Flygtige organiske forbindelser (VOC): Konsekvenser og håndtering i industrien

På et industriområde er flygtige organiske forbindelser (VOC’er) en del af luftforureningen, både indendørs og udendørs. Udtrykket VOC dækker over en lang række kemiske stoffer.

Hvad har de til fælles? De består af kulstof og brint, og i omgivelserne er de enten i en gasfase eller i en flydende fase, der let fordamper. VOC’er har indflydelse på luftkvaliteten med konsekvenser for menneskers sundhed, miljøet og økonomien. De er derfor officielt defineret på europæisk plan og oversat til nationalt plan. Kendskab til VOC’ernes fysiske og kemiske egenskaber hjælper dig med at træffe passende forebyggende foranstaltninger. Her er et hurtigt overblik over de fysiske og kemiske egenskaber ved VOC’er, der har indflydelse på luftkvaliteten.

Lovgivningsmæssig definition af VOC’er

Artikel 2, §16 og §17 i Rådets direktiv 1999/13/EF af 11. marts 1999 om begrænsning af emissionen af flygtige organiske forbindelser fra anvendelse aforganiske opløsningsmidler i visse aktiviteter og anlæg indeholder følgende to definitioner:

Organisk forbindelse: “enhver forbindelse, der med undtagelse af metan indeholder kulstof og brint, som kan være erstattet af andre atomer som halogener (f.eks . fluor, klor, brom, jod), ilt, svovl, kvælstof eller fosfor, med undtagelse af kulstofoxider (f.eks . CO₂) og karbonater (f.eks.: CO₃^2-) og bikarbonater (f.eks. HCO₃^–)”.

Flygtig organisk forbindelse (VOC) : enhver organisk forbindelse med et damptryk på 0,01 kPa eller mere ved en temperatur på 293,15 K(20 °C) eller med en tilsvarende flygtighed under de særlige anvendelsesbetingelser.

Direktivet er blevet overført til fransk lovgivning i artikel R224-48 i miljølovgivningen. Det definerer en VOC som “enhver organisk forbindelse, hvis indledende kogepunkt, målt ved et standardtryk på 101,3 kPa, er mindre end eller lig med 250 °C”.

Flyver de? Ja, men mere eller mindre! Fysisk klassificering af VOC’er

For at forstå omfanget af VOC-emissioner, der påvirker luftkvaliteten, er vi nødt til at kende deres koncentration. Det gør vi ved hjælp af en fysisk egenskab: flygtighed.

Flygtighed er et stofs evne til at fordampe ved omgivelsernes temperatur og tryk.

VOC’er er flygtige, men mere eller mindre flygtige. Da flygtigheden af en VOC afhænger af dens damptryk, kan den effektive mætningskoncentration ???????? (i µg.^m-3) bruges som et klassificeringskriterium. Flygtigheden falder også, når VOC’ens molekylvægt stiger. VOC’er kan også klassificeres efter antallet af kulstofatomer i deres struktur.

volatilitet til ikke-volatilitet	Antal kulstofatomer	effektiv mætningskoncentration ????????
VOC Meget flygtig til flygtig	nb C ≤ 11	???????? > 106 μg .m-3
VOC-IVolatilitet Mellemliggende	12 ≤ nb C ≤ 18	103 μg.m-3 <???????? ≤106 μg.m-3
COSVSemi Volatil	18 < nb C ≤ 32	10-1 μg.m-3 <???????? ≤103 μg.m-3
CONV Ikke-flygtig ved stuetemperatur (partikel)	nb C > 32	???????? < 10-1 μg.m-3

Det skal bemærkes, at ikke-flygtige organiske forbindelser ved omgivelsestemperatur (NVOCC’er) vil fordampe under specifikke anvendelsesforhold, i forbindelse med industrielle processer eller i tilfælde af en ulykke (brand, eksplosion).

En anden klassificering af VOC’er bruger kogetemperatur som kriterium.

