Πτητικές οργανικές ενώσεις (VOCs): Επιπτώσεις και διαχείριση στη βιομηχανία

Σε μια βιομηχανική εγκατάσταση, οι Πτητικές Οργανικές Ενώσεις, ΠΟΕ, αποτελούν μέρος των ρύπων του περιβάλλοντος αέρα, εσωτερικού και εξωτερικού. Ο όρος ΠΟΕ περιλαμβάνει πολλές χημικές ουσίες.

Το κοινό τους χαρακτηριστικό; Αποτελούνται από άνθρακα και υδρογόνο, και σε συνθήκες περιβάλλοντος, βρίσκονται είτε σε αέρια φάση, είτε σε υγρή φάση που εξατμίζεται εύκολα. Οι ΠΟΕ επηρεάζουν την ποιότητα του αέρα με συνέπειες στην ανθρώπινη υγεία, το περιβάλλον και την οικονομία. Συνεπώς, υπόκεινται σε επίσημο ορισμό σε ευρωπαϊκό επίπεδο που μεταφέρεται σε εθνικό επίπεδο. Η γνώση των φυσικοχημικών ιδιοτήτων των ΠΟΕ βοηθά στη λήψη κατάλληλων προληπτικών μέτρων. Ακολουθεί μια σύντομη επισκόπηση που θα σας εξοικειώσει με τις φυσικές και χημικές ιδιότητες των ΠΟΕ που επηρεάζουν την ποιότητα του αέρα.

Ρυθμιστικός ορισμός των πτητικών οργανικών ενώσεων

Στο άρθρο 2, §16 και §17 της οδηγίας 1999/13/ΕΚ του Συμβουλίου, της 11ης Μαρτίου 1999, για τον περιορισμό των εκπομπών πτητικών οργανικών ενώσεων που οφείλονται στηχρήση οργανικών διαλυτών σε ορισμένες δραστηριότητες και εγκαταστάσεις, δίδονται οι ακόλουθοι δύο ορισμοί:

Οργανική ένωση: “κάθε ένωση που, εκτός του μεθανίου, περιέχει άνθρακα και υδρογόνο, το οποίο μπορεί να αντικατασταθεί από άλλα άτομα όπως τα αλογόνα (π.χ. φθόριο, χλώριο, βρώμιο, ιώδιο), το οξυγόνο, το θείο, το άζωτο ή ο φώσφορος, εξαιρουμένων των οξειδίων του άνθρακα (π.χ.: CO₂) και των ανθρακικών (π.χ.: CO₃^2-) και όξινων ανθρακικών (π.χ.: HCO₃^–) ανόργανων. ”

Πτητική οργανική ένωση (VOC) : κάθε οργανική ένωση με πίεση ατμών 0,01 kPa ή περισσότερο σε θερμοκρασία 293,15 K(20°C) ή με αντίστοιχη πτητικότητα στις συγκεκριμένες συνθήκες χρήσης.

Η οδηγία μεταφέρθηκε στο γαλλικό δίκαιο στον κώδικα περιβάλλοντος άρθρο R224-48. Ορίζει μια ΠΟΕ ως “κάθε οργανική ένωση της οποίας το αρχικό σημείο βρασμού, μετρούμενο σε πρότυπη πίεση 101,3 kPa, είναι μικρότερο ή ίσο με 250°C.”

Πτητικές; Ναι, αλλά σε διαφορετικό βαθμό! Φυσική ταξινόμηση των ΠΟΕ

Για να κατανοήσουμε την έκταση των εκπομπών ΠΟΕ που υποβαθμίζουν την ποιότητα του περιβάλλοντος αέρα, επιδιώκουμε να γνωρίζουμε τη συγκέντρωσή τους. Για να το επιτύχουμε αυτό, βασιζόμαστε σε ένα φυσικό χαρακτηριστικό: την πτητικότητα.

Η πτητικότητα είναι η ικανότητα μιας ουσίας να εξατμίζεται σε θερμοκρασία και πίεση περιβάλλοντος.

Οι ΠΟΕ είναι πτητικές, αλλά σε διαφορετικό βαθμό. Καθώς η πτητικότητα μιας ΠΟΕ εξαρτάται από την πίεση ατμών της, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την πραγματική συγκέντρωση κορεσμού (σε μg.m^-3) ως κριτήριο ταξινόμησης. Επιπλέον, η πτητικότητα μειώνεται όταν αυξάνεται το μοριακό βάρος της ΠΟΕ. Μπορούμε επίσης να ταξινομήσουμε τις ΠΟΕ σύμφωνα με τον αριθμό των ατόμων άνθρακα στη δομή τους.

