Composti organici volatili (COV): impatti e gestione nell’industria

In un sito industriale, i Composti Organici Volatili (COV) fanno parte degli inquinanti dell’aria ambiente, sia all’interno che all’esterno. Il termine VOC copre un’ampia gamma di sostanze chimiche.

Cosa hanno in comune? Sono composti da carbonio e idrogeno e, in condizioni ambientali, si trovano in fase gassosa o in fase liquida che evapora facilmente. I COV hanno un impatto sulla qualità dell’aria, con conseguenze per la salute umana, l’ambiente e l’economia. Per questo motivo sono definiti ufficialmente a livello europeo e tradotti a livello nazionale. Conoscere le proprietà fisiche e chimiche dei COV ti aiuta a prendere le misure preventive adeguate. Ecco una rapida panoramica per familiarizzare con le caratteristiche fisiche e chimiche dei COV che hanno un impatto sulla qualità dell’aria.

Definizione normativa dei COV

L’articolo 2, paragrafi 16 e 17, della direttiva 1999/13/CE del Consiglio, dell’11 marzo 1999, sulla limitazione delle emissioni di composti organici volatili dovute all’uso di solventi organici in talune attività e in taluni impianti, contiene le due seguenti definizioni:

Composto organico: “qualsiasi composto che, ad eccezione del metano, contiene carbonio e idrogeno, che possono essere sostituiti da altri atomi come alogeni (ad esempio fluoro, cloro, bromo, iodio), ossigeno, zolfo, azoto o fosforo, ad eccezione degli ossidi di carbonio (ad esempio CO₂) e dei carbonati (Ad esempio: CO₃^2-) e bicarbonati(ad esempio HCO₃^–) . ”

Composto organico volatile (VOC) : qualsiasi composto organico con una pressione di vapore di 0,01 kPa o più alla temperatura di 293,15 K(20°C) o con una volatilità corrispondente nelle particolari condizioni d’uso.

La direttiva è stata recepita nel diritto francese dall’articolo R224-48 del Codice dell’Ambiente. La direttiva definisce un COV come “qualsiasi composto organico il cui punto di ebollizione iniziale, misurato a una pressione standard di 101,3 kPa, è inferiore o uguale a 250°C”.

Volano? Sì, ma più o meno! Classificazione fisica dei COV

Per capire l ‘entità delle emissioni di COV che influiscono sulla qualità dell’aria ambiente, dobbiamo conoscere la loro concentrazione. Per farlo, ci basiamo su una caratteristica fisica: la volatilità.

La volatilità è la capacità di una sostanza di evaporare a temperatura e pressione ambiente.

I COV sono volatili, ma più o meno volatili. Poiché la volatilità di un COV dipende dalla sua pressione di vapore, la concentrazione di saturazione effettiva ???????? (in µg^.m-3) può essere utilizzata come criterio di classificazione. La volatilità diminuisce anche all’aumentare del peso molecolare del COV. I COV possono essere classificati anche in base al numero di atomi di carbonio presenti nella loro struttura.

volatilità e non volatilità	numero di atomi di carbonio	concentrazione di saturazione effettiva ????????
VOC Da molto volatile a volatile	nb C ≤ 11	???????? > 106 μg .m-3
VOC-IVolatilità Intermedio	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 Non volatile a temperatura ambiente (particella)	nb C > 32	???????? < 10-1 μg.m-3

Va notato che i composti organici non volatili a temperatura ambiente (NVOCC) evaporano in particolari condizioni d’uso, legate a processi industriali o in caso di incidente (incendio, esplosione).

Un’altra classificazione dei COV adotta come criterio la temperatura di ebollizione.

Volatilità	Temperatura di ebollizione
Altamente volatile	< (50 – 100 °C)
Volatile	(50 – 100 °C) a (240 – 260 °C)
Semi-volatile	(240 – 260 °C) a (380 – 400 °C)

VOC e odori

Alcuni COV sono inodori (butano, propano). Altri COV possono avere un odore più o meno caratteristico. I composti dello zolfo, le ammine, i composti dell’ossigeno (chetoni, aldeidi) e alcuni composti aromatici sono particolarmente odorosi.

Classificazione dei COV in base alla loro struttura chimica

I COV sono una vasta classe di composti chimici, con un’ampia varietà di strutture e proprietà. Il loro impatto comune come inquinanti dell’aria, dell’acqua e del suolo li accomuna a questa classe. Tuttavia, le loro strutture, e in particolare la presenza di gruppi di atomi diversi da C e H, influenzano le loro proprietà chimiche e quindi la loro tossicità per l’uomo e la natura e di conseguenza il loro impatto economico.

Criteri strutturali VOC

I COV si distinguono in base a diversi criteri strutturali non esclusivi, ognuno dei quali contribuisce alla natura e al grado delle loro proprietà inquinanti:

• ciclico(catena di atomi di carbonio che si chiude in un cerchio) e non ciclico(catena di carbonio non chiusa, gli atomi di C si legano tra loro in modo lineare);
• aromatici(una specifica catena esagonale di carbonio chiamata anello benzenico, composta da 6 atomi di carbonio ciascuno legato a un atomo di idrogeno) e non aromatici(una catena priva di questa speciale configurazione);
• monociclico(un’unica catena ciclica di carbonio) contro policiclico(più anelli identici legati da uno o due atomi di carbonio in comune)
• omociclico(un anello formato esclusivamente da C) contro eterociclico(un anello contenente carbonio e altri atomi che sostituiscono il carbonio);
• saturi(presenza di soli legami di carbonio singoli) rispetto agli insaturi(legami di carbonio doppi o tripli). L’insaturazione rende i COV più reattivi, il che ha un impatto sulla loro tossicità. Le strutture aromatiche sono tutte insature.
• non ramificati o ramificati(la catena principale di carbonio ha uno o più rami formati da gruppi di soli atomi di C e H, oppure incorporando altri atomi che conferiscono loro una reattività caratteristica [gruppo funzionale]).

