Винилхлорид — это органохлорид с формулой H2C = CHCl. Его также называют винилхлоридным мономером ( ВХМ ) или хлорэтиленом . Это бесцветное соединение является важным промышленным химикатом, который в основном используется для производства полимерного поливинилхлорида (ПВХ). Винилхлоридный мономер входит в двадцатку крупнейших нефтехимических продуктов ( химических веществ, полученных из нефти ) в мировом производстве. [2] Соединенные Штаты остаются крупнейшим регионом по производству винилхлорида из-за своей позиции с низкой себестоимостью производства сырья для производства хлора и этилена. Китай также является крупным производителем и одним из крупнейших потребителей винилхлорида. [3] Винилхлорид — это горючий газ со сладким запахом, который является канцерогенным . Он может образовываться в окружающей среде, когда почвенные организмы разлагают хлорированные растворители. Винилхлорид, который выбрасывается промышленными предприятиями или образуется при разложении других хлорированных химикатов, может попадать в воздух и питьевую воду. Винилхлорид — это распространенный загрязнитель, встречающийся вблизи свалок . [4] До 1970-х годов винилхлорид использовался в качестве аэрозольного пропеллента и хладагента . [5] [6]
Винилхлорид, также называемый винилхлоридным мономером (ВХМ), используется исключительно в качестве предшественника ПВХ. Из-за своей токсичной природы винилхлорид не встречается в других продуктах. Поливинилхлорид (ПВХ) очень стабилен, пригоден для хранения и нетоксичен. [2]
До 1974 года винилхлорид использовался в качестве пропеллента для аэрозольных баллончиков . [7] Винилхлорид недолгое время использовался в качестве ингаляционного анестетика , аналогично этилхлориду , хотя его токсичность заставила отказаться от этой практики. [8] [9]
В мире ежегодно производится около 40 миллионов тонн смолы ПВХ [10] , требующей соответствующего количества мономера винилхлорида [11] .
Винилхлорид был впервые синтезирован в 1835 году Юстусом фон Либихом и его учеником Анри Виктором Реньо . Они получили его путем обработки 1,2-дихлорэтана раствором гидроксида калия в этаноле . [12]
В 1912 году немецкий химик Фриц Клатте, работавший в компании Griesheim-Elektron, запатентовал способ получения винилхлорида из ацетилена и хлористого водорода с использованием хлорида ртути в качестве катализатора . Ацетилен реагирует с хлористым водородом над катализатором из хлорида ртути, давая винилхлорид:
Реакция экзотермическая и высокоселективная. Чистота продукта и выходы обычно очень высокие. [2]
Этот путь к винилхлориду был обычным до того, как этилен стал широко распространенным. Когда производители винилхлорида перешли на использование термического крекинга EDC, описанного ниже, некоторые использовали побочный продукт HCl в сочетании с расположенным рядом блоком на основе ацетилена. Опасности хранения и транспортировки ацетилена означали, что завод по производству винилхлорида должен был располагаться очень близко к заводу по производству ацетилена. [2]
Ввиду токсичности ртути были предложены катализаторы на основе золота и платины. [13] [14]
Технология на основе ртути является основным методом производства в Китае из-за низкой цены на уголь, из которого производится ацетилен, [3] [2] с более чем 80% национальных мощностей по состоянию на 2018 год, даже несмотря на то, что получаемый ПВХ содержит остатки и подходит только для низкокачественной продукции, такой как трубы. [15]
В США и Европе ртутно-катализируемые пути, широко используемые в 20 веке, были заменены более экономичными и экологичными процессами на основе этилена. Этилен производится путем крекинга этана. В процесс вовлечены два этапа: хлорирование и дегидрохлорирование:
Было сделано множество попыток преобразовать этан непосредственно в винилхлорид. [2] Этан, который еще более доступен, чем этилен, является потенциальным предшественником винилхлорида. Превращение этана в винилхлорид было продемонстрировано различными способами: [2]
