,1 % CO. Das bis ca. 1990 verwendete Stadtgas enthielt ebenfalls Anteile von CO in Höhe von bis zu 9 % [33]. Seit der Einführung von Erdgas in Deutschland hat die Zahl der Vergiftungen, die auf CO-Intoxikationen zurückzuführen ist, deutlich abgenommen. Im Jahre 1980 wurde die Zahl der Selbsttötungen durch Vergiftungen mit Haushaltsgasen mit 1291 Personen erfasst. Die Anzahl der Sterbefälle durch (vorsätzlichen) suizidalen Gebrauch in Bezug auf CO betrug im Jahr 2006 wurde mit 183 geführt [3
].
Für einen Überblick stellt die folgende Abbildung 2 den Verlauf von Fallzahlen tödlicher Gasvergiftungen in den vergangenen 60 Jahren nach vom Statistischen Bundesamt veröffentlichten Daten dar [14].
Abbildung 2: Todesfälle in Deutschland durch Gasvergiftungen und Suizide 1950–2010 in
Deutschland [14]
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Der suizidale Gebrauch von Kohlenmonoxid sowie die Todesfälle durch CO und deren Anteil an den Gesamtsuiziden zeigen seit den 1990iger Jahren einen stark abnehmenden Trend im Vergleich zu den Fallzahlen seit 1950, bezogen auf 100.000 Einwohner, an.
Allerdings ist seit dem Jahr 2006 ein leichter Anstieg in der Zahl der CO-Suizide und deren Anteil an den Gesamtsuiziden zu verzeichnen, wie die zitierte Abbildung zeigt. Brüche in den Verläufen der einzelnen Kurven können durch Wechsel der amtlichen Kodierungsverfahren im Laufe der Jahre (letzte Aktualisierung ICD-10 seit 1998) entstanden sein. 2009 und 2010 stieg die Anzahl der Kohlenmonoxid- (CO-)Todesfälle in Deutschland um jeweils ca. 30%. Neuartige Expositionen wie die suizidale Inhalation der Gase z.B. aus Kohlegrills mehren sich.
In der unten beispielhaft dargestellten Abbildung ist die Zahl der unbeabsichtigten Unfälle auch mit Todesfolge im industrienahen Bezirk Magdeburg der DDR dargestellt.
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Abbildung 3: Häufigkeit von Kohlenmonoxidvergiftungen in der im Bezirk Magdeburg der DDR [5]
Der leicht abnehmende Trend bis zum Jahr 1982 ist möglicherweise auf die Veränderung der Feuerstättensituation in Richtung Fernwärmebeheizung und abnehmende Nutzung von braunkohlenbetriebenden Einzelheizungsanlagen zurückzuführen. Betrug 1979 die Zahl der in Verbindung mit CO-Fällen durchgeführten Sektionen im Institut für Gerichtsmedizin Magdeburg noch 13 % am Anteil der Gesamtaufkommen, so sank diese Zahl bis zum Jahr
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1982 deutlich auf 8 %. Diese dargestellte Situation ist durch den Wandel in der Heiztechnik nicht mehr repräsentativ.
1.1.1 Stoffeigenschaften von Kohlenmonoxid
Kohlenmonoxid mit der Molmasse von 28,01 g/mol ist ein farbloses, geruchloses Gas mit einem Schmelzpunkt von – 199 °C und einem Siedepunkt von – 191,5 °C. Es ist mit 30 mg/l in Wasser nur gering löslich [42].
Unter Normalbedingungen (0 °C, 101,3 kPa) weist das Gas eine relative Dichte von 0,967 [42] aus. Es steigt damit langsam auf und wird nur in geschlossenen Räumen eine gefährlich. Die relative Gasdichte gegenüber Luft beträgt 1 und die relative Dichte gegenüber Wasser beträgt 0,79 [43]. Es ist unter Normalbedingungen relativ stabil und wird daher nur sehr langsam (nach Monaten) in Kohlendioxid, dem Endprodukt der Oxidation, umgewandelt. Wärme und UV-Strahlung begünstigen die Reaktion.
Kohlenmonoxid ist toxisch, brennbar, extrem entzündbar und bildet zwischen 12,5 und 75%
Volumenanteil mit Luft explosionsfähige Gemische [34] bei einer Zündtemperatur von 620
°C [43].
Seine molekulare Zusammensetzung definiert sich durch eine starke kovalente Bindung eines Kohlenstoff- mit einem Sauerstoffatom durch eine Dreifachbindung.
CO besitzt ein hohes Diffusionsvermögen durch Decken und Wände [20].