Les Composés Organiques Volatiles (COV) : Impacts et Gestion dans l’Industrie

Sur un site industriel les Composés Organiques Volatiles, COV, font partie des polluants de l’air ambiant, intérieur et extérieur. On rassemble sous le terme COV une multitude de substances chimiques.

Leur point commun ? Elles se composent de carbone et d’hydrogène, et en conditions ambiante, se trouvent soit en phase gazeuse, soit dans une phase liquide qui s’évaporera facilement. Les COV impactent la qualité de l’air avec des conséquences sur la santé humaine, l’environnement, l’économie. Ils font donc l’objet d’une définition officielle au niveau européen et traduite sur le plan national. Connaître les propriétés physicochimiques des COV aide à prendre les mesures de prévention adéquates. Voici un rapide panoramique qui vous familiarisera avec les particularités physiques et chimiques des COV qui impactent la qualité de l’air.

Définition réglementaire des COV

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L’article 2, aux §16 et §17, de la Directive du Conseil n° 1999/13/CE du 11 mars 1999 relative à « la réduction des émissions de composés organiques volatiles dues à l’utilisation de solvants organiques dans certaines activités et installations » donne les deux définitions suivantes :

Composé organique : « tout composé qui, à l’exclusion du méthane, contient du carbone et de l’hydrogène, lequel peut être substitué par d’autres atomes comme les halogènes (ex. fluor, chlore, brome, iode), l’oxygène, le soufre, l’azote ou le phosphore, à l’exception des oxydes de carbone (ex : CO2) et des carbonates (ex : CO32-) et bicarbonates (ex : HCO3) inorganiques. » 

Composé organique volatil (COV) : tout composé organique ayant une pression de vapeur de 0,01 kPa ou plus à une température de 293,15 K (20°C) ou ayant une volatilité correspondante dans les conditions d’utilisation particulières.

La directive a été transférée en droit français dans le code de l’environnement article R224-48. Il définit un COV comme « tout composé organique dont le point d’ébullition initial, mesuré à la pression standard de 101,3 kPa, est inférieur ou égal à 250°C. »

Volatils ? Oui, mais plus ou moins ! Classification physique des COV

Pour comprendre l’ampleur des émissions de COV dégradant la qualité de l’air ambiant, on cherche à connaître leur concentration. Pour ce faire on s’appuie sur une caractéristique physique : la volatilité.

La volatilité est la capacité d’une substance à s’évaporer à température et pression ambiante. 

Les COV sont volatils, mais plus ou moins volatils. Comme la volatilité d’un COV dépend de sa pression de vapeur, on peut utiliser la concentration de saturation effective 𝐶𝑖 (en µg.m-3) comme critère de classification. Par ailleurs la volatilité décroit quand le poids moléculaire du COV augmente. On peut aussi classer les COV selon le nb d’atomes de carbone dans leur structure. 

volatilité à non volatiliténb atomes de carboneconcentration de saturation effective 𝐶𝑖
COV Très volatil à volatilnb C ≤ 11𝐶𝑖 > 106 μg.m-3
COV-IVolatilité Intermédiaire12 ≤ nb C ≤ 18103 μg.m-3 < 𝐶𝑖 ≤ 106 μg.m-3
COSVSemi Volatil18 < nb C ≤ 3210-1 μg.m-3 < 𝐶𝑖 ≤ 103 μg.m-3
CONV Non Volatile à température ambiante (particule)nb C > 32𝐶𝑖 < 10-1 μg.m-3

A noter que les Composé organiques non volatiles à température ambiante (CONV) s’évaporeront dans des conditions d’utilisation particulières, liées aux procédés industriels, ou lors d’accident (incendie, explosion).

Une autre classification des COV prend en compte comme critère la température d’ébullition. 

Volatilité Température d’ébullition
Très volatils < (50 – 100 °C)
Volatils(50 – 100 °C) à (240 – 260 °C)
Semi-volatils (240 – 260 °C) à (380 – 400 °C

COV et odeurs

Certains COV sont inodores (butane, propane). D’autres COV peuvent avoir une odeur plus ou moins caractéristiques. Les composés soufrés, les amines, les composés oxygénés (cétones, aldéhydes), certains composés aromatiques sont particulièrement odorants. 

Classification des COV selon leur structure chimique

Les COV constituent une vaste classe de composés chimiques, présentant une grande diversité de structures et de propriétés. C’est leur impact commun en tant que polluants de l’air, de l’eau, du sol qui les réunit dans cette classe. Cependant leurs structures, notamment la présence de groupes d’atomes autres que C et H, influent sur leurs propriétés chimiques, donc sur la particularité de leur toxicité pour l’homme et la nature ; et par conséquent, sur les effets économiques qui en résultent. 

Critères structurels des COV

La distinction des COV s’effectue selon plusieurs critères structurels non-exclusifs, chacun contribuant à la nature et au degré de leurs propriétés polluantes : 

  • cyclique (chaîne d’atomes de carbone se refermant en un cercle) versus non-cyclique (chaîne carbonée non-fermée, les atomes de C s’enchaînent en se liant les uns à la suite des autres de façon linéaire) ;
  • aromatique (chaîne carbonée spécifique, de forme hexagonale, appelée cycle benzénique, composée de 6 atomes de carbone chacun lié à un atome hydrogène) versus non-aromatique (chaîne ne présentant pas cette configuration spéciale) ; 
  • monocyclique (une seule chaîne carbonée cyclique) versus polycyclique (plusieurs cycles identiques liés par un ou deux atomes de carbone en commun)
  • homocyclique (cycle formé uniquement de C) versus hétérocyclique (cycle comportant du carbone et d’autres atomes se substituant au carbone) ;
  • saturé (présence uniquement de liaisons carbone simples) versus insaturé (liaisons carbone doubles ou triples). L’insaturation confère une réactivité accrue aux COV, se répercutant sur leur toxicité. Les structures aromatiques sont toutes insaturées.
  • non –ramifié versus ramifié (la chaîne carbonée principale possède une ou plusieurs ramifications formées soit de groupements d’atomes C et H uniquement, soit intégrant d’autres atomes qui alors leur confère une réactivité caractéristique [groupe fonctionnel])

Classification des COV

On distingue deux grandes catégories de COV : les COV aromatiques, et les COV aliphatiques (= non-aromatique). 

