Летучие органические соединения ( ЛОС ) – это органические соединения , которые имеют высокое давление паров при комнатной температуре . [1] Высокое давление пара коррелирует с низкой температурой кипения , которая зависит от количества молекул образца в окружающем воздухе, признак, известный как летучесть . [2]
ЛОС ответственны за запах ароматизаторов и парфюмерии , а также за загрязняющие вещества . ЛОС играют важную роль в общении между животными и растениями, например, как аттрактанты для опылителей, [3] защита от хищников, [4] и даже межрастительные взаимодействия. [5] Некоторые ЛОС опасны для здоровья человека или наносят вред окружающей среде . Антропогенные ЛОС регулируются законом, особенно в помещениях, где их концентрации самые высокие. Большинство ЛОС не являются остротоксичными , но могут иметь долгосрочные хронические последствия для здоровья. Некоторые ЛОС использовались в фармацевтике , тогда как другие стали объектом административного контроля из-за их использования в рекреационных целях .
Используются различные определения термина ЛОС. Некоторые примеры представлены ниже.
Министерство здравоохранения Канады классифицирует ЛОС как органические соединения, температура кипения которых находится примерно в диапазоне от 50 до 250 °C (от 122 до 482 °F). Особое внимание уделяется часто встречающимся ЛОС, которые могут оказать влияние на качество воздуха. [6]
Европейский Союз определяет ЛОС как «любое органическое соединение, а также фракцию креозота , имеющее при 293,15 К давление пара 0,01 кПа или более или имеющее соответствующую летучесть в конкретных условиях использования»; [7] . Директива о выбросах летучих органических соединений ( ЛОС ) была основным политическим инструментом сокращения промышленных выбросов летучих органических соединений (ЛОС) в Европейском Союзе. Он охватывает широкий спектр деятельности с использованием растворителей, например, печать, очистку поверхностей, покрытие транспортных средств, химчистку и производство обуви и фармацевтической продукции. Директива о выбросах растворителей ЛОС требует, чтобы установки, на которых применяются такие виды деятельности, соответствовали либо предельным значениям выбросов, установленным в Директиве, либо требованиям так называемой схемы сокращения. Статья 13 Директивы о красках, утвержденной в 2004 году, внесла поправки в первоначальную Директиву о выбросах растворителей ЛОС и ограничивает использование органических растворителей в декоративных красках и лаках, а также в средствах для отделки транспортных средств. Директива о красках устанавливает максимальные предельные значения содержания летучих органических соединений для красок и лаков в определенных областях применения. [8] [9] Директива о выбросах растворителей была заменена Директивой о промышленных выбросах 2013 года.
Китайская Народная Республика определяет ЛОС как те соединения, которые «происходят из автомобилей, промышленного производства и гражданского использования, сжигания всех видов топлива, хранения и транспортировки масел, отделки оборудования, покрытий для мебели и машин, паров кулинарного масла и мелкие частицы (PM 2,5)» и аналогичные источники. [10] Трехлетний план действий по победе в войне за защиту голубого неба, опубликованный Государственным советом в июле 2018 года, содержит план действий по сокращению выбросов ЛОС в 2015 году на 10% к 2020 году. [11]
Центральный совет Индии по контролю за загрязнением выпустил Закон о воздухе (предотвращение и контроль загрязнения) в 1981 году с поправками, внесенными в 1987 году, чтобы решить проблемы загрязнения воздуха в Индии . [12] Хотя в документе не проводится различие между ЛОС и другими загрязнителями воздуха, CPCB контролирует «оксиды азота (NO x ), диоксид серы (SO 2 ), мелкие твердые частицы (PM10) и взвешенные твердые частицы (SPM)». [13]
Определения ЛОС, используемые для контроля над прекурсорами фотохимического смога, используемые Агентством по охране окружающей среды США (EPA) и государственными агентствами США с независимыми правилами загрязнения наружного воздуха, включают исключения для ЛОС, которые определены как нереактивные или имеющие низкую концентрацию. -реактивность в процессе образования смога. Важным является постановление о ЛОС, изданное Округом управления качеством воздуха Южного побережья в Калифорнии и Калифорнийским советом по воздушным ресурсам (CARB). [15] Однако такое специфическое использование термина «ЛОС» может вводить в заблуждение, особенно применительно к качеству воздуха в помещениях, поскольку многие химические вещества, которые не регулируются как загрязнение наружного воздуха, по-прежнему могут иметь важное значение для загрязнения воздуха в помещениях.