Высокотемпературное хлорирование:
Высокотемпературное оксихлорирование, при котором вместо хлора используются кислород и хлористый водород:
Высокотемпературное окислительное хлорирование: 4 H 3 C−CH 3 + 3 O 2 + 2 Cl 2 → 4 H 2 C=CHCl + 6 H 2 O
1,2-Дихлорэтан , ClCH 2 CH 2 Cl (также известный как этилендихлорид, EDC), может быть получен путем галогенирования этана или этилена , недорогих исходных материалов. EDC термически превращается в винилхлорид и безводный HCl . Этот метод производства стал основным путем к винилхлориду с конца 1950-х годов. [2]
Реакция термического крекинга является высокоэндотермической и обычно проводится в огневом нагревателе. Несмотря на то, что время пребывания и температура тщательно контролируются, она производит значительные количества побочных продуктов хлорированных углеводородов. На практике выход для конверсии EDC относительно низок (от 50 до 60 процентов). Выходящий поток печи немедленно охлаждается холодным EDC, чтобы свести к минимуму нежелательные побочные реакции. Полученная парожидкостная смесь затем поступает в систему очистки. Некоторые процессы используют систему абсорбера-стриппера для отделения HCl от хлорированных углеводородов, в то время как другие процессы используют охлаждаемую непрерывную систему дистилляции. [2]
Винилхлорид хранится в виде жидкости. Принятый верхний предел безопасности как опасность для здоровья составляет 500 ppm. Часто контейнеры для хранения продукта винилхлорида представляют собой сферы большой емкости. Сферы имеют внутреннюю сферу и внешнюю сферу. Несколько дюймов пространства отделяют внутреннюю сферу от внешней сферы. Промежуточное пространство между сферами продувается инертным газом, таким как азот. Когда азотный продувочный газ выходит из промежуточного пространства, он проходит через анализатор, который определяет, происходит ли утечка винилхлорида из внутренней сферы. Если винилхлорид начинает вытекать из внутренней сферы или если снаружи сферы обнаруживается пожар, то содержимое сферы автоматически сбрасывается в аварийный подземный контейнер для хранения. Контейнеры, используемые для обращения с винилхлоридом при атмосферной температуре, всегда находятся под давлением. Ингибированный винилхлорид может храниться при нормальных атмосферных условиях в подходящих сосудах под давлением. Неингибированный винилхлорид может храниться либо в холодильнике, либо при нормальной температуре воздуха в отсутствие воздуха или солнечного света, но только в течение нескольких дней. При более длительном хранении необходимо проводить регулярные проверки, чтобы убедиться, что полимеризация не произошла. [16] [ нужен лучший источник ]
Помимо риска токсичности, транспортировка винилхлорида также представляет те же риски, что и транспортировка других легковоспламеняющихся газов, таких как пропан, бутан или природный газ. [17] Примерами инцидентов, в которых наблюдалась эта опасность, являются сход с рельсов поезда в Огайо в 2023 году , [18] [19] когда сошедшие с рельсов цистерны сбросили 100 000 галлонов опасных материалов, включая винилхлорид. [20] [21]
В США OSHA относит винилхлорид к легковоспламеняющимся жидкостям класса IA с рейтингом воспламеняемости Национальной ассоциации противопожарной защиты 4. Из-за низкой температуры кипения жидкий винилхлорид будет подвергаться мгновенному испарению (т. е. самоохлаждению) при попадании под атмосферное давление. Испарившаяся часть образует плотное облако (более чем в два раза тяжелее окружающего воздуха). Риск последующего взрыва или возгорания значителен. Согласно OSHA, температура вспышки винилхлорида составляет -78 °C (-108,4 °F). [22] Его пределы воспламеняемости на воздухе составляют: нижний 3,6 объемных % и верхний 33,0 объемных %. Пределы взрываемости составляют: нижний 4,0%, верхний 22,05 объемных % на воздухе. При пожаре могут выделяться токсичные хлористый водород (HCl) и оксид углерода (CO), а также следовые количества фосгена . [23] [24] Винилхлорид может быстро полимеризоваться из-за нагревания и под воздействием воздуха, света и контакта с катализатором, сильными окислителями и металлами, такими как медь и алюминий, с опасностью возгорания или взрыва. Как газ, смешанный с воздухом, винилхлорид является пожаро- и взрывоопасным. При стоянии [ необходимо разъяснение ] винилхлорид может образовывать пероксиды , которые затем могут взорваться. Винилхлорид будет реагировать с железом и сталью в присутствии влаги. [6] [25]
