Lotne związki organiczne (LZO): wpływ i zarządzanie w przemyśle

Na terenie przemysłowym Lotne Związki Organiczne, LZO, są częścią zanieczyszczeń powietrza, zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz. Pod pojęciem LZO kryje się wiele substancji chemicznych.

Co je łączy? Składają się z węgla i wodoru, a w warunkach otoczenia występują albo w fazie gazowej, albo w fazie ciekłej, która łatwo odparowuje. LZO wpływają na jakość powietrza, co ma konsekwencje dla zdrowia ludzkiego, środowiska i gospodarki. Dlatego są przedmiotem oficjalnej definicji na poziomie europejskim, przetłumaczonej na poziom krajowy. Znajomość właściwości fizykochemicznych LZO pomaga w podjęciu odpowiednich środków zapobiegawczych. Oto krótki przegląd, który zapozna Państwa z fizycznymi i chemicznymi właściwościami LZO wpływającymi na jakość powietrza.

Regulacyjna definicja lotnych związków organicznych

Artykuł 2, §16 i §17 Dyrektywy Rady 1999/13/WE z dnia 11 marca 1999 r. w sprawie ograniczenia emisji lotnych związków organicznych spowodowanejużyciem organicznych rozpuszczalników podczas niektórych czynności i w niektórych urządzeniach zawiera następujące dwie definicje:

Związek organiczny: „każdy związek, który, z wyłączeniem metanu, zawiera węgiel i wodór, które mogą być zastąpione przez inne atomy, takie jak halogeny (np. fluor, chlor, brom, jod), tlen, siarka, azot lub fosfor, z wyjątkiem tlenków węgla (np.: CO₂) i węglanów (np.: CO₃^2-) i wodorowęglany(np. HCO₃^–) . ”

Lotny związek organiczny (LZO) : dowolny związek organiczny o prężności par 0,01 kPa lub większej w temperaturze 293,15 K(20°C) lub o odpowiedniej lotności w szczególnych warunkach użytkowania.

Dyrektywa została przeniesiona do prawa francuskiego w kodeksie środowiskowym, artykuł R224-48. Określa LZO jako „każdy związek organiczny, którego początkowa temperatura wrzenia, mierzona przy standardowym ciśnieniu 101,3 kPa, jest niższa lub równa 250°C.”

Lotne? Tak, ale w różnym stopniu! Klasyfikacja fizyczna LZO

Aby zrozumieć skalę emisji LZO pogarszających jakość powietrza w otoczeniu, staramy się poznać ich stężenie. W tym celu opieramy się na charakterystyce fizycznej: lotności.

Lotność to zdolność substancji do parowania w temperaturze i ciśnieniu otoczenia.

LZO są lotne, ale w różnym stopniu. Ponieważ lotność LZO zależy od jego prężności par, można użyć efektywnego stężenia nasycenia ???????? (w µg.m^-3) jako kryterium klasyfikacji. Ponadto lotność maleje wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej LZO. Można również klasyfikować LZO według liczby atomów węgla w ich strukturze.

zmienność do braku zmienności	liczba atomów węgla	efektywne stężenie nasycenia ????????
VOC Bardzo lotne do lotnych	nb C ≤ 11	???????? > 106 μg .m-3
VOC-IV – zmienność pośrednia	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 Nielotny w temperaturze pokojowej (cząsteczka)	nb C > 32	???????? < 10-1 μg.m-3

Należy zauważyć, że nielotne związki organiczne w temperaturze otoczenia (NVOCC) będą parować w określonych warunkach użytkowania, związanych z procesami przemysłowymi lub w razie wypadku (pożar, wybuch).

Inna klasyfikacja lotnych związków organicznych jako kryterium przyjmuje temperaturę wrzenia.

Zmienność	Temperatura wrzenia
Wysoka lotność	< (50 – 100 °C)
Lotny	(50 – 100 °C) do (240 – 260 °C)
Półulotne	(240 – 260 °C) do (380 – 400 °C)

LZO i zapachy

Niektóre LZO są bezwonne (butan, propan). Inne LZO mogą mieć mniej lub bardziej charakterystyczny zapach. Związki siarki, aminy, związki tlenowe (ketony, aldehydy), niektóre związki aromatyczne są szczególnie zapachowe.