После публичных слушаний в сентябре 1995 года ARB Калифорнии использует термин «реактивные органические газы» (ROG) для измерения органических газов. CARB пересмотрело определение «летучих органических соединений», используемое в правилах по потребительским товарам, на основе выводов комитета. [16]
Помимо питьевой воды , ЛОС регулируются в сбросах загрязняющих веществ в поверхностные воды (как напрямую, так и через очистные сооружения) [17] как опасные отходы, [18] , но не в воздухе непроизводственных помещений. [19] Управление по охране труда (OSHA) регулирует воздействие ЛОС на рабочем месте. Летучие органические соединения, которые классифицируются как опасные материалы, при транспортировке регулируются Управлением по безопасности трубопроводов и опасных материалов .
Большинство ЛОС в атмосфере Земли являются биогенными и в основном выделяются растениями. [2]
Биогенные летучие органические соединения (БЛОС) включают ЛОС, выделяемые растениями, животными или микроорганизмами, и, хотя они чрезвычайно разнообразны, чаще всего это терпеноиды , спирты и карбонилы (метан и окись углерода обычно не учитываются). [21] Не считая метана , биологические источники выделяют примерно 760 тераграммов углерода в год в виде ЛОС. [20] Большинство ЛОС производятся растениями, основным соединением которых является изопрен . Небольшие количества ЛОС производятся животными и микробами. [22] Многие ЛОС считаются вторичными метаболитами , которые часто помогают организмам в защите, например, в защите растений от травоядных животных . Сильный запах, издаваемый многими растениями, состоит из летучих веществ зеленых листьев , подгруппы ЛОС. Хотя эти летучие вещества предназначены для обнаружения близлежащими организмами и реагирования на них, они могут быть обнаружены и переданы посредством беспроводной электронной передачи путем внедрения наносенсоров и инфракрасных передатчиков в сами растительные материалы. [23]
На выбросы влияют различные факторы, такие как температура, которая определяет скорость испарения и роста, и солнечный свет, который определяет скорость биосинтеза . Выбросы происходят почти исключительно из листьев, особенно из устьиц . ЛОС, выделяемые наземными лесами, часто окисляются гидроксильными радикалами в атмосфере; в отсутствие загрязняющих веществ NO x фотохимия ЛОС перерабатывает гидроксильные радикалы для создания устойчивого баланса биосферы и атмосферы. [24] Из-за недавних изменений климата, таких как потепление и усиление УФ-излучения, выбросы BVOC от растений, как правило, прогнозируются, будут увеличиваться, что нарушает взаимодействие биосферы и атмосферы и наносит ущерб основным экосистемам. [25] Основным классом ЛОС являются терпеновые соединения, такие как мирцен . [26]
Для ощущения масштаба лес площадью 62 000 квадратных километров (24 000 квадратных миль), что соответствует размеру американского штата Пенсильвания , по оценкам, выделяет 3 400 000 килограммов (7 500 000 фунтов) терпенов в типичный августовский день в течение вегетационного периода. [27] Исследователи, исследующие механизмы индукции генов, производящих летучие органические соединения, и последующее увеличение летучих терпенов было достигнуто на кукурузе с помощью (Z)-3-гексен-1-ола и других растительных гормонов. [28]
Антропогенные источники выделяют около 142 тераграммов (1,42×10 11 кг) углерода в год в виде ЛОС. [29]
Основным источником искусственных ЛОС являются: [30]
