Compuesto orgánico volátil - Volatile organic compound

Los compuestos orgánicos volátiles ( COV ) son sustancias químicas orgánicas que tienen una alta presión de vapor a temperatura ambiente . La presión de vapor alta se correlaciona con un punto de ebullición bajo , que se relaciona con el número de moléculas de la muestra en el aire circundante, un rasgo conocido como volatilidad .

Los COV son responsables del olor de los aromas y perfumes , así como de los contaminantes . Los COV desempeñan un papel importante en la comunicación entre animales y plantas, por ejemplo, atrayentes para polinizadores, protección contra la depredación e incluso interacciones entre plantas. Algunos COV son peligrosos para la salud humana o causan daños al medio ambiente . Los COV antropogénicos están regulados por ley, especialmente en interiores, donde las concentraciones son las más altas. La mayoría de los COV no son extremadamente tóxicos , pero pueden tener efectos crónicos sobre la salud a largo plazo.

Definiciones

Se utilizan diversas definiciones del término COV.

Canadá

Health Canada clasifica los COV como compuestos orgánicos que tienen puntos de ebullición aproximadamente en el rango de 50 a 250 ° C (122 a 482 ° F). Se hace hincapié en los COV que se encuentran comúnmente y que tendrían un efecto en la calidad del aire.

unión Europea

La Unión Europea define un COV como "cualquier compuesto orgánico que tenga un punto de ebullición inicial menor o igual a 250 ° C (482 ° F) medido a una presión atmosférica estándar de 101,3 kPa". La Directiva sobre emisiones de disolventes de COV es el principal instrumento de política para la reducción de las emisiones industriales de compuestos orgánicos volátiles (COV) en la Unión Europea. Cubre una amplia gama de actividades que utilizan disolventes, por ejemplo, impresión, limpieza de superficies, revestimiento de vehículos, limpieza en seco y fabricación de calzado y productos farmacéuticos. La Directiva sobre emisiones de disolventes de COV exige que las instalaciones en las que se apliquen dichas actividades cumplan con los valores límite de emisión establecidos en la Directiva o con los requisitos del denominado sistema de reducción. El artículo 13 de la Directiva sobre pinturas, aprobada en 2004, modificó la Directiva original sobre emisiones de disolventes de COV y limita el uso de disolventes orgánicos en pinturas y barnices decorativos y en productos de acabado de vehículos. La Directiva sobre pinturas establece valores límite máximos de contenido de COV para pinturas y barnices en determinadas aplicaciones.

porcelana

La República Popular de China define un COV como aquellos compuestos que se han "originado en automóviles, producción industrial y uso civil, quema de todo tipo de combustibles, almacenamiento y transporte de aceites, acabado de mobiliario, revestimiento para muebles y máquinas, vapores de aceite de cocina y partículas finas (PM 2,5) "y fuentes similares. El Plan de acción de tres años para ganar la guerra de defensa del cielo azul publicado por el Consejo de Estado en julio de 2018 crea un plan de acción para reducir las emisiones de COV de 2015 en un 10% para 2020.

India

La Junta Central de Control de la Contaminación de la India publicó la Ley del Aire (Prevención y Control de la Contaminación) en 1981, enmendada en 1987, para abordar las preocupaciones sobre la contaminación del aire en la India . Si bien el documento no distingue entre COV y otros contaminantes del aire, el CPCB monitorea "óxidos de nitrógeno (NO x ), dióxido de azufre (SO 2 ), partículas finas (PM10) y partículas suspendidas (SPM)".

Estados Unidos

Los oxidantes térmicos brindan una opción de reducción de la contaminación del aire para los COV de los flujos de aire industriales. Un oxidante térmico es un dispositivo aprobado por la EPA para tratar los COV.

Las definiciones de COV utilizadas para el control de precursores del smog fotoquímico utilizadas por la Agencia de Protección Ambiental de los EE. UU. (EPA) y las agencias estatales en los EE. UU. Con regulaciones independientes de contaminación del aire exterior incluyen exenciones para los COV que se determina que no son reactivos o de baja contaminación. -reactividad en el proceso de formación de smog. Destaca la regulación de VOC emitida por el Distrito de Gestión de la Calidad del Aire de la Costa Sur en California y por la Junta de Recursos del Aire de California (CARB). Sin embargo, este uso específico del término COV puede ser engañoso, especialmente cuando se aplica a la calidad del aire interior porque muchos productos químicos que no están regulados como contaminación del aire exterior pueden ser importantes para la contaminación del aire interior.