Поскольку в большинстве окружающих условий это газ, основное воздействие происходит через вдыхание, а не через употребление загрязненной пищи или воды, при этом профессиональные риски являются самыми высокими. До 1974 года рабочие обычно подвергались воздействию 1000 ppm винилхлорида, вызывая «болезнь винилхлорида», такую как акроостеолиз и феномен Рейно . Симптомы воздействия винилхлорида классифицируются по уровням ppm в окружающем воздухе, при этом 4000 ppm оказывают пороговый эффект. [26] Интенсивность симптомов варьируется от острых (1000–8000 ppm), включая головокружение, тошноту, нарушения зрения, головную боль и атаксию , до хронических (выше 12000 ppm), включая наркотический эффект, сердечные аритмии и фатальную дыхательную недостаточность . [27] RADS (синдром реактивной дисфункции дыхательных путей) может быть вызван острым воздействием винилхлорида. [28]
Винилхлорид является мутагеном, обладающим кластогенным действием, которое влияет на хромосомную структуру лимфоцитов. [27] [29] Винилхлорид является канцерогеном группы 1 по классификации МАИР, представляющим повышенный риск возникновения редкой ангиосаркомы , опухолей мозга и легких, а также злокачественных гемопоэтических лимфатических опухолей. [30] Хроническое воздействие приводит к распространенным формам дыхательной недостаточности ( эмфизема , легочный фиброз ) и целенаправленной гепатотоксичности ( гепатомегалия , фиброз печени ). Постоянное воздействие может вызвать угнетение ЦНС, включая эйфорию и дезориентацию. Снижение мужского либидо, выкидыши и врожденные дефекты являются известными основными репродуктивными дефектами, связанными с винилхлоридом.
Винилхлорид может иметь острые кожные и глазные эффекты. Эффекты дермального воздействия включают утолщение кожи, отек, снижение эластичности, местные обморожения, образование волдырей и раздражение. [27] Полная потеря эластичности кожи выражается в феномене Рейно. [29]
Гепатотоксичность винилхлорида была установлена давно, еще с 1930 - х годов, когда индустрия ПВХ только зарождалась. В самом первом исследовании об опасностях винилхлорида, опубликованном Пэтти в 1930 году, было обнаружено, что воздействие на подопытных животных всего лишь одной кратковременной высокой дозы винилхлорида вызвало повреждение печени. [31] В 1949 году в одной русской публикации обсуждалось открытие, что винилхлорид вызывает повреждение печени у рабочих. [32] В 1954 году компания BF Goodrich Chemical заявила, что винилхлорид вызывает повреждение печени при кратковременном воздействии. Почти ничего не было известно о его долгосрочных эффектах. Они также рекомендовали долгосрочные токсикологические исследования на животных. В исследовании отмечалось, что если химическое вещество оправдывает стоимость испытаний, а его вредное воздействие на рабочих и общественность известно, то его не следует производить. [33] В 1963 году исследование, частично оплаченное Allied Chemical, обнаружило повреждение печени у подопытных животных при воздействии ниже 500 частей на миллион (ppm). [34] Также в 1963 году румынский исследователь опубликовал результаты исследования заболеваний печени у рабочих, работающих с винилхлоридом. [35] В 1968 году Матчлер и Крамер, два исследователя из Dow , сообщили о своем открытии, что воздействие всего лишь 300 ppm вызывало повреждение печени у рабочих, работающих с винилхлоридом, тем самым подтвердив более ранние данные, полученные на животных, у людей. [36] В презентации 1969 года, сделанной в Японии, PL Viola, европейский исследователь, работающий