μεταβλητότητα προς μη μεταβλητότητα	αριθμός ατόμων άνθρακα	αποτελεσματική συγκέντρωση κορεσμού ????????
VOC Πολύ πτητικό έως πτητικό	nb C ≤ 11	???????? > 106 μg .m-3
VOC-IVolatility Intermediate	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 Μη πτητικό σε θερμοκρασία δωματίου (σωματίδιο)	nb C > 32	???????? < 10-1 μg.m-3

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι μη πτητικές οργανικές ενώσεις σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (NVOCC) εξατμίζονται υπό συγκεκριμένες συνθήκες χρήσης, που συνδέονται με βιομηχανικές διεργασίες, ή σε περίπτωση ατυχήματος (πυρκαγιά, έκρηξη).

Μια άλλη ταξινόμηση των πτητικών οργανικών ενώσεων χρησιμοποιεί ως κριτήριο τη θερμοκρασία βρασμού.

Μεταβλητότητα	Θερμοκρασία βρασμού
Εξαιρετικά πτητικό	< (50 – 100 °C)
Πτητικό	(50 – 100 °C) έως (240 – 260 °C)
Ημι-πτητικό	(240 – 260 °C) έως (380 – 400 °C)

VOCs και οσμές

Ορισμένες ΠΟΕ είναι άοσμες (βουτάνιο, προπάνιο). Άλλες ΠΟΕ μπορεί να έχουν λιγότερο ή περισσότερο χαρακτηριστική οσμή. Οι θειούχες ενώσεις, οι αμίνες, οι οξυγονούχες ενώσεις (κετόνες, αλδεΰδες), ορισμένες αρωματικές ενώσεις είναι ιδιαίτερα οσμηρές.

Ταξινόμηση των πτητικών οργανικών ενώσεων σύμφωνα με τη χημική τους δομή

Οι ΠΟΕ αποτελούν μια ευρεία κατηγορία χημικών ενώσεων, που παρουσιάζουν μεγάλη ποικιλία δομών και ιδιοτήτων. Είναι η κοινή τους επίδραση ως ρύποι του αέρα, του νερού και του εδάφους που τις ενώνει σε αυτή την κατηγορία. Ωστόσο, οι δομές τους, ιδιαίτερα η παρουσία ομάδων ατόμων εκτός των C και H, επηρεάζουν τις χημικές τους ιδιότητες, επομένως την ιδιαιτερότητα της τοξικότητάς τους για τον άνθρωπο και τη φύση, και κατά συνέπεια, τις οικονομικές επιπτώσεις που προκύπτουν.

Δομικά κριτήρια VOC

Οι πτητικές οργανικές ενώσεις διακρίνονται σύμφωνα με διάφορα μη αποκλειστικά δομικά κριτήρια, καθένα από τα οποία συμβάλλει στη φύση και το βαθμό των ρυπογόνων ιδιοτήτων τους:

• κυκλική(αλυσίδα ατόμων άνθρακα που κλείνει σε κύκλο) έναντι μη κυκλικής(μη κλειστή αλυσίδα άνθρακα, τα άτομα C συνδέονται μεταξύ τους με γραμμικό τρόπο),
• αρωματικά(μια ειδική εξαγωνική αλυσίδα άνθρακα που ονομάζεται δακτύλιος βενζολίου, αποτελούμενη από 6 άτομα άνθρακα συνδεδεμένα με ένα άτομο υδρογόνου το καθένα) έναντι μη αρωματικών(μια αλυσίδα χωρίς αυτή την ειδική διαμόρφωση),
• μονοκυκλικός(μια ενιαία κυκλική αλυσίδα άνθρακα) έναντι πολυκυκλικού(πολλοί πανομοιότυποι δακτύλιοι που συνδέονται με ένα ή δύο κοινά άτομα άνθρακα)
• ομοκυκλικός(δακτύλιος που σχηματίζεται αποκλειστικά από C) έναντι ετεροκυκλικού(δακτύλιος που περιέχει άνθρακα και άλλα άτομα που αντικαθιστούν τον άνθρακα),
• κορεσμένη (παρουσία μόνο απλών δεσμών άνθρακα) έναντι ακόρεστης (διπλοί ή τριπλοί δεσμοί άνθρακα). Ο ακόρεστος χαρακτήρας προσδίδει αυξημένη δραστικότητα στις ΠΟΕ, επηρεάζοντας την τοξικότητά τους. Οι αρωματικές δομές είναι όλες ακόρεστες.
• μη διακλαδισμένη έναντι διακλαδισμένης(η κύρια ανθρακική αλυσίδα έχει μία ή περισσότερες διακλαδώσεις που σχηματίζονται είτε μόνο από ομάδες ατόμων C και Η, είτε ενσωματώνοντας άλλα άτομα που τους προσδίδουν χαρακτηριστική αντιδραστικότητα [λειτουργική ομάδα]).