Klasyfikacja lotnych związków organicznych zgodnie z ich strukturą chemiczną

LZO stanowią szeroką klasę związków chemicznych, wykazujących dużą różnorodność struktur i właściwości. To ich wspólny wpływ jako zanieczyszczeń powietrza, wody i gleby łączy je w tej klasie. Jednak ich struktury, zwłaszcza obecność grup atomów innych niż C i H, wpływają na ich właściwości chemiczne, a tym samym na specyfikę ich toksyczności dla człowieka i natury; a w konsekwencji na wynikające z tego skutki ekonomiczne.

Kryteria strukturalne LZO

LZO są rozróżniane według kilku niewykluczających się kryteriów strukturalnych, z których każde przyczynia się do charakteru i stopnia ich właściwości zanieczyszczających:

• cykliczny(łańcuch atomów węgla zamykający się w okręgu) kontra niecykliczny(niezamknięty łańcuch węglowy, atomy C łączą się ze sobą liniowo);
• aromatyczne(specyficzny sześciokątny łańcuch węglowy zwany pierścieniem benzenowym, składający się z 6 atomów węgla, z których każdy jest połączony z atomem wodoru) w porównaniu z niearomatycznymi(łańcuch bez tej specjalnej konfiguracji);
• monocykliczny(pojedynczy cykliczny łańcuch węglowy) kontra policykliczny(kilka identycznych pierścieni połączonych jednym lub dwoma atomami węgla)
• homocykliczny(pierścień utworzony wyłącznie z C) kontra heterocykliczny(pierścień zawierający węgiel i inne atomy zastępujące węgiel);
• nasycone (obecność tylko pojedynczych wiązań węglowych) versus nienasycone (podwójne lub potrójne wiązania węglowe). Nienasycenie nadaje LZO zwiększoną reaktywność, co wpływa na ich toksyczność. Struktury aromatyczne są zawsze nienasycone.
• nierozgałęzione kontra rozgałęzione(główny łańcuch węglowy ma jedno lub więcej rozgałęzień utworzonych z samych grup atomów C i H lub zawierających inne atomy, które następnie nadają im charakterystyczną reaktywność [grupę funkcyjną]).

Klasyfikacja lotnych związków organicznych

Istnieją dwie główne kategorie LZO: aromatyczne LZO i alifatyczne (niearomatyczne) LZO.

LZO aromatyczne posiadają jako podstawowy szkielet pierścień benzenowy (= pierścień benzenowy). Dzielą się na kilka podkategorii:

• Monocykliczne węglowodory aromatyczne, w tym BTEX (skrót od benzen, toluen, etylobenzen, ksylen), z których wszystkie są toksyczne i ekotoksyczne.
• Wielopierścieniowe Węglowodory Aromatyczne (WWA) o właściwościach rakotwórczych. Są one syntetyzowane podczas tworzenia się paliw kopalnych (ropa naftowa, węgiel) lub podczas niekompletnego spalania materii organicznej (ogrzewanie olejem opałowym, pożary lasów, itp.).
• aromatyczne związki heterocykliczne lub aromatyczne heterocykle, w których jeden lub więcej atomów C pierścienia benzenowego jest podstawionych innymi atomami (lub grupami atomów), takimi jak te wymienione w powyższej definicji.

Alifatyczne lotne związki organiczne (= niearomatyczne lotne związki organiczne) obejmują cząsteczki o :

• nasycone: alkany; przykład: heksan C₆H₁₄, który jest używany w klejach, środkach odtłuszczających, występuje w oparach benzyny. Może przenikać do organizmu drogą oddechową i przez skórę. Jego skutki przy wdychaniu wahają się od zawrotów głowy do utraty przytomności. Kontakt ze skórą powoduje zapalenie skóry.
• insaturée aux propriétés plus polluantes :
  • alkeny (podwójne wiązanie węglowe); przykład: etylen C₂H₄ uwalniany przez większość owoców i warzyw jako czynnik dojrzewania, emitowany przez rury wydechowe, wózki widłowe na propan, plastikowe torby pod wpływem światła. Może powodować zawroty głowy, ból głowy, utratę przytomności przy wdychaniu i przyczynia się do efektu cieplarnianego;
  • alkiny (potrójne wiązanie węglowe); przykład: etyn lub acetylen_C2H2; niezwykle łatwopalny i wybuchowy, jest używany jako paliwo do spawania lub w niektórych urządzeniach analitycznych.