Концентрация ЛОС в воздухе помещений может быть в 2–5 раз выше, чем в наружном воздухе, а иногда и намного выше. [19] Во время определенных видов деятельности уровни ЛОС в помещении могут достигать 1000 раз выше, чем в наружном воздухе. Исследования показали, что выбросы отдельных видов ЛОС не так высоки в помещении, но общая концентрация всех ЛОС (ТВОС) в помещении может быть в пять раз выше, чем на открытом воздухе. [33]
В новых зданиях наблюдается особенно высокий уровень выделения летучих органических соединений внутри помещений из-за обилия новых материалов (строительных материалов, фурнитуры, поверхностных покрытий и средств обработки, таких как клеи, краски и герметики), подвергающихся воздействию воздуха внутри помещений и выделяющих множество летучих органических соединений. [34] Это выделение газов имеет многоэкспоненциальную тенденцию распада, которая заметна в течение как минимум двух лет, при этом наиболее летучие соединения распадаются с постоянной времени в несколько дней, а наименее летучие соединения распадаются с постоянной времени. нескольких лет. [35]
Новым зданиям может потребоваться интенсивная вентиляция в течение первых нескольких месяцев или обработка прогревом . Существующие здания могут пополняться новыми источниками ЛОС, такими как новая мебель, потребительские товары и ремонт внутренних поверхностей, все из которых приводят к постоянным фоновым выбросам ЛОС и требуют улучшения вентиляции. [34]
Многочисленные исследования [35] показывают сильные сезонные колебания выбросов ЛОС в помещениях, при этом интенсивность выбросов увеличивается летом. Во многом это связано со скоростью диффузии ЛОС через материалы к поверхности, которая увеличивается с температурой. Большинство исследований показали, что это обычно приводит к более высоким концентрациям летучих органических соединений в помещении летом. [35]
Измерение содержания ЛОС в воздухе помещения осуществляется с помощью сорбционных трубок, например, Tenax (для ЛОС и СЛОС) или картриджей ДНФХ (для карбонильных соединений) или детектора воздуха. ЛОС адсорбируются на этих материалах и затем десорбируются либо термически (Tenax), либо элюированием ( DNPH), а затем анализируются с помощью ГХ-МС / ПИД или ВЭЖХ . Для контроля качества измерений ЛОС необходимы эталонные газовые смеси. [36] Кроме того, продукты, выделяющие летучие органические соединения, используемые внутри помещений, например строительные изделия и мебель, исследуются в испытательных камерах на выбросы в контролируемых климатических условиях. [37] Для контроля качества этих измерений проводятся циклические испытания, поэтому в идеале требуются эталонные материалы с воспроизводимым излучением. [36] В других методах использовались запатентованные канистры с покрытием Silcosteel и входными отверстиями постоянного потока для сбора проб в течение нескольких дней. [38] Эти методы не ограничиваются адсорбирующими свойствами таких материалов, как Tenax.
В большинстве стран в отношении качества воздуха в помещении используется отдельное определение ЛОС , включающее каждое органическое химическое соединение, которое можно измерить следующим образом: адсорбция из воздуха на Tenax TA, термическая десорбция, газохроматографическое разделение на 100% неполярной колонке ( диметилполисилоксан ). ЛОС (летучие органические соединения) — это все соединения, которые появляются на газовой хроматограмме между н -гексаном и н -гексадеканом . Соединения, возникающие раньше, называются ВЛОС (очень летучие органические соединения); соединения, появляющиеся позже, называются СЛОС (полулетучие органические соединения).