Volatilitet	Kogetemperatur
Meget flygtig	< (50 – 100 °C)
Flygtig	(50 – 100 °C) til (240 – 260 °C)
Semi-flygtig	(240 – 260 °C) til (380 – 400 °C)

VOC’er og lugte

Nogle VOC’er er lugtfri (butan, propan). Andre VOC’er kan have en mere eller mindre karakteristisk lugt. Svovlforbindelser, aminer, iltforbindelser (ketoner, aldehyder) og visse aromatiske forbindelser er særligt ildelugtende.

Klassificering af VOC’er i henhold til deres kemiske struktur

VOC’er er en stor klasse af kemiske forbindelser med en bred vifte af strukturer og egenskaber. Det er deres fælles indvirkning som luft-, vand- og jordforurenende stoffer, der samler dem i denne klasse. Men deres strukturer, og især tilstedeværelsen af andre atomgrupper end C og H, påvirker deres kemiske egenskaber og dermed deres toksicitet for mennesker og natur og dermed også deres økonomiske konsekvenser.

VOC-strukturelle kriterier

VOC’er inddeles efter flere ikke-eksklusive strukturelle kriterier, som hver især bidrager til arten og graden af deres forurenende egenskaber:

• cyklisk(kæde af kulstofatomer, der lukker sig i en cirkel) versus ikke-cyklisk(ikke-lukket kul stofkæde, C-atomerne kobles sammen på en lineær måde);
• aromatisk(en specifik sekskantet kulstofkæde kaldet benzenringen, der består af 6 kulstofatomer, som hver er forbundet med et brintatom) versus ikke-aromatisk (en kæde uden denne særlige konfiguration);
• monocyklisk (en enkelt cyklisk kulstofkæde) versus polycyklisk(flere identiske ringe forbundet med et eller to fælles kulstofatomer)
• homocyklisk (en ring, der udelukkende består af C) versus heterocyklisk (en ring, der indeholder kulstof og andre atomer, dererstatter kulstof);
• mættede(kun tilstedeværelse af enkelte kulstofbindinger) versus umættede(dobbelte eller tredobbelte kulstofbindinger). Umættethed gør VOC’er mere reaktive, hvilket har indflydelse på deres toksicitet. Aromatiske strukturer er alle umættede.
• uforgrenet versus forgrenet(hovedkulstofkæden har en eller flere forgreninger, der enten er dannet af grupper af C- og H-atomer alene eller indeholder andre atomer, som så giver dem en karakteristisk reaktivitet [funktionel gruppe]).

Klassificering af VOC’er

Der er to hovedkategorier af VOC’er: aromatiske VOC’er og alifatiske (ikke-aromatiske) VOC ‘er.

Aromatiske VOC’er har en benzenring som deres grundlæggende skelet. De kan opdeles i flere underkategorier:

• Monocykliske aromatiske kulbrinter, herunder BTEX (forkortelse for Benzen, Toluen, Ethylbenzen, Xylen), som alle er giftige og økotoksiske.
• Polycykliske aromatiske kulbrinter (PAH’er), som har kræftfremkaldende egenskaber. De syntetiseres under dannelsen af fossile brændstoffer (olie, kul) eller under ufuldstændig forbrænding af organisk materiale (oliefyring, skovbrande osv.).
• aromatiske heterocykliske forbindelser eller aromatiske heterocykler, hvor et eller flere C-atomer i benzenringen er substitueret med andre atomer (eller grupper af atomer) som dem, der er nævnt i definitionen ovenfor.

