Flüchtige organische Verbindungen (VOCs): Auswirkungen und Management in der Industrie

An einem Industriestandort gehören flüchtige organische Verbindungen, VOCs, zu den Schadstoffen in der Umgebungsluft, sowohl in Innenräumen als auch im Freien. Unter dem Begriff VOC wird eine Vielzahl von chemischen Substanzen zusammengefasst.

Ihre Gemeinsamkeit? Sie bestehen aus Kohlenstoff und Wasserstoff und befinden sich bei Umgebungsbedingungen entweder in der Gasphase oder in einer flüssigen Phase, die leicht verdampft. VOCs beeinträchtigen die Luftqualität mit Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit, die Umwelt und die Wirtschaft. Sie sind daher Gegenstand einer offiziellen Definition auf europäischer Ebene, die auf nationaler Ebene übersetzt wurde. Die Kenntnis der physikalisch-chemischen Eigenschaften von VOCs hilft, die richtigen Präventionsmaßnahmen zu ergreifen. Hier ist ein kurzer Überblick, der Sie mit den physikalischen und chemischen Besonderheiten der VOCs vertraut macht, die sich auf die Luftqualität auswirken.

Regulatorische Definition von VOCs

Artikel 2 §16 und §17 der Richtlinie 1999/13/EG des Rates vom 11. März 1999 über die “ Begrenzung von Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen, die bei bestimmten Tätigkeiten und in bestimmten Anlagen bei derVerwendung organischer Lösungsmittel entstehen „, enthält die folgenden zwei Definitionen:

Organische Verbindung: „jede Verbindung, die mit Ausnahme von Methan Kohlenstoff und Wasserstoff enthält, der durch andere Atome wie Halogene substituiert sein kann (z. B. Fluor, Chlor, Brom, Jod), Sauerstoff, Schwefel, Stickstoff oder Phosphor, mit Ausnahme von Kohlenstoffoxiden (z.B.: CO ₂ ) und Karbonate (z.B.: CO ₃ ^2- ) und Bicarbonate(z.B. HCO ₃ ^– ) anorganisch. “

Flüchtige organische Verbindung (VOC) : Jede organische Verbindung mit einem Dampfdruck von 0,01 kPa oder mehr bei einer Temperatur von 293,15 K (20°C) oder mit einer entsprechenden Flüchtigkeit unter den jeweiligen Verwendungsbedingungen.

Die Richtlinie wurde in französisches Recht in Artikel R224-48 des Umweltgesetzbuches überführt. Er definiert eine VOC als „jede organische Verbindung mit einem Anfangssiedepunkt von 250°C oder weniger, gemessen bei einem Standarddruck von 101,3 kPa“.

Freiwillig? Ja, aber mehr oder weniger! Physikalische Klassifizierung von VOCs

Um das Ausmaß der VOC-Emissionen zu verstehen, die die Umgebungsluftqualität beeinträchtigen, wird deren Konzentration ermittelt. Dies geschieht anhand eines physikalischen Merkmals: der Volatilität.

Die Flüchtigkeit ist die Fähigkeit einer Substanz, bei Umgebungstemperatur und -druck zu verdampfen.

VOCs sind flüchtig, aber mehr oder weniger flüchtig. Da die Flüchtigkeit einer VOC von ihrem Dampfdruck abhängt, kann die effektive Sättigungskonzentration ???????? (in µg.^m-3) als Kriterium für die Klassifizierung verwendet werden. Außerdem nimmt die Flüchtigkeit mit steigendem Molekulargewicht der VOC ab. VOCs können auch nach der Anzahl der Kohlenstoffatome in ihrer Struktur klassifiziert werden.

Volatilität zu Nicht-Volatilität	Anzahl der Kohlenstoffatome	effektive Sättigungskonzentration ????????
VOC Sehr flüchtig bis flüchtig	nb C ≤ 11	???????? > 106 μg .m-3
VOC-IVolatilität Intermediär	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 Nicht flüchtig bei Raumtemperatur (Partikel)	nb C > 32	???????? < 10-1 μg.m-3

Beachten Sie, dass die bei Raumtemperatur nicht flüchtigen organischen Verbindungen (CONV) unter bestimmten Anwendungsbedingungen verdampfen, die mit industriellen Prozessen oder Unfällen (Feuer, Explosion) verbunden sind.

Eine andere Klassifizierung von VOCs berücksichtigt die Siedetemperatur als Kriterium.