La CARB de California usa el término "gases orgánicos reactivos" (ROG) para medir gases orgánicos después de una audiencia pública en septiembre de 1995. La CARB revisó la definición de "Compuestos orgánicos volátiles" utilizada en las regulaciones de productos de consumo, basándose en los hallazgos de su comité.

Además del agua potable, los COV están regulados en las descargas de contaminantes a las aguas superficiales (tanto directamente como a través de plantas de tratamiento de aguas residuales) como desechos peligrosos, pero no en el aire interior no industrial. La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) regula la exposición a COV en el lugar de trabajo. Los compuestos orgánicos volátiles que están clasificados como materiales peligrosos están regulados por la Administración de Seguridad de Tuberías y Materiales Peligrosos mientras se transportan.

COV generados biológicamente

El limoneno , un COV biogénico común, es emitido especialmente por los pinos.

La mayoría de los COV en la atmósfera terrestre son biogénicos, emitidos en gran parte por las plantas.

Principales compuestos orgánicos volátiles biogénicos
compuesto contribución relativa cantidad emitida (Tg / a)
isopreno 62,2% 594 ± 34
terpenos 10,9% 95 ± 3
isómeros de pineno 5,6% 48,7 ± 0,8
sesquiterpenos 2,4% 20 ± 1
metanol 6,4% 130 ± 4

Los compuestos orgánicos volátiles biogénicos (BVOC) abarcan los COV emitidos por plantas, animales o microorganismos, y aunque son extremadamente diversos, son más comúnmente terpenoides , alcoholes y carbonilos (generalmente no se consideran el metano y el monóxido de carbono). Sin contar el metano , las fuentes biológicas emiten un estimado de 760 teragramos de carbono por año en forma de COV. La mayoría de los COV son producidos por plantas, siendo el compuesto principal el isopreno . Los animales y los microbios producen pequeñas cantidades de COV. Muchos COV se consideran metabolitos secundarios , que a menudo ayudan a los organismos en la defensa, como la defensa de las plantas contra la herbivoría . El fuerte olor que emiten muchas plantas consiste en volátiles de hojas verdes , un subconjunto de COV. Aunque está destinado a que los organismos cercanos los detecten y respondan, estos volátiles se pueden detectar y comunicar a través de la transmisión electrónica inalámbrica, mediante la incorporación de nanosensores y transmisores de infrarrojos en los propios materiales vegetales.

Las emisiones se ven afectadas por una variedad de factores, como la temperatura, que determina las tasas de volatilización y crecimiento, y la luz solar, que determina las tasas de biosíntesis . La emisión ocurre casi exclusivamente de las hojas, los estomas en particular. Los COV emitidos por los bosques terrestres a menudo son oxidados por radicales hidroxilo en la atmósfera; En ausencia de contaminantes NO x , la fotoquímica de COV recicla los radicales hidroxilo para crear un equilibrio biosfera-atmósfera sostenible. Debido a los recientes desarrollos del cambio climático, como el calentamiento y una mayor radiación ultravioleta, generalmente se predice que las emisiones de BVOC aumentarán, alterando así la interacción biosfera-atmósfera y dañando los principales ecosistemas. Una clase importante de COV son los terpenos , como el mirceno . Proporcionando una sensación de escala, se estima que un bosque de 62.000 km 2 de superficie (el estado estadounidense de Pensilvania) emite 3.400.000 kilogramos de terpenos en un día típico de agosto durante la temporada de crecimiento. La inducción de genes que producen compuestos orgánicos volátiles y el consiguiente aumento de terpenos volátiles se ha logrado en el maíz utilizando (Z) -3-hexen-1-ol y otras hormonas vegetales.

Las pinturas y revestimientos son una de las principales fuentes antropogénicas de COV.

Fuentes antropogénicas

El manejo de combustibles a base de petróleo es una fuente importante de COV.