Франция , Германия (AgBB/DIBt), Бельгия , Норвегия (регламент TEK) и Италия (CAM Edilizia) приняли правила по ограничению выбросов ЛОС из коммерческих продуктов. Европейская промышленность разработала множество добровольных экологических маркировок и рейтинговых систем, таких как EMICODE, [39] M1, [40] Blue Angel , [41] GuT (текстильные напольные покрытия), [42] Nordic Swan Ecolabel, [43] EU Ecolabel , [ 44] и «Комфорт воздуха в помещении». [45] В США существует несколько стандартов; Калифорнийский стандарт CDPH, раздел 01350 [46] является наиболее распространенным. Эти правила и стандарты изменили рынок, что привело к увеличению количества продуктов с низким уровнем выбросов.
Респираторные , аллергические или иммунные эффекты у младенцев и детей связаны с искусственными ЛОС и другими загрязнителями воздуха внутри и снаружи помещений. [47]
Некоторые ЛОС, такие как стирол и лимонен , могут вступать в реакцию с оксидами азота или озоном с образованием новых продуктов окисления и вторичных аэрозолей, которые могут вызывать симптомы сенсорного раздражения. [48] ЛОС способствуют образованию тропосферного озона и смога . [49] [50]
Последствия для здоровья включают раздражение глаз, носа и горла ; головные боли , потеря координации, тошнота ; и повреждение печени , почек и центральной нервной системы . [51] Некоторые органические вещества могут вызывать рак у животных; некоторые из них подозреваются или известны как вызывающие рак у людей. Ключевые признаки или симптомы, связанные с воздействием ЛОС, включают раздражение конъюнктивы, дискомфорт в носу и горле, головную боль, кожные аллергические реакции, одышку , снижение уровня холинэстеразы в сыворотке , тошноту, рвоту, кровотечение из носа, утомляемость, головокружение. [52]
Способность органических химикатов оказывать воздействие на здоровье сильно различается: от высокотоксичных до тех, о которых не известно никаких последствий для здоровья. Как и в случае с другими загрязнителями, степень и характер воздействия на здоровье будут зависеть от многих факторов, включая уровень воздействия и продолжительность воздействия. Раздражение глаз и дыхательных путей, головные боли, головокружение, расстройства зрения и ухудшение памяти относятся к числу непосредственных симптомов, которые некоторые люди испытывают вскоре после воздействия некоторых органических веществ. В настоящее время мало что известно о том, какое влияние на здоровье оказывает уровень органических веществ, обычно присутствующих в домах. [53]
Хотя бензол , толуол и метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) являются нулевыми по сравнению с концентрациями, обнаруженными в воздухе помещений, они были обнаружены в образцах грудного молока и увеличивают концентрации ЛОС, воздействию которых мы подвергаемся в течение дня. [54] Исследование отмечает разницу между ЛОС в альвеолярном дыхании и вдыхаемом воздухе, что позволяет предположить, что ЛОС попадают в организм, метаболизируются и выводятся внелегочным путем. [55] ЛОС также попадают в организм с питьевой водой в различных концентрациях. Некоторые концентрации ЛОС превышали национальные правила первичной питьевой воды Агентства по охране окружающей среды и национальные стандарты питьевой воды Китая, установленные Министерством экологии и окружающей среды . [56]
Присутствие ЛОС в воздухе и грунтовых водах побудило провести дополнительные исследования. Было проведено несколько исследований для измерения эффектов абсорбции через кожу определенных ЛОС. Воздействие на кожу ЛОС, таких как формальдегид и толуол, снижает активность антимикробных пептидов на коже, таких как кателицидин LL-37, человеческий β-дефенсин 2 и 3. [57] Ксилол и формальдегид ухудшают аллергическое воспаление на животных моделях. [58] Толуол также усиливает нарушение регуляции филаггрина : ключевого белка в кожной регуляции. [59] это было подтверждено иммунофлуоресценцией для подтверждения потери белка и вестерн-блоттингом для подтверждения потери мРНК. Эти эксперименты проводились на образцах кожи человека. Воздействие толуола также уменьшило количество воды в трансэпидермальном слое, что сделало слои кожи уязвимыми. [57] [60]
