Hlapne organske spojine (HOS): vplivi in upravljanje v industriji

Na industrijskem območju so hlapne organske spojine, HOS, del onesnaževalcev zraka v okolju, tako notranjega kot zunanjega. Pod izrazom HOS združujemo številne kemične snovi.

Kaj jim je skupno? Sestavljene so iz ogljika in vodika in se v običajnih pogojih nahajajo bodisi v plinasti fazi bodisi v tekoči fazi, ki zlahka izhlapi. HOS vplivajo na kakovost zraka s posledicami za zdravje ljudi, okolje in gospodarstvo. Zato so predmet uradne opredelitve na evropski ravni, ki je prenesena v nacionalno zakonodajo. Poznavanje fizikalno-kemijskih lastnosti HOS pomaga pri sprejemanju ustreznih preventivnih ukrepov. Sledi kratek pregled, ki vas bo seznanil s fizikalnimi in kemijskimi značilnostmi HOS, ki vplivajo na kakovost zraka.

Regulativna opredelitev hlapnih organskih spojin

Člen 2, §16 in §17 Direktive Sveta 1999/13/ES z dne 11. marca 1999 o omejevanju emisij hlapnih organskih spojin zaradiuporabe organskih topil v nekaterih dejavnostih in obratih vsebuje naslednji dve opredelitvi:

Organska spojina: „vsaka spojina, ki, z izjemo metana, vsebuje ogljik in vodik, ki ju lahko nadomestijo drugi atomi, kot so halogeni (npr. fluor, klor, brom, jod), kisik, žveplo, dušik ali fosfor, z izjemo ogljikovih oksidov (npr. CO₂) in karbonatov (npr.: CO₃^2-) in bikarbonati (npr. HCO₃^–) . ”

Hlapna organska spojina (HOS) : katera koli organska spojina s parnim tlakom 0,01 kPa ali več pri temperaturi 293,15 K(20 °C) ali z ustrezno hlapnostjo v posebnih pogojih uporabe.

Direktiva je bila prenesena v francosko zakonodajo v okoljski zakonik, člen R224-48. HOS opredeljuje kot „vsako organsko spojino, katere začetno vrelišče, merjeno pri standardnem tlaku 101,3 kPa, je enako ali nižje od 250 °C.“

Hlapni? Da, vendar bolj ali manj! Fizikalna klasifikacija HOS

Da bi razumeli obseg emisij HOS, ki poslabšujejo kakovost zraka v okolju, poskušamo ugotoviti njihovo koncentracijo. Pri tem se opiramo na fizikalno značilnost: hlapnost.

Hlapljivost je sposobnost snovi, da pri temperaturi in tlaku okolice izhlapeva.

HOS so hlapne, vendar bolj ali manj hlapne. Ker je hlapnost HOS odvisna od njenega parnega tlaka, lahko uporabimo efektivno koncentracijo nasičenja ???????? (v µg.m^-3) kot kriterij za razvrstitev. Poleg tega se hlapnost zmanjšuje, ko se poveča molekulska masa HOS. HOS lahko razvrstimo tudi glede na število ogljikovih atomov v njihovi strukturi.

nestanovitnost do nestanovitnosti	število ogljikovih atomov	efektivna koncentracija nasičenja ????????
HOS Zelo hlapen do hlapen	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 Nehlapen pri sobni temperaturi (delci)	nb C > 32	???????? < 10-1 μg.m-3

Opozoriti je treba, da nehlapne organske spojine pri sobni temperaturi (NVOCC) izhlapijo pod posebnimi pogoji uporabe, povezanimi z industrijskimi procesi, ali v primeru nesreče (požar, eksplozija).

Pri drugi razvrstitvi hlapnih organskih spojin je merilo temperatura vrelišča.