Las fuentes antropogénicas emiten alrededor de 142 teragramos (1,42 × 10 11 kg) de carbono por año en forma de COV.

La principal fuente de compuestos orgánicos volátiles artificiales son:

  • combustible fósil uso y la producción, por ejemplo de forma incompleta queman combustibles fósiles o la evaporación no deseada de los combustibles. El COV más frecuente es el etano , un compuesto relativamente inerte.
  • solventes usados ​​en revestimientos, pinturas y tintas. Aproximadamente 12 mil millones de litros de pinturas se producen anualmente. Los disolventes típicos son hidrocarburos alifáticos , acetato de etilo , éteres de glicol y acetona . Motivadas por los costos, las preocupaciones ambientales y la regulación, las industrias de pinturas y revestimientos están cambiando cada vez más hacia los solventes acuosos .
  • Se estima que los productos en aerosol comprimidos, principalmente butano y propano , contribuyen con 1.300 millones de toneladas de emisiones de COV por año en todo el mundo.
  • Uso de biocombustibles , por ejemplo, aceites de cocina en Asia y bioetanol en Brasil.
  • La combustión de biomasa, especialmente de las selvas tropicales. Aunque, en principio, la combustión produce dióxido de carbono y agua, la combustión incompleta produce una variedad de COV.

COV de interior

Las concentraciones de COV en el aire interior pueden ser de 2 a 5 veces mayores que en el aire exterior, a veces mucho mayores. Durante ciertas actividades, los niveles de COV en interiores pueden llegar a ser 1000 veces mayores que los del aire exterior. Los estudios han demostrado que las emisiones de especies de COV individuales no son tan altas en un ambiente interior, pero la concentración total de todos los COV (COV) en el interior puede ser hasta cinco veces mayor que la de los niveles al aire libre. Los edificios nuevos experimentan niveles particularmente altos de emisión de gases de COV en el interior debido a los abundantes materiales nuevos (materiales de construcción, accesorios, revestimientos de superficies y tratamientos como pegamentos, pinturas y selladores) expuestos al aire interior, que emiten múltiples gases de COV. Esta liberación de gases tiene una tendencia de desintegración multi-exponencial que se percibe durante al menos 2 años, con los compuestos más volátiles que se desintegran con una constante de tiempo de unos pocos días, y los compuestos menos volátiles se desintegran con una constante de tiempo de unos pocos. años. Los edificios nuevos pueden requerir una ventilación intensiva durante los primeros meses o una estrategia de horneado . Los edificios existentes pueden reponerse con nuevas fuentes de COV, como muebles nuevos, productos de consumo y redecoración de superficies interiores, todo lo cual conduce a una emisión de fondo continua de TVOC, lo que requiere una mejor ventilación.

Numerosos estudios muestran fuertes variaciones estacionales en las emisiones de COV en interiores, con tasas de emisión que aumentan en verano. Esto se debe en gran parte a la velocidad de difusión de las especies de COV a través de los materiales hacia la superficie, que aumenta con la temperatura. La mayoría de los estudios han demostrado que esto conduce a concentraciones generalmente más altas de TVOC en interiores en verano.

Medidas de la calidad del aire interior

La medición de COV del aire interior se realiza con tubos de sorción, por ejemplo, Tenax (para COV y SVOC) o cartuchos DNPH (para compuestos de carbonilo) o detector de aire. Los COV se adsorben en estos materiales y luego se desorben térmicamente (Tenax) o por elución (DNPH) y luego se analizan por GC-MS / FID o HPLC . Se requieren mezclas de gases de referencia para el control de calidad de estas mediciones de COV. Además, los productos que emiten COV utilizados en interiores, por ejemplo, productos de construcción y muebles, se investigan en cámaras de prueba de emisiones en condiciones climáticas controladas. Para el control de calidad de estas mediciones, se llevan a cabo pruebas rotativas, por lo que lo ideal es que se requieran materiales de referencia que emitan de manera reproducible. Otros métodos han utilizado botes de silcosteel con entradas de flujo constante para recolectar muestras durante varios días. Estos métodos no están limitados por las propiedades de adsorción de materiales como Tenax.

