Летучие органические соединения ( ЛОС ) — это органические соединения , которые имеют высокое давление паров при комнатной температуре . [1] Высокое давление паров коррелирует с низкой температурой кипения , которая связана с числом молекул образца в окружающем воздухе, эта черта известна как летучесть . [2]
ЛОС отвечают за запах духов и парфюмов , а также загрязняющих веществ . ЛОС играют важную роль в общении между животными и растениями, например, привлекают опылителей, [3] защищают от хищников [4] и даже взаимодействуют между растениями. [5] Некоторые ЛОС опасны для здоровья человека или наносят вред окружающей среде . Антропогенные ЛОС регулируются законом, особенно в помещениях, где их концентрация самая высокая. Большинство ЛОС не являются остротоксичными , но могут иметь долгосрочные хронические последствия для здоровья. Некоторые ЛОС использовались в фармацевтике , в то время как другие являются объектом административного контроля из-за их рекреационного использования .
Используются различные определения термина VOC. Некоторые примеры приведены ниже.
Министерство здравоохранения Канады классифицирует ЛОС как органические соединения, которые имеют температуру кипения примерно в диапазоне от 50 до 250 °C (от 122 до 482 °F). Особое внимание уделяется часто встречающимся ЛОС, которые могут повлиять на качество воздуха. [6]
Европейский союз определяет ЛОС как «любое органическое соединение, а также фракцию креозота , имеющую при 293,15 К давление паров 0,01 кПа или более, или имеющую соответствующую летучесть при конкретных условиях использования»; [7] Директива о выбросах растворителей ЛОС была основным политическим инструментом для сокращения промышленных выбросов летучих органических соединений (ЛОС) в Европейском союзе. Она охватывает широкий спектр видов деятельности, использующих растворители, 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, утвержденная в 2004 году, внесла поправки в первоначальную Директиву о выбросах растворителей ЛОС и ограничивает использование органических растворителей в декоративных красках и лаках и в отделочных материалах для транспортных средств. Директива по лакокрасочным материалам устанавливает максимальные предельные значения содержания ЛОС для красок и лаков в определенных областях применения. [8] [9] Директива по выбросам растворителей была заменена Директивой по промышленным выбросам с 2013 года.
Китайская Народная Республика определяет ЛОС как те соединения, которые «возникли из автомобилей, промышленного производства и гражданского использования, сжигания всех видов топлива, хранения и транспортировки масел, отделки фурнитуры, покрытия для мебели и машин, испарений масла для готовки и мелких частиц (PM 2,5)» и аналогичных источников. [10] Трехлетний план действий по победе в войне за оборону под Голубым небом, опубликованный Государственным советом в июле 2018 года, создает план действий по сокращению выбросов ЛОС 2015 года на 10% к 2020 году. [11]
Центральный совет по контролю за загрязнением окружающей среды Индии в 1981 году принял Закон о предотвращении и контроле загрязнения воздуха , измененный в 1987 году, для решения проблем, связанных с загрязнением воздуха в Индии . [12] Хотя в документе не проводится различий между летучими органическими соединениями (ЛОС) и другими загрязнителями воздуха, CPCB контролирует «оксиды азота (NOx ) , диоксид серы (SO2 ) , мелкие твердые частицы (PM10) и взвешенные твердые частицы (SPM)». [13]
Определения ЛОС, используемые для контроля предшественников фотохимического смога, используемые Агентством по охране окружающей среды США (EPA) и государственными агентствами в США с независимыми правилами загрязнения наружного воздуха, включают исключения для ЛОС, которые определены как нереактивные или имеющие низкую реакционную способность в процессе образования смога. Известным является регламент ЛОС, выпущенный Окружным управлением по качеству воздуха Южного побережья в Калифорнии и Калифорнийским советом по воздушным ресурсам (CARB). [15] Однако это конкретное использование термина ЛОС может вводить в заблуждение, особенно применительно к качеству воздуха в помещениях , поскольку многие химические вещества, которые не регулируются как загрязняющие наружный воздух, все равно могут быть важны 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 пересмотрела определение «летучих органических соединений», используемое в их правилах потребительских товаров, на основе выводов комитета. [16]
В дополнение к питьевой воде , ЛОС регулируются в сбросах загрязняющих веществ в поверхностные воды (как напрямую, так и через очистные сооружения) [17] как опасные отходы, [18] но не в непромышленном воздухе помещений. [19] Управление по охране труда и технике безопасности (OSHA) регулирует воздействие ЛОС на рабочем месте. Летучие органические соединения, которые классифицируются как опасные материалы, регулируются Управлением по безопасности трубопроводов и опасных материалов при транспортировке.