Volatilität	Siedetemperatur
Sehr flüchtig	< (50 – 100 °C)
Flüchtig	(50 – 100 °C) bis (240 – 260 °C)
Halbflüchtige Stoffe	(240 – 260 °C) bis (380 – 400 °C)

VOCs und Gerüche

Einige VOCs sind geruchlos (Butan, Propan). Andere VOCs können einen mehr oder weniger charakteristischen Geruch haben. Schwefelverbindungen, Amine, Sauerstoffverbindungen (Ketone, Aldehyde), einige aromatische Verbindungen sind besonders geruchsintensiv.

Klassifizierung von VOCs nach ihrer chemischen Struktur

VOCs sind eine große Klasse von chemischen Verbindungen mit einer großen Vielfalt an Strukturen und Eigenschaften. Es ist ihre gemeinsame Wirkung als Luft-, Wasser- und Bodenverschmutzer, die sie in dieser Klasse zusammenführt. Ihre Strukturen, insbesondere das Vorhandensein von anderen Atomgruppen als C und H, beeinflussen jedoch ihre chemischen Eigenschaften und damit die Besonderheit ihrer Toxizität für Mensch und Natur und folglich auch die daraus resultierenden wirtschaftlichen Auswirkungen.

Strukturelle Kriterien für VOCs

Die Unterscheidung von VOCs erfolgt nach mehreren, sich nicht ausschließenden strukturellen Kriterien, die jeweils zur Art und zum Grad ihrer umweltschädigenden Eigenschaften beitragen:

• zyklisch (Kohlenstoffatomkette, die sich zu einem Ring schließt) versus nicht-zyklisch (nicht-geschlossene Kohlenstoffkette, die C-Atome reihen sich linear aneinander);
• Aromatisch(eine spezielle Kohlenstoffkette in hexagonaler Form, der sogenannte Benzolring, bestehend aus 6 Kohlenstoffatomen, die jeweils an ein Wasserstoffatom gebunden sind) versus nicht-aromatisch(eine Kette ohne diese spezielle Konfiguration);
• monozyklisch(eine einzige zyklischeKohlenstoffkette) versus polyzyklisch(mehrere identische Ringe, die durch ein oder zwei gemeinsame Kohlenstoffatome verbunden sind)
• homocyclisch(nur aus C gebildeter Ring) versus heterocyclisch(Ring mit Kohlenstoff und anderen Atomen, die den Kohlenstoff substituieren);
• gesättigt(nur einfache Kohlenstoffbindungen) versus ungesättigt(doppelte oder dreifache Kohlenstoffbindungen). Die Ungesättigtheit verleiht den VOCs eine erhöhte Reaktivität, was sich auf ihre Toxizität auswirkt. Die aromatischen Strukturen sind alle ungesättigt.
• unverzweigt versus verzweigt(die Hauptkohlenstoffkette weist eine oder mehrere Verzweigungen auf, die entweder nur aus C- und H-Atomen bestehen oder andere Atome enthalten, die ihnen eine charakteristische Reaktivität verleihen [funktionelle Gruppe]).

Klassifizierung von VOCs

Es gibt zwei Hauptkategorien von VOCs: aromatische VOCs und aliphatische (= nicht-aromatische) VOCs.

Aromatische VOCs haben als Grundgerüst einen Benzolring (= Benzolring). Sie sind in mehrere Unterkategorien unterteilt:

• Monocyclische aromatische Kohlenwasserstoffe, zu denen auch die BTEX (Abkürzung für Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylol) gehören, die alle giftig und ökotoxisch sind.
• Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) mit krebserregenden Eigenschaften. Sie werden bei der Bildung fossiler Energieträger (Erdöl, Kohle) oder bei der unvollständigen Verbrennung organischer Materialien (Heizöl, Waldbränden usw.) synthetisiert.
• heterocyclische aromatische Verbindungen oder aromatische Heterocyclen, bei denen ein oder mehrere C-Atome des Benzolrings durch andere Atome (oder Atomgruppen), wie in der obigen Definition genannt, substituiert sind.