Regulación de las emisiones de COV en interiores

En la mayoría de los países, se utiliza una definición separada de COV con respecto a la calidad del aire interior que comprende cada compuesto químico orgánico que se puede medir de la siguiente manera: adsorción del aire en Tenax TA, desorción térmica, separación por cromatografía de gases en una columna 100% no polar ( dimetilpolisiloxano ). Los VOC (compuestos orgánicos volátiles) son todos los compuestos que aparecen en el cromatograma de gases entre el n -hexano y el n -hexadecano inclusive . Los compuestos que aparecen antes se denominan VVOC (compuestos orgánicos muy volátiles); Los compuestos que aparecen más tarde se denominan SVOC (compuestos orgánicos semivolátiles).

Francia , Alemania (AgBB / DIBt), Bélgica , Noruega (regulación TEK) e Italia (CAM Edilizia) han promulgado regulaciones para limitar las emisiones de COV de productos comerciales. La industria europea ha desarrollado numerosas ecoetiquetas y sistemas de clasificación voluntarios, como EMICODE , M1, Blue Angel , GuT (revestimientos textiles para suelos), Nordic Swan Ecolabel, EU Ecolabel y Indoor Air Comfort . En los Estados Unidos , existen varios estándares; La sección 01350 del estándar CDPH de California es la más común. Estas regulaciones y estándares cambiaron el mercado, dando lugar a un número cada vez mayor de productos de bajas emisiones.

Riesgos de salud

Los efectos respiratorios , alérgicos o inmunológicos en bebés o niños están asociados con COV artificiales y otros contaminantes del aire en interiores o exteriores.

Algunos COV, como el estireno y el limoneno , pueden reaccionar con óxidos de nitrógeno o con ozono para producir nuevos productos de oxidación y aerosoles secundarios, que pueden causar síntomas de irritación sensorial. Los COV contribuyen a la formación de ozono troposférico y smog .

Los efectos sobre la salud incluyen irritación de ojos, nariz y garganta ; dolores de cabeza , pérdida de coordinación, náuseas ; y daño al hígado , riñón y sistema nervioso central . Algunos orgánicos pueden causar cáncer en animales; se sospecha o se sabe que algunos causan cáncer en humanos. Los signos o síntomas clave asociados con la exposición a los COV incluyen irritación conjuntival, molestias en la nariz y la garganta, dolor de cabeza, reacción alérgica en la piel, disnea , disminución de los niveles de colinesterasa sérica, náuseas, vómitos, hemorragia nasal, fatiga, mareos.

La capacidad de los productos químicos orgánicos para causar efectos en la salud varía mucho, desde aquellos que son altamente tóxicos hasta aquellos sin efectos conocidos para la salud. Al igual que con otros contaminantes, el alcance y la naturaleza del efecto sobre la salud dependerán de muchos factores, incluido el nivel de exposición y el tiempo de exposición. La irritación de los ojos y del tracto respiratorio, dolores de cabeza, mareos, trastornos visuales y deterioro de la memoria se encuentran entre los síntomas inmediatos que algunas personas han experimentado poco después de la exposición a algunos compuestos orgánicos. En la actualidad, no se sabe mucho sobre los efectos en la salud que se producen por los niveles de compuestos orgánicos que se encuentran generalmente en los hogares.

Valores límite para las emisiones de COV

Los valores límite para las emisiones de COV al aire interior son publicados por AgBB , AFSSET , Departamento de Salud Pública de California y otros. Estas regulaciones han llevado a varias empresas de las industrias de pinturas y adhesivos a adaptar sus productos a las reducciones de los niveles de COV. Es posible que las etiquetas de COV y los programas de certificación no evalúen adecuadamente todos los COV emitidos por el producto, incluidos algunos compuestos químicos que pueden ser relevantes para la calidad del aire interior. Cada onza de colorante agregado a la pintura de tinte puede contener entre 5 y 20 gramos de COV. Sin embargo, un color oscuro podría requerir de 5 a 15 onzas de colorante, lo que agrega hasta 300 gramos o más de COV por galón de pintura.