Предельные значения выбросов ЛОС в воздух помещений публикуются AgBB , [61] AFSSET , Департаментом общественного здравоохранения Калифорнии и другими. Эти правила побудили несколько компаний, производящих краски и клеи, адаптировать свою продукцию к снижению уровня летучих органических соединений. [ нужна цитация ] Маркировки ЛОС и программы сертификации не могут должным образом оценить все ЛОС, выделяемые продуктом, включая некоторые химические соединения, которые могут иметь отношение к качеству воздуха в помещении. [62] Каждая унция красителя , добавленного в тонирующую краску, может содержать от 5 до 20 граммов ЛОС. Однако для темного цвета может потребоваться 5–15 унций красителя, что добавляет до 300 или более граммов ЛОС на галлон краски. [63]
ЛОС также обнаруживаются в больницах и медицинских учреждениях. В этих условиях эти химические вещества широко используются для очистки, дезинфекции и гигиены различных помещений. [64] Таким образом, у медицинских работников, таких как медсестры, врачи, санитарный персонал и т. д., могут возникнуть неблагоприятные последствия для здоровья, такие как астма ; однако необходима дальнейшая оценка для определения точных уровней и факторов, влияющих на воздействие этих соединений. [64] [65] [66]
Исследования показали, что уровни концентрации различных ЛОС, таких как галогенированные и ароматические углеводороды, существенно различаются в разных помещениях одной и той же больницы. Однако одно из этих исследований показало, что этанол , изопропанол , эфир и ацетон были основными соединениями внутри объекта. [67] [68] Следуя той же линии, в исследовании, проведенном в Соединенных Штатах, было установлено, что помощники медсестер наиболее подвержены воздействию таких соединений, как этанол, в то время как производители медицинского оборудования наиболее подвержены воздействию 2-пропанола . [67] [68]
Что касается воздействия ЛОС на персонал, занимающийся уборкой и гигиеной, исследование, проведенное в 4 больницах в США, установило, что работники, занимающиеся стерилизацией и дезинфекцией, связаны с воздействием d-лимонена и 2-пропанола, в то время как лица, ответственные за уборку хлорсодержащими продукты с большей вероятностью будут иметь более высокий уровень воздействия α-пинена и хлороформа . [66] Те, кто выполняет работы по очистке полов и других поверхностей (например, натирает полы воском) и используют продукты на основе четвертичного аммония, спирта и хлора, связаны с более высоким воздействием ЛОС, чем две предыдущие группы, то есть они особенно связано с воздействием ацетона, хлороформа, α-пинена, 2-пропанола или d-лимонена. [66]
Другие учреждения здравоохранения, такие как дома престарелых и дома престарелых, редко становились предметом исследования, хотя пожилые и уязвимые группы населения могут проводить значительное время в этих помещениях, где они могут подвергаться воздействию ЛОС, образующихся в результате обычного использования чистящих средств. спреи и освежители. [69] [70] В ходе исследования, проведенного во Франции, группа исследователей разработала онлайн-анкету для различных социальных и возрастных учреждений, в которой задаются вопросы о методах уборки, используемых продуктах и частоте этих действий. В результате было выявлено более 200 химических веществ, из которых известно, что 41 оказывает вредное воздействие на здоровье, причем 37 из них являются ЛОС. Воздействие на здоровье включает сенсибилизацию кожи, репродуктивную и органоспецифическую токсичность, канцерогенность , мутагенность и эндокринные нарушения . [69] Кроме того, в другом исследовании, проведенном в той же европейской стране, было обнаружено, что существует значительная связь между одышкой у пожилых людей и повышенным воздействием ЛОС, таких как толуол и о-ксилол , в отличие от остальной части населения. . [71]