Ταξινόμηση των πτητικών οργανικών ενώσεων

Υπάρχουν δύο κύριες κατηγορίες πτητικών οργανικών ενώσεων: οι αρωματικές πτητικές ενώσεις και οι αλειφατικές (μη αρωματικές) πτητικές ενώσεις.

Οι αρωματικές ΠΟΕ έχουν ως βασικό σκελετό έναν δακτύλιο βενζολίου (= βενζολικός δακτύλιος). Χωρίζονται σε διάφορες υποκατηγορίες:

• Μονοκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες, συμπεριλαμβανομένων των ΒΤΕΧ (συντομογραφία για βενζόλιο, τολουόλιο, αιθυλοβενζόλιο, ξυλένιο), οι οποίοι είναι τοξικοί και οικοτοξικοί.
• οι Πολυκυκλικοί Αρωματικοί Υδρογονάνθρακες (ΠΑΥ) με καρκινογόνες ιδιότητες. Συντίθενται κατά τη δημιουργία ορυκτών καυσίμων (πετρέλαιο, άνθρακας) ή κατά την ατελή καύση οργανικής ύλης (θέρμανση με πετρέλαιο, δασικές πυρκαγιές, κλπ.).
• αρωματικές ετεροκυκλικές ενώσεις ή αρωματικοί ετεροκύκλοι, στους οποίους ένα ή περισσότερα άτομα C του βενζολικού δακτυλίου είναι υποκατεστημένα με άλλα άτομα (ή ομάδες ατόμων) όπως αυτά που αναφέρονται στον ορισμό ανωτέρω.

Οι αλειφατικές πτητικές οργανικές ενώσεις (= μη αρωματικές πτητικές ενώσεις) περιλαμβάνουν μόρια με :

• κορεσμένη: τα αλκάνια· παράδειγμα: το εξάνιο C₆H₁₄ που χρησιμοποιείται σε κόλλες, συγκολλητικά, απολιπαντικά υγρά, και υπάρχει στους ατμούς βενζίνης. Μπορεί να εισέλθει στον οργανισμό μέσω της αναπνευστικής οδού και του δέρματος. Οι επιδράσεις του μέσω εισπνοής κυμαίνονται από ζάλη έως απώλεια συνείδησης. Η επαφή με το δέρμα προκαλεί δερματίτιδα.
• insaturée aux propriétés plus polluantes :
  • τα αλκένια (διπλός δεσμός άνθρακα)· παράδειγμα: το αιθυλένιο C₂H₄ που απελευθερώνεται από τα περισσότερα φρούτα και λαχανικά ως παράγοντας ωρίμανσης, εκπέμπεται από τις εξατμίσεις, τα περονοφόρα προπανίου, τις πλαστικές σακούλες υπό την επίδραση του φωτός. Μπορεί να προκαλέσει μέσω εισπνοής ζάλη, κεφαλαλγία, απώλεια συνείδησης, και συμβάλλει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου.
  • τα αλκίνια (τριπλός δεσμός άνθρακα)· παράδειγμα: το αιθίνιο ή ακετυλένιο C₂H₂· εξαιρετικά εύφλεκτο και εκρηκτικό, χρησιμοποιείται ως καύσιμο για συγκόλληση ή σε ορισμένες συσκευές ανάλυσης.