métodos analíticos

Muestreo

Obtener muestras para análisis es un desafío. Los COV, incluso cuando se encuentran en niveles peligrosos, están diluidos, por lo que generalmente se requiere una concentración previa. Muchos componentes de la atmósfera son mutuamente incompatibles, por ejemplo, el ozono y los compuestos orgánicos, los nitratos de peroxiacilo y muchos compuestos orgánicos. Además, la recogida de COV por condensación en trampas frías también acumula una gran cantidad de agua, que generalmente debe eliminarse de forma selectiva, dependiendo de las técnicas analíticas a emplear. Las técnicas de microextracción en fase sólida (SPME) se utilizan para recolectar COV en concentraciones bajas para su análisis. En lo que respecta al análisis del aliento, se emplean las siguientes modalidades para el muestreo: bolsas de muestreo de gas, jeringas, recipientes de acero y vidrio evacuados.

Principio y métodos de medición

En los EE. UU., El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) y otro por la OSHA de EE. UU. Han establecido métodos estándar . Cada método utiliza un disolvente de un solo componente; Sin embargo, no se pueden tomar muestras de butanol y hexano en la misma matriz de muestra utilizando el método de NIOSH u OSHA.

Los COV se cuantifican e identifican mediante dos técnicas generales. La técnica principal es la cromatografía de gases (GC). Los instrumentos de GC permiten la separación de componentes gaseosos. Cuando se acopla a un detector de ionización de llama (FID), los GC pueden detectar hidrocarburos en niveles de partes por billón. Al usar detectores de captura de electrones , los GC también son efectivos para organohaluros como los clorocarbonos.

La segunda técnica principal asociada con el análisis de VOC es la espectrometría de masas , que generalmente se combina con GC, dando la técnica con guiones de GC-MS.

Las técnicas de espectrometría de masas de inyección directa se utilizan con frecuencia para la detección rápida y cuantificación precisa de COV. El PTR-MS se encuentra entre los métodos que se han utilizado más ampliamente para el análisis en línea de COV biogénicos y antropogénicos. Se ha informado que los instrumentos PTR-MS basados ​​en espectrometría de masas de tiempo de vuelo alcanzan límites de detección de 20 pptv después de 100 ms y 750 ppqv después de 1 min. tiempo de medición (integración de señal). La resolución de masa de estos dispositivos está entre 7000 y 10,500 m / Δm, por lo que es posible separar los COV isobáricos más comunes y cuantificarlos de forma independiente.

Huellas químicas y análisis del aliento

El aliento humano exhalado contiene algunos miles de compuestos orgánicos volátiles y se usa en la biopsia del aliento para servir como un biomarcador de COV para detectar enfermedades, como el cáncer de pulmón . Un estudio ha demostrado que "los compuestos orgánicos volátiles ... se transmiten principalmente por la sangre y, por lo tanto, permiten el monitoreo de diferentes procesos en el cuerpo". Y parece que los compuestos VOC en el cuerpo "pueden ser producidos por procesos metabólicos o inhalados / absorbidos de fuentes exógenas" como el humo de tabaco ambiental . También se ha demostrado la toma de huellas químicas y el análisis del aliento de compuestos orgánicos volátiles con matrices de sensores químicos , que utilizan el reconocimiento de patrones para la detección de componentes orgánicos volátiles en mezclas complejas como el gas del aliento.

Metrología para mediciones de COV

Para lograr la comparabilidad de las mediciones de COV, se requieren estándares de referencia trazables a unidades SI . Para una serie de COV, los estándares de referencia gaseosos están disponibles en proveedores de gases especiales o en institutos nacionales de metrología , ya sea en forma de cilindros o métodos de generación dinámica. Sin embargo, para muchos COV, como COV oxigenados, monoterpenos o formaldehído , no hay estándares disponibles en la cantidad apropiada de fracción debido a la reactividad química o adsorción de estas moléculas. Actualmente, varios institutos nacionales de metrología están trabajando en las mezclas de gases estándar que carecen de concentraciones de trazas, minimizando los procesos de adsorción y mejorando el gas cero. Los alcances finales son para que la trazabilidad y la estabilidad a largo plazo de los gases estándar estén de acuerdo con los objetivos de calidad de los datos (DQO, incertidumbre máxima del 20% en este caso) requeridos por el programa WMO / GAW .

Ver también

Referencias

enlaces externos