в европейской промышленности винилхлорида, указал, что «каждый мономер, используемый в производстве винилхлорида, опасен... были обнаружены различные изменения в костях и печени. В частности, гораздо больше внимания следует уделять изменениям печени. Результаты у крыс при концентрации от 4 до 10 ppm показаны на фотографиях». В свете обнаружения повреждения печени у крыс при воздействии всего лишь 4–10 ppm винилхлорида, Виола добавил, что он «должен был бы желать принятия некоторых мер предосторожности на производственных предприятиях, полимеризующих винилхлорид, таких как снижение предельного значения мономера». [37] Впервые было сообщено, что винилхлорид вызывает ангиосаркому печени в 1974 году [38], а дальнейшие исследования продемонстрировали канцерогенность ВХ для других органов и при более низких концентрациях, [39] [40] причем доказательства теперь распространяются на рабочие места, связанные с воздействием поливинилхлорида, что указывает на необходимость осторожного контроля пыли ПВХ в промышленных условиях. [41]
В настоящее время винилхлорид является канцерогеном группы 1 по классификации Международного агентства по изучению рака (МАИР ) , который, как известно, вызывает гепатоангиосаркому (ГАС) у промышленных рабочих, подвергающихся сильному воздействию. [42] Мономер винилхлорида, компонент в производстве поливинилхлоридных (ПВХ) смол, представляет собой галогенированный углеводород с острым токсическим эффектом, а также хроническим канцерогенным эффектом. [43]
У животных, подвергшихся воздействию 30 000 ppm винилхлорида, развились раковые опухоли. Исследования рабочих, работающих с винилхлоридом, стали «красным флагом» для BF Goodrich и отрасли. [44] В 1972 году Мальтони, другой итальянский исследователь европейской индустрии винилхлорида, обнаружил опухоли печени (включая ангиосаркому) от воздействия винилхлорида в концентрации всего 250 ppm в течение четырех часов в день. [45]
В 1997 году Центры по контролю и профилактике заболеваний США (CDC) пришли к выводу, что разработка и принятие в ПВХ-индустрии замкнутого цикла процесса полимеризации в конце 1970-х годов «почти полностью устранили воздействие на рабочих» и что «новые случаи гепатоангиосаркомы у рабочих, занимающихся полимеризацией винилхлорида, были фактически устранены». [46]
В 1998 году газета Houston Chronicle утверждала, что производители винила манипулировали исследованиями по винилхлориду, чтобы избежать ответственности за воздействие на рабочих, и скрывали обширные и серьезные утечки химикатов в местных сообществах. [47]
По данным Агентства по охране окружающей среды США , «выбросы винилхлорида с заводов по производству поливинилхлорида (ПВХ), этилендихлорида (ЭДХ) и мономера винилхлорида (МВХ) вызывают или способствуют загрязнению воздуха, которое, как можно обоснованно ожидать, приведет к увеличению смертности или росту серьезных необратимых или инвалидизирующих обратимых заболеваний. Винилхлорид является известным канцерогеном для человека, вызывающим редкую форму рака печени». [48] Обновленный в 2001 году токсикологический профиль и краткая оценка воздействия на здоровье винилхлорида в базе данных Интегрированной системы информации о рисках (IRIS) Агентства по охране окружающей среды снижает предыдущую оценку фактора риска Агентства по охране окружающей среды в 20 раз и приходит к выводу, что «из-за последовательных доказательств рака печени во всех исследованиях [...] и более слабой связи с другими органами, делается вывод, что печень является наиболее чувствительным органом, и защита от рака печени защитит от возможной индукции рака в других тканях». [49]
Канцерогенность VC обусловлена действием двух метаболитов: хлорэтиленоксида и хлорацетальдегида . Первый образуется под действием цитохрома P-450 на VC. Как хлорэтиленоксид, так и хлорацетальдегид являются алкилирующими агентами .
Бактерии вида Nitrosomonas europaea могут разлагать различные галогенированные соединения, включая трихлорэтилен и винилхлорид. [50]