Les COV aromatiques possèdent comme squelette de base un cycle benzénique (= anneau benzénique). Ils se décomposent en plusieurs sous-catégories :

  • les Hydrocarbures Aromatiques Monocycliques dont font partie les BTEX (abréviation de Benzène, Toluène, Ethylbenzène, Xylène) qui sont tous toxiques et écotoxiques.
  • les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) aux propriétés cancérigènes. Ils sont synthétisés lors de la formation des énergies fossiles (pétrole, charbon) ou bien lors de la combustion incomplète de matières organiques (chauffage au fuel, feux de forêts, etc.).
  • les composés aromatiques hétérocycliques, ou hétérocycles aromatiques, dont un ou plusieurs atomes de C du cycle benzénique sont substitués par d’autres atomes (ou groupes d’atomes) tels que ceux cités dans la définition ci-dessus. 

Parmi les COV aliphatiques (= COV non-aromatique) on distingue des molécules à structure :

  • saturée : les alcanes ; exemple : l’hexane C6H14  qui est utilisé dans les colles, adhésifs, liquides dégraissants, est présent dans les vapeurs d’essence. Il peut pénétrer dans l’organisme par les voies respiratoire et percutanée. Ses effets par inhalation vont des étourdissements à la perte de conscience. Le contact avec la peau provoque des dermatites.
  • insaturée aux propriétés plus polluantes :
    • les alcènes (double liaison carbone) ; exemple : l’éthylène C2H4 libéré par la plupart des fruits et légumes comme agent de maturation, émis par les pots d’échappement, les chariots élévateurs au propane, les sacs plastiques sous l’action de la lumière. Il peut provoquer par inhalation des étourdissements, céphalée, perte de conscience, et contribue à l’effet de serre ; 
    • les alcynes (triple liaison carbone) ; exemple : l’éthyne ou acétylène C2H; extrêmement inflammable et explosif, il est utilisé comme combustible pour la soudure ou dans certains appareils d’analyse.

Alcanes, alcènes et alcynes intègrent aussi de structures : 

  • non-cycliques, les aliphatiques acycliques, qui sont constituées de chaînes :
    • soit linéaires. Exemple n-hexane.
    • soit ramifiées. 
  • cycliques (cycles non-aromatiques), les alicycliques (= aliphatiques cycliques) : cycloalcanes, cycloalcènes, cycloalcynes.
    • Les molécules peuvent comprendre plusieurs cycles
      • soit liés par 2 atomes de carbone communs ; exemple : les cycloalcanes polycycliques
      • soit liés par 1 atome de carbone commun : les spiranes. 
    • Le cycle peut intégrer des atomes autres que le carbone (hétérocycle) 
    • Un cycle peut porter une ramification. Par exemple le méthylcyclohexane (C6H11CH3), servant de base pour la synthèse organique, solvant des éthers et cellulose, carburant pour l’aviation. Il peut agresser les voies respiratoires, le système nerveux central, la peau les yeux.

Si la structure aliphatique ou aromatique possède une ramification identifiée comme groupe fonctionnel (groupe d’atomes qui lui confère des propriétés chimiques distinctives) comme certains dérivés d’alcanes ou certains HAP par exemple, le COV impactera spécifiquement la qualité de l’air. On classe alors les COV dans une famille particulière:

  • COV halogénés, ex : chlorométhane CH₃Cl 
  • COV soufrés, ex : β-mercaptoéthanol C2H6OS, 
  • COV oxygénés dont des :
    • COV alcools, ex : éthylène glycol C2H6O; utilisé comme antigel, solvant, liquides de frein, colorants… Son inhalation provoque toux et céphalée, son ingestion douleurs abdominales, nausée
    • COV cétones, ex : acétone C3H6O, solvant utilisé pour l’industrie de la peinture, des laques, du caoutchouc, des matières plastiques… Très volatil il peut être inhalé en grande quantité lors d’une concentration importante dans l’air. Il peut pénétrer dans le sang via les poumons et diffuser dans tout le corps. Les symptômes vont de l’irritation du nez à la dépression du système nerveux central.
    • COV aldéhydes, ex : formaldéhyde CH2O émis de façon  plus ou moins importante dans tous les secteurs industriels et reconnu cancérigène.
    • COV éthers, ex : éthylène glycol nbutyl éther (EGBE) C6H14O2,
    • COV ester, ex : acétate de méthyle C3H6O2
  • COV nitrés, ex : nitroéthane C2H5NO2, irritant pour les voies respiratoires, il peut altérer le sang, provoquer des convulsions. 
  • COV aminés, ex aniline qui s’adsorbe facilement sur les vêtements de travail, murs, machines, plan de travail.

Plusieurs milliers de substance répondent à la définition de COV. Ils affectent la qualité de l’air de tous les secteurs industriels. Connaître leur nature permet de comprendre la manière dont ils réagissent avec les gaz et les poussières présents dans l’air d’un site industriel. On prendra ainsi les mesures de prévention adaptées à leur composition chimique, notamment en matière de captation à la source, filtration, traitement.

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