Получить образцы для анализа сложно. ЛОС, даже если они находятся на опасных уровнях, являются разбавленными, поэтому обычно требуется предварительное концентрирование. Многие компоненты атмосферы несовместимы друг с другом, например, озон и органические соединения, пероксиацилнитраты и многие органические соединения. Кроме того, сбор ЛОС путем конденсации в холодных ловушках также приводит к накоплению большого количества воды, которую обычно приходится удалять избирательно, в зависимости от используемых аналитических методов. [30] Методы твердофазной микроэкстракции (ТФМЭ) используются для сбора ЛОС в низких концентрациях для анализа. [72] Что касается анализа дыхания, для отбора проб используются следующие методы: мешки для отбора проб газа, шприцы, вакуумированные стальные и стеклянные контейнеры. [73]
В США стандартные методы были установлены Национальным институтом безопасности и гигиены труда (NIOSH), а также OSHA США. В каждом методе используется однокомпонентный растворитель; Однако бутанол и гексан нельзя отбирать из одной и той же матрицы проб с использованием метода NIOSH или OSHA. [74]
ЛОС количественно оцениваются и идентифицируются двумя широкими методами. Основным методом является газовая хроматография (ГХ). Приборы ГХ позволяют разделять газообразные компоненты. В сочетании с пламенно-ионизационным детектором (ПИД) ГХ может обнаруживать углеводороды на уровне частей на триллион. Используя детекторы электронного захвата , ГХ также эффективны для галоидорганических соединений, таких как хлоруглероды.
Второй основной метод, связанный с анализом ЛОС, — это масс-спектрометрия , которая обычно сочетается с ГХ, что дает обозначение через дефис метод ГХ-МС. [75]
Методы масс-спектрометрии с прямым впрыском часто используются для быстрого обнаружения и точного количественного определения ЛОС. [76] PTR-MS входит в число методов, которые наиболее широко используются для онлайн-анализа биогенных и антропогенных ЛОС. [77] Сообщается, что приборы PTR-MS, основанные на времяпролетной масс-спектрометрии, достигают пределов обнаружения 20 pptv через 100 мс и 750 ppqv через 1 мин. время измерения (интегрирования сигнала). Массовое разрешение этих устройств составляет от 7000 до 10 500 м/Δм, что позволяет отделять наиболее распространенные изобарные ЛОС и независимо определять их количество. [78]
Выдыхаемый человеком воздух содержит несколько тысяч летучих органических соединений и используется при дыхательной биопсии в качестве биомаркера ЛОС для выявления заболеваний, [73] таких как рак легких . [79] Одно исследование показало, что «летучие органические соединения... в основном передаются через кровь и, следовательно, позволяют контролировать различные процессы в организме». [80] Похоже, что соединения ЛОС в организме «могут либо вырабатываться в результате метаболических процессов, либо вдыхаться/абсорбироваться из экзогенных источников», таких как табачный дым из окружающей среды . [79] [81] Химическое снятие отпечатков пальцев и анализ дыхания летучих органических соединений также были продемонстрированы с помощью массивов химических датчиков , которые используют распознавание образов для обнаружения компонентов летучих органических веществ в сложных смесях, таких как дыхательный газ.
Для достижения сопоставимости измерений ЛОС необходимы эталоны, соответствующие единицам СИ . Для ряда ЛОС газообразные эталонные стандарты можно приобрести у специализированных поставщиков газа или в национальных метрологических институтах либо в форме баллонов, либо в форме динамических методов генерации. Однако для многих ЛОС, таких как кислородсодержащие ЛОС, монотерпены или формальдегид , не существует стандартов с соответствующим количеством фракций из-за химической реакционной способности или адсорбции этих молекул. В настоящее время несколько национальных метрологических институтов работают над недостающими стандартными газовыми смесями следовых концентраций, минимизацией процессов адсорбции и улучшением нулевого газа. [36] Окончательные задачи заключаются в том, чтобы прослеживаемость и долгосрочная стабильность стандартных газов соответствовали целям качества данных (DQO, максимальная неопределенность 20% в данном случае), требуемым программой ВМО / ГСА . [82]
{{cite web}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)