Alifatiske VOC’er (= ikke-aromatiske VOC’er) omfatter molekyler med en :

• Mættede: alkaner ; f.eks. findes hexan _C6H14 , som bruges i lim, klæbemidler og affedtningsvæsker, i benzindampe. Det kan komme ind i kroppen via luftvejene og perkutant. Virkningerne af indånding spænder fra svimmelhed til bevidstløshed. Hudkontakt forårsager dermatitis.
• insaturée aux propriétés plus polluantes :
  • alkener (dobbelt kulstofbinding); eksempel: ethylen _C2H4, der frigives af de fleste frugter og grøntsager som modningsmiddel, udsendes af udstødningsrør, propandrevne gaffeltrucks og plastikposer under påvirkning af lys. Ved indånding kan det forårsage svimmelhed, hovedpine og bevidstløshed, og det bidrager til drivhuseffekten;
  • alkyner (tredobbelt kulstofbinding); eksempel: ethyne eller acetylen_C2H2; ekstremt brandfarligt og eksplosivt, det bruges som brændstof til svejsning eller i visse analyseapparater.

Alkaner, alkener og alkyner indeholder også strukturer :

• non-cycliques, les aliphatiques acycliques, qui sont constituées de chaînes :
  • eller lineær. Eksempelvis n-hexan.
  • eller forgrenet.
• cycliques (cycles non-aromatiques), les alicycliques (= aliphatiques cycliques) : cycloalcanes, cycloalcènes, cycloalcynes.
  • Molekyler kan bestå af flere cyklusser
    • enten forbundet med 2 fælles kulstofatomer; eksempel: polycykliske cycloalkaner
    • eller forbundet med 1 fælles kulstofatom: spiraner.
  • Ringen kan indeholde andre atomer end kulstof (heterocykel)
  • En ring kan være forgrenet. For eksempel methylcyclohexan _(C6H11CH3), der bruges som base for organisk syntese, som opløsningsmiddel for ethere og cellulose og som flybrændstof. Det kan skade luftvejene, centralnervesystemet, huden og øjnene.

Hvis den alifatiske eller aromatiske struktur har en gren, der er identificeret som en funktionel gruppe (en gruppe atomer, der giver den særlige kemiske egenskaber), som f.eks. visse alkanderivater eller PAH’er, vil VOC’en have en specifik indvirkning på luftkvaliteten. VOC’er klassificeres derefter i en bestemt familie:

• Halogenerede VOC’er, f.eks. chlormethan CH₃Cl
• Svovlholdige VOC’er, f.eks. β-mercaptoethanol _C2H6OS,
• COV oxygénés dont des :
  • VOC-alkoholer, f.eks. ethylenglycol _C2H6O2; bruges som frostvæske, opløsningsmiddel, bremsevæske, farvestoffer osv. Indånding forårsager hoste og hovedpine, mens indtagelse forårsager mavesmerter og kvalme.
  • VOC-ketoner, f.eks. acetone _C3H6O, et opløsningsmiddel, der bruges i farve-, lak-, gummi- og plastindustrien osv. Det er meget flygtigt og kan indåndes i store mængder, når der er en høj koncentration i luften. Det kan komme ind i blodbanen via lungerne og spredes i hele kroppen. Symptomerne spænder fra næseirritation til depression af centralnervesystemet.
  • VOC-aldehyder, f.eks. _{CH2O-formaldehyd}, udledes i større eller mindre grad i alle industrisektorer og er anerkendt som kræftfremkaldende.
  • VOC-etere, f.eks. ethylenglykol-nbutylether(EGBE)_C6H14O2,
  • VOC-ester, f.eks. methylacetat _C3H6O2.
• Nitro-VOC’er, f.eks. nitroethan _C2H5NO2, irriterer luftvejene, kan ændre blodets sammensætning og forårsage kramper.
• Amino-VOC’er, som f.eks. anilin, der let adsorberes til arbejdstøj, vægge, maskiner og bordplader.

Flere tusinde stoffer opfylder definitionen af VOC‘er. De påvirker luftkvaliteten i alle industrisektorer. Når vi ved, hvad de er, kan vi forstå, hvordan de reagerer med gasser og støv i luften på et industriområde. Derefter kan man træffe forebyggende foranstaltninger, der er tilpasset deres kemiske sammensætning, især med hensyn til opsamling ved kilden, filtrering og behandling.