Alkany, alkeny i alkiny również zawierają struktury:

• non-cycliques, les aliphatiques acycliques, qui sont constituées de chaînes :
  • albo liniowe. Przykład n-heksan.
  • lub rozgałęzione.
• cycliques (cycles non-aromatiques), les alicycliques (= aliphatiques cycliques) : cycloalcanes, cycloalcènes, cycloalcynes.
  • Cząsteczki mogą składać się z kilku cykli
    • połączone przez 2 wspólne atomy węgla; przykład: policykliczne cykloalkany
    • lub połączone 1 wspólnym atomem węgla: spirany.
  • Pierścień może zawierać atomy inne niż węgiel (heterocykl)
  • Pierścień może mieć rozgałęzienie. Na przykład metylocykloheksan (C6H11CH3), służący jako baza do syntezy organicznej, rozpuszczalnik eterów i celulozy, paliwo lotnicze. Może atakować drogi oddechowe, ośrodkowy układ nerwowy, skórę i oczy.

Jeśli struktura alifatyczna lub aromatyczna posiada rozgałęzienie zidentyfikowane jako grupa funkcyjna (grupa atomów, która nadaje jej charakterystyczne właściwości chemiczne), jak niektóre pochodne alkanów lub niektóre WWA na przykład, LZO będzie miał specyficzny wpływ na jakość powietrza. Klasyfikujemy wtedy LZO do konkretnej rodziny:

• Fluorowcowane lotne związki organiczne, np. chlorometan CH₃Cl
• LZO siarkowe, np.: β-merkaptoetanol C₂H₆OS,
• COV oxygénés dont des :
  • LZO alkohole, np.: glikol etylenowy C₂H₆O₂; używany jako środek przeciw zamarzaniu, rozpuszczalnik, płyn hamulcowy, barwniki… Jego wdychanie powoduje kaszel i ból głowy, a spożycie bóle brzucha, nudności
  • LZO ketony, np.: aceton C₃H₆O, rozpuszczalnik używany w przemyśle farb, lakierów, gumy, tworzyw sztucznych… Bardzo lotny, może być wdychany w dużych ilościach przy wysokim stężeniu w powietrzu. Może przenikać do krwi przez płuca i rozprzestrzeniać się w całym ciele. Objawy wahają się od podrażnienia nosa do depresji ośrodkowego układu nerwowego.
  • VOC aldehydy, np. _CH2Oformaldehyd, emitowane w mniejszym lub większym stopniu we wszystkich sektorach przemysłu i uznawane za rakotwórcze.
  • LZO etery, np.: eter butylowy glikolu etylenowego (EGBE) C₆H₁₄O₂,
  • LZO estry, np.: octan metylu C₃H₆O₂.
• LZO nitrowe, np.: nitroetan C₂H₅NO₂, drażniący dla dróg oddechowych, może zmieniać skład krwi, powodować drgawki.
• Aminowe LZO, takie jak anilina, które łatwo adsorbują się na odzieży roboczej, ścianach, maszynach i powierzchniach roboczych.

Kilka tysięcy substancji odpowiada definicji LZO. Wpływają one na jakość powietrza we wszystkich sektorach przemysłowych. Znajomość ich natury pozwala zrozumieć, w jaki sposób reagują z gazami i pyłami obecnymi w powietrzu na terenie przemysłowym. W ten sposób podejmie się środki zapobiegawcze dostosowane do ich składu chemicznego, szczególnie w zakresie wychwytywania u źródła, filtracji i oczyszczania.