Bei den aliphatischen VOCs (= nicht-aromatische VOCs) unterscheidet man zwischen Molekülen mit der Struktur :

• gesättigt: die Alkane ; Beispiel: Hexan C₆H₁₄ , das in Klebstoffen, Haftmitteln, Entfettungsflüssigkeiten verwendet wird und in Benzindämpfen enthalten ist. Es kann über die Atemwege und die Haut in den Körper eindringen. Die Inhalationswirkungen reichen von Schwindel bis zur Bewusstlosigkeit. Der Kontakt mit der Haut verursacht Dermatitis.
• insaturée aux propriétés plus polluantes :
  • die Alkene (Kohlenstoff-Doppelbindung); Beispiel: Ethylen C₂H₄, das von den meisten Obst- und Gemüsesorten als Reifemittel freigesetzt wird, von Auspuffanlagen, Propangasstaplern und Plastiktüten unter Lichteinwirkung emittiert wird. Es kann beim Einatmen zu Schwindel, Kopfschmerzen und Bewusstlosigkeit führen und trägt zum Treibhauseffekt bei;
  • Alkine (Kohlenstoff-Dreifachbindung); Beispiel: Ethin oder Acetylen_C2H2; extrem entzündlich und explosiv, wird als Brennstoff zum Schweißen oder in einigen Analysegeräten verwendet.

Alkane, Alkene und Alkine enthalten ebenfalls Strukturen:

• non-cycliques, les aliphatiques acycliques, qui sont constituées de chaînes :
  • oder linear. Beispiel n-Hexan.
  • oder verzweigt.
• cycliques (cycles non-aromatiques), les alicycliques (= aliphatiques cycliques) : cycloalcanes, cycloalcènes, cycloalcynes.
  • Moleküle können aus mehreren Ringen bestehen
    • oder durch zwei gemeinsame Kohlenstoffatome verbunden sind; Beispiel: polyzyklische Cycloalkane
    • oder durch ein gemeinsames Kohlenstoffatom verbunden sind: die Spirane.
  • Der Ring kann auch andere Atome als Kohlenstoff enthalten (Heterozyklus).
  • Ein Ring kann eine Verzweigung tragen. Zum Beispiel Methylcyclohexan (C₆H₁₁CH₃), das als Basis für die organische Synthese, als Lösungsmittel für Ether und Zellulose sowie als Flugzeugtreibstoff dient. Er kann die Atemwege, das zentrale Nervensystem, die Haut und die Augen angreifen.

Wenn die aliphatische oder aromatische Struktur eine Verzweigung aufweist, die als funktionelle Gruppe identifiziert wurde (eine Gruppe von Atomen, die dem Stoff bestimmte chemische Eigenschaften verleiht), wie z.B. bestimmte Alkanderivate oder PAK, wird die VOC einen spezifischen Einfluss auf die Luftqualität haben. VOCs werden dann in eine bestimmte Familie eingeordnet:

• Halogenierte VOCs, z.B. Chlormethan CH₃Cl
• Schwefelhaltige VOCs, z. B. β-Mercaptoethanol C₂H₆OS,
• COV oxygénés dont des :
  • Alkohol-VOCs, z. B. Ethylenglykol C₂H₆O₂ ; verwendet als Frostschutzmittel, Lösungsmittel, Bremsflüssigkeiten, Farbstoffe… Einatmen verursacht Husten und Kopfschmerzen, Verschlucken Bauchschmerzen und Übelkeit.
  • Keton-VOCs, z. B. Aceton C₃H₆O, Lösungsmittel, das in der Farben-, Lack-, Gummi- und Kunststoffindustrie verwendet wird… Es ist sehr flüchtig und kann bei einer hohen Konzentration in der Luft in großen Mengen eingeatmet werden. Es kann über die Lungen in den Blutkreislauf eindringen und sich im ganzen Körper verteilen. Die Symptome reichen von einer Reizung der Nase bis hin zu einer Depression des zentralen Nervensystems.
  • VOC Aldehyde, z.B. Formaldehyd _CH2O, das mehr oder weniger stark in allen Industriezweigen emittiert wird und als krebserregend gilt.
  • Ether-VOCs, z. B. Ethylenglykol-n-butylether (EGBE) C₆H₁₄O₂,
  • Ester-VOCs, z. B. Methylacetat C₃H₆O₂.
• Nitrierte VOCs, z. B. Nitroethan C₂H₅NO₂, reizt die Atemwege, kann das Blut schädigen und Krämpfe verursachen.
• Aminierte VOCs, z.B. Anilin, das leicht an Arbeitskleidung, Wände, Maschinen und Arbeitsflächen adsorbiert wird.

Mehrere tausend Stoffe fallen unter die Definition von VOCs. Sie beeinträchtigen die Luftqualität in allen Industriesektoren. Die Kenntnis ihrer Natur hilft zu verstehen, wie sie mit den Gasen und Stäuben in der Luft an einem Industriestandort reagieren. Es werden daher Präventionsmaßnahmen ergriffen, die auf die chemische Zusammensetzung abgestimmt sind, einschließlich der Erfassung an der Quelle, der Filterung und der Behandlung.