Τα αλκάνια, τα αλκένια και τα αλκίνια ενσωματώνουν επίσης δομές :

• non-cycliques, les aliphatiques acycliques, qui sont constituées de chaînes :
  • είτε γραμμικές. Παράδειγμα n-εξάνιο.
  • ή διακλαδισμένα.
• cycliques (cycles non-aromatiques), les alicycliques (= aliphatiques cycliques) : cycloalcanes, cycloalcènes, cycloalcynes.
  • Τα μόρια μπορούν να περιλαμβάνουν διάφορους κύκλους
    • είτε συνδέονται με 2 κοινά άτομα άνθρακα- παράδειγμα: πολυκυκλικά κυκλοαλκάνια
    • ή συνδέονται με 1 κοινό άτομο άνθρακα: σπιράνια.
  • Ο δακτύλιος μπορεί να περιλαμβάνει και άλλα άτομα εκτός από άνθρακα (ετεροκύκλος)
  • Ένας δακτύλιος μπορεί να φέρει διακλάδωση. Για παράδειγμα το μεθυλοκυκλοεξάνιο (C6H11CH3), που χρησιμοποιείται ως βάση για οργανική σύνθεση, διαλύτης αιθέρων και κυτταρίνης, καύσιμο αεροσκαφών. Μπορεί να προσβάλει το αναπνευστικό σύστημα, το κεντρικό νευρικό σύστημα, το δέρμα και τα μάτια.

Εάν η αλειφατική ή αρωματική δομή έχει μια διακλάδωση που αναγνωρίζεται ως λειτουργική ομάδα (ομάδα ατόμων που της προσδίδει διακριτές χημικές ιδιότητες) όπως ορισμένα παράγωγα αλκανίων ή ορισμένοι ΠΑΥ για παράδειγμα, η ΠΟΕ θα επηρεάσει ειδικά την ποιότητα του αέρα. Τότε ταξινομούμε τις ΠΟΕ σε μια συγκεκριμένη οικογένεια:

• Αλογονωμένες πτητικές οργανικές ενώσεις, π.χ. χλωρομεθάνιο CH₃Cl
• Θειούχες ΠΟΕ, π.χ.: β-μερκαπτοαιθανόλη C₂H₆OS,
• COV oxygénés dont des :
  • ΠΟΕ αλκοολών, π.χ.: αιθυλενογλυκόλη C₂H₆O₂· χρησιμοποιείται ως αντιψυκτικό, διαλύτης, υγρά φρένων, χρωστικές… Η εισπνοή της προκαλεί βήχα και κεφαλαλγία, η κατάποσή της κοιλιακούς πόνους, ναυτία
  • ΠΟΕ κετονών, π.χ.: ακετόνη C₃H₆O, διαλύτης που χρησιμοποιείται στη βιομηχανία χρωμάτων, βερνικιών, καουτσούκ, πλαστικών υλών… Πολύ πτητική, μπορεί να εισπνευστεί σε μεγάλη ποσότητα όταν υπάρχει υψηλή συγκέντρωση στον αέρα. Μπορεί να εισέλθει στο αίμα μέσω των πνευμόνων και να διαχυθεί σε όλο το σώμα. Τα συμπτώματα κυμαίνονται από ερεθισμό της μύτης έως καταστολή του κεντρικού νευρικού συστήματος.
  • Αλδεΰδες VOC, π.χ. _CH2Oφορμαλδεΰδη, που εκπέμπονται σε μεγαλύτερο ή μικρότερο βαθμό σε όλους τους βιομηχανικούς τομείς και αναγνωρίζονται ως καρκινογόνα.
  • ΠΟΕ αιθέρων, π.χ.: αιθυλενογλυκόλη νβουτυλαιθέρας (EGBE) C₆H₁₄O₂,
  • ΠΟΕ εστέρων, π.χ.: οξικός μεθυλεστέρας C₃H₆O₂.
• Νιτρο-ΠΟΕ, π.χ.: νιτροαιθάνιο C₂H₅NO₂, ερεθιστικό για το αναπνευστικό σύστημα, μπορεί να αλλοιώσει το αίμα, να προκαλέσει σπασμούς.
• Αμινο-ΟΕ, όπως η ανιλίνη, οι οποίες προσροφώνται εύκολα στα ρούχα εργασίας, στους τοίχους, στα μηχανήματα και στις επιφάνειες εργασίας.

Χιλιάδες ουσίες ανταποκρίνονται στον ορισμό των ΠΟΕ. Επηρεάζουν την ποιότητα του αέρα σε όλους τους βιομηχανικούς τομείς. Η γνώση της φύσης τους επιτρέπει την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αντιδρούν με τα αέρια και τη σκόνη που υπάρχουν στον αέρα μιας βιομηχανικής εγκατάστασης. Έτσι θα λάβουμε τα κατάλληλα προληπτικά μέτρα ανάλογα με τη χημική τους σύσταση, ιδιαίτερα όσον αφορά τη δέσμευση στην πηγή, το φιλτράρισμα και την επεξεργασία.