Volatilnost	Temperatura vrelišča
Zelo hlapljiv	< (50 – 100 °C)
Hlapljivi	(50-100 °C) do (240-260 °C)
Polhlapni	(240-260 °C) do (380-400 °C)

hlapne organske spojine in vonjave

Nekatere HOS so brez vonja (butan, propan). Druge HOS imajo lahko bolj ali manj značilen vonj. Žveplove spojine, amini, kisikove spojine (ketoni, aldehidi), nekatere aromatske spojine so še posebej dišeče.

Razvrstitev hlapnih organskih spojin glede na njihovo kemijsko strukturo

HOS predstavljajo širok razred kemičnih spojin, ki kažejo veliko raznolikost struktur in lastnosti. V ta razred jih združuje njihov skupni vpliv kot onesnaževalcev zraka, vode in tal. Vendar pa njihove strukture, zlasti prisotnost atomskih skupin, ki niso C in H, vplivajo na njihove kemične lastnosti, torej na posebnost njihove toksičnosti za človeka in naravo; in posledično na ekonomske učinke, ki iz tega izhajajo.

Strukturna merila za hlapne organske spojine

Hlapne organske spojine se razlikujejo po več neizključujočih strukturnih merilih, od katerih vsako prispeva k naravi in stopnji njihovih onesnaževalnih lastnosti:

• ciklična(veriga ogljikovih atomov, sklenjena v krog) v primerjavi z neciklično(nezaključena ogljikova veriga, atomi C so med seboj povezani linearno);
• aromatske(posebna šestkotna ogljikova veriga, imenovana benzenov obroč, ki jo sestavlja 6 ogljikovih atomov, vsak povezan z vodikovim atomom) in nearomatske(veriga brez te posebne konfiguracije);
• monociklični(ena sama ciklična ogljikova veriga) in policiklični(več enakih obročev, povezanih z enim ali dvema skupinama ogljikovih atomov).
• homociklični(obroč, sestavljen samo iz C) in heterociklični(obroč, ki vsebuje ogljik in druge atome, ki nadomeščajo ogljik);
• nasičene (prisotnost samo enojnih ogljikovih vezi) proti nenasičenim (dvojne ali trojne ogljikove vezi). Nenasičenost poveča reaktivnost HOS, kar vpliva na njihovo toksičnost. Vse aromatske strukture so nenasičene.
• nerazvejana in razvejana(glavna ogljikova veriga ima eno ali več vej, ki jih tvorijo bodisi samo skupine atomov C in H bodisi drugi atomi, ki jim dajejo značilno reaktivnost [funkcionalno skupino]).

Razvrstitev hlapnih organskih spojin

Obstajata dve glavni kategoriji HOS: aromatske HOS in alifatske (nearomatske) HOS.

Aromatske HOS imajo kot osnovni skelet benzenski obroč (= benzenski prstan). Razdeljeni so v več podkategorij:

• Monociklični aromatski ogljikovodiki, vključno z BTEX (kratica za benzen, toluen, etilbenzen, ksilen), ki so vsi strupeni in ekotoksični.
• Policiklični aromatski ogljikovodiki (PAH) z rakotvornimi lastnostmi. Sintetizirajo se med nastajanjem fosilnih goriv (nafta, premog) ali med nepopolnim zgorevanjem organskih snovi (ogrevanje na kurilno olje, gozdni požari itd.).
• aromatske heterociklične spojine ali aromatski heterocikli, v katerih je eden ali več C-atomov benzenovega obroča zamenjan z drugimi atomi (ali skupinami atomov), kot so navedeni v zgornji opredelitvi.