Classificazione dei COV

Esistono due categorie principali di COV: i COV aromatici e i COV alifatici (non aromatici).

I COV aromatici hanno come scheletro di base un anello di benzene. Possono essere suddivisi in diverse sottocategorie:

• Idrocarburi aromatici monociclici, compresi i BTEX (acronimo di Benzene, Toluene, Etilbenzene, Xilene), tutti tossici ed ecotossici.
• Idrocarburi policiclici aromatici (IPA), che hanno proprietà cancerogene. Vengono sintetizzati durante la formazione di combustibili fossili (petrolio, carbone) o durante la combustione incompleta di materia organica (riscaldamento del petrolio, incendi boschivi, ecc.).
• composti eterociclici aromatici, o eterocicli aromatici, in cui uno o più atomi di C dell’anello benzenico sono sostituiti da altri atomi (o gruppi di atomi) come quelli citati nella definizione precedente.

I COV alifatici (= COV non aromatici) comprendono molecole con un :

• saturi: alcani ; ad esempio, l’esano _C6H14 , utilizzato in colle, adesivi e liquidi sgrassanti, è presente nei vapori di benzina. Può entrare nel corpo attraverso le vie respiratorie e percutanee. Gli effetti dell’inalazione vanno dalle vertigini alla perdita di coscienza. Il contatto con la pelle provoca dermatiti.
• insaturée aux propriétés plus polluantes :
  • alcheni (doppio legame di carbonio); esempio: etilene _C2H4 rilasciato dalla maggior parte della frutta e della verdura come agente di maturazione, emesso dai tubi di scarico, dai carrelli elevatori alimentati a propano e dai sacchetti di plastica sotto l’azione della luce. Se inalato, può causare vertigini, mal di testa e perdita di coscienza e contribuisce all’effetto serra;
  • alchini (triplo legame di carbonio); esempio: etile o acetilene_C2H2; estremamente infiammabile ed esplosivo, viene utilizzato come combustibile per la saldatura o in alcune apparecchiature di analisi.

Anche gli alcani, gli alcheni e gli alchini incorporano strutture :

• non-cycliques, les aliphatiques acycliques, qui sont constituées de chaînes :
  • o lineare. Esempio: n-esano.
  • o ramificati.
• cycliques (cycles non-aromatiques), les alicycliques (= aliphatiques cycliques) : cycloalcanes, cycloalcènes, cycloalcynes.
  • Le molecole possono comprendere diversi cicli
    • o legati da 2 atomi di carbonio comuni; esempio: i cicloalcani policiclici
    • o legati da un atomo di carbonio comune: gli spirani.
  • L’anello può includere atomi diversi dal carbonio (eterociclo).
  • Un anello può essere ramificato. Ad esempio, il metilcicloesano _(C6H11CH3), utilizzato come base per la sintesi organica, come solvente per eteri e cellulosa e come carburante per l’aviazione. Può danneggiare le vie respiratorie, il sistema nervoso centrale, la pelle e gli occhi.

Se la struttura alifatica o aromatica ha un ramo identificato come gruppo funzionale (un gruppo di atomi che gli conferisce proprietà chimiche distintive), come alcuni derivati alcani o IPA, il COV avrà un impatto specifico sulla qualità dell’aria. I COV vengono quindi classificati in una particolare famiglia:

• COV alogenati, ad esempio clorometano CH₃Cl
• VOC contenenti zolfo, ad esempio β-mercaptoetanolo _C2H6OS,
• COV oxygénés dont des :
  • Alcoli VOC, ad esempio glicole etilenico _C2H6O2; utilizzati come antigelo, solventi, liquidi per freni, coloranti, ecc. L’inalazione provoca tosse e mal di testa, mentre l’ingestione provoca dolori addominali e nausea.
  • Chetoni VOC, ad esempio l’acetone _C3H6O, un solvente utilizzato nell’industria delle vernici, delle lacche, della gomma e della plastica, ecc. Altamente volatile, può essere inalato in grandi quantità quando la concentrazione nell’aria è elevata. Può entrare nel flusso sanguigno attraverso i polmoni e diffondersi in tutto il corpo. I sintomi vanno dall’irritazione nasale alla depressione del sistema nervoso centrale.
  • Aldeidi VOC, ad esempio la formaldeide _CH2O, emessa in misura maggiore o minore in tutti i settori industriali e riconosciuta come cancerogena.
  • Eteri VOC, ad esempio etilenglicole nbutil etere(EGBE) _C6H14O2,
  • Estere VOC, ad esempio acetato di metile _C3H6O2.
• I VOC nitro, ad esempio il nitroetano _C2H5NO2, sono irritanti per le vie respiratorie, possono alterare il sangue e causare convulsioni.
• I COV amminici, come l’anilina, che si adsorbono facilmente agli abiti da lavoro, alle pareti, alle macchine e alle superfici di lavoro.

Diverse migliaia di sostanze rientrano nella definizione di COV. Esse influiscono sulla qualità dell’aria in tutti i settori industriali. Sapere cosa sono ci permette di capire come reagiscono con i gas e le polveri presenti nell’aria di un sito industriale. È quindi possibile adottare misure preventive adeguate alla loro composizione chimica, in particolare in termini di cattura alla fonte, filtrazione e trattamento.