Alifatske hlapne organske spojine (= nearomatske hlapne organske spojine) vključujejo molekule z :

• nasičene: alkani; primer: heksan C₆H₁₄, ki se uporablja v lepilih, adhezivih, razmaščevalnih tekočinah in je prisoten v bencinskih hlapih. V telo lahko vstopi skozi dihala in kožo. Njegovi učinki pri vdihavanju segajo od omotice do izgube zavesti. Stik s kožo povzroča dermatitis.
• insaturée aux propriétés plus polluantes :
  • alkeni (dvojna ogljikova vez); primer: etilen C₂H₄, ki ga večina sadja in zelenjave sprošča kot sredstvo za zorenje, oddajajo izpušne cevi, viličarji na propan, plastične vrečke pod vplivom svetlobe. Z vdihavanjem lahko povzroči omotico, glavobol, izgubo zavesti in prispeva k učinku tople grede;
  • alkini (trojna ogljikova vez); primer: etin ali acetilen_C2H2; izredno vnetljiv in eksploziven, uporablja se kot gorivo za varjenje ali v nekaterih analiznih napravah.

Alkani, alkeni in alkini imajo tudi strukture :

• non-cycliques, les aliphatiques acycliques, qui sont constituées de chaînes :
  • ali linearne. Primer n-heksan.
  • ali razvejane.
• cycliques (cycles non-aromatiques), les alicycliques (= aliphatiques cycliques) : cycloalcanes, cycloalcènes, cycloalcynes.
  • Molekule so lahko sestavljene iz več ciklov
    • povezani z dvema skupnima ogljikovima atomoma; primer: policiklični cikloalkani
    • ali povezani z enim skupnim ogljikovim atomom: spirani.
  • Obroč lahko vsebuje atome, ki niso ogljikovi (heterocikel)
  • Cikel lahko nosi razvejanost. Na primer metilcikloheksan (C6H11CH3), ki služi kot osnova za organsko sintezo, topilo za etre in celulozo, gorivo za letalstvo. Lahko draži dihala, centralni živčni sistem, kožo in oči.

Če ima alifatska ali aromatska struktura razvejanost, identificirano kot funkcionalno skupino (skupina atomov, ki ji daje značilne kemične lastnosti), kot so na primer nekateri derivati alkanov ali nekateri PAH, bo HOS specifično vplivala na kakovost zraka. HOS se nato razvrstijo v posebno družino:

• Halogenirane hlapne organske spojine, npr. klorometan CH₃Cl
• Žveplove HOS, npr.: β-merkaptoetanol C₂H₆OS,
• COV oxygénés dont des :
  • Alkoholne HOS, npr.: etilen glikol C₂H₆O₂; uporablja se kot antifriz, topilo, zavorne tekočine, barvila… Njegovo vdihavanje povzroča kašelj in glavobol, zaužitje pa bolečine v trebuhu, slabost.
  • Ketonske HOS, npr.: aceton C₃H₆O, topilo, ki se uporablja v industriji barv, lakov, gume, plastike… Zelo hlapen, lahko se vdihne v velikih količinah pri visoki koncentraciji v zraku. V kri lahko prodre skozi pljuča in se razširi po celem telesu. Simptomi segajo od draženja nosu do depresije centralnega živčnega sistema.
  • Aldehidi HOS, npr. formaldehid _CH2O, ki se v večji ali manjši meri sproščajo v vseh industrijskih sektorjih in so priznani kot rakotvorni.
  • Eterske HOS, npr.: etilen glikol n-butil eter (EGBE) C₆H₁₄O₂,
  • Esterske HOS, npr.: metil acetat C₃H₆O₂.
• Nitrirane HOS, npr.: nitroetan C₂H₅NO₂, draži dihala, lahko spremeni kri, povzroči krče.
• Aminokislinske hlapne organske spojine, kot je anilin, ki se zlahka adsorbirajo na delovna oblačila, stene, stroje in delovne površine.

Več tisoč snovi ustreza definiciji HOS. Vplivajo na kakovost zraka v vseh industrijskih sektorjih. Poznavanje njihove narave omogoča razumevanje, kako reagirajo s plini in prahom, prisotnimi v zraku industrijskega obrata. Tako se bodo sprejeli preventivni ukrepi, prilagojeni njihovi kemični sestavi, zlasti glede zajemanja pri viru, filtracije in obdelave.