Большинство ЛОС в атмосфере Земли являются биогенными и в основном выделяются растениями. [2]
Биогенные летучие органические соединения (БЛОС) охватывают ЛОС, выделяемые растениями, животными или микроорганизмами, и, хотя они чрезвычайно разнообразны, чаще всего это терпеноиды , спирты и карбонилы (метан и оксид углерода , как правило, не рассматриваются). [21] Не считая метана , биологические источники выделяют примерно 760 тераграмм углерода в год в виде ЛОС. [20] Большинство ЛОС вырабатываются растениями, основным соединением является изопрен . Небольшие количества ЛОС вырабатываются животными и микробами. [22] Многие ЛОС считаются вторичными метаболитами , которые часто помогают организмам в защите, например, защите растений от травоядных . Сильный запах, выделяемый многими растениями, состоит из летучих веществ зеленых листьев , подмножества ЛОС. Хотя эти летучие вещества предназначены для обнаружения и реагирования на них близлежащими организмами, их можно обнаружить и передать посредством беспроводной электронной передачи, встроив наносенсоры и инфракрасные передатчики 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, в частности устьиц . ЛОС, выделяемые наземными лесами, часто окисляются гидроксильными радикалами в атмосфере; при отсутствии 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 БЛОС от растений, как правило, прогнозируются с увеличением, что нарушает взаимодействие биосферы и атмосферы и наносит ущерб основным экосистемам. [25] Основным классом ЛОС является класс терпеновых соединений, таких как мирцен . [26]
Чтобы дать представление о масштабе, лес площадью 62 000 квадратных километров (24 000 квадратных миль), что соответствует размеру американского штата Пенсильвания , по оценкам, выделяет 3,4 миллиона кг (7,5 миллиона фунтов) терпенов в типичный августовский день в течение вегетационного периода. [27] Кукуруза производит ЛОС (Z)-3-гексен-1-ол и другие растительные гормоны. [28]
Антропогенные источники выбрасывают около 142 тераграммов (1,42 × 1011 кг или 142 млрд кг) углерода в год в виде ЛОС. [29]
Основным источником искусственных ЛОС являются: [30]
Из-за многочисленных источников внутри помещений, концентрации ЛОС в воздухе внутри помещений постоянно выше (до десяти раз выше), чем на открытом воздухе из-за множества источников. [33] ЛОС выделяются тысячами внутренних продуктов. Примерами являются: краски, лаки, воски и полироли, средства для снятия краски, чистящие средства и средства личной гигиены, пестициды, строительные материалы и мебель, офисное оборудование, такое как копировальные аппараты и принтеры, корректирующие жидкости и безуглеродная копировальная бумага , графические и ремесленные материалы, включая клеи и адгезивы, перманентные маркеры и фотографические растворы. [34] Человеческая деятельность, такая как приготовление пищи и уборка, также может выделять ЛОС. [35] [36] Приготовление пищи может выделять длинноцепочечные альдегиды и алканы при нагревании масла, а терпены могут выделяться при приготовлении и/или готовке специй. [35] Чистящие средства содержат ряд ЛОС, включая монотерпены , сесквитерпены , спирты и эфиры . После попадания в воздух ЛОС могут вступать в реакции с озоном и гидроксильными радикалами, образуя другие ЛОС, такие как формальдегид. [36]
Некоторые ЛОС выбрасываются непосредственно в помещении, а некоторые образуются в результате последующих химических реакций. [37] [38] Общая концентрация всех ЛОС (TVOC) в помещении может быть в пять раз выше, чем на открытом воздухе. [39]
В новых зданиях наблюдается особенно высокий уровень выделения летучих органических соединений внутри помещений из-за обилия новых материалов (строительных материалов, арматуры, поверхностных покрытий и обработок, таких как клеи, краски и герметики), которые подвергаются воздействию воздуха в помещении, выделяя множество газов ЛОС. [40] Это выделение газов имеет многоэкспоненциальную тенденцию распада, которая прослеживается 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 в несколько лет. [41]
Новые здания могут потребовать интенсивной вентиляции в течение первых нескольких месяцев или обработки обжигом . Существующие здания могут быть пополнены новыми источниками ЛОС, такими как новая мебель, потребительские товары и переделка внутренних поверхностей, все это приводит к непрерывному фоновому выбросу ЛОС и требует улучшенной вентиляции. [40]
Существуют сильные сезонные колебания выбросов ЛОС в помещениях, причем летом уровень выбросов увеличивается. Это в значительной степени связано со скоростью диффузии видов ЛОС через материалы к поверхности, которая увеличивается с температурой. Это приводит к более высоким концентрациям ЛОС в помещениях летом. [41]
Измерение ЛОС в воздухе помещения выполняется с помощью сорбционных трубок, например, Tenax (для ЛОС и SVOC) или картриджей DNPH (для карбонильных соединений) или детектора воздуха. ЛОС адсорбируются на этих материалах и затем десорбируются либо термически (Tenax), либо путем элюирования (DNPH), а затем анализируются с помощью ГХ-МС / ПИД или ВЭЖХ . Для контроля качества этих измерений ЛОС требуются эталонные газовые смеси. [42] Кроме того, продукты, выделяющие ЛОС, используемые в помещении, например, строительные изделия и мебель, исследуются в испытательных камерах на выбросы в контролируемых климатических условиях. [43] Для контроля качества этих измерений проводятся круговые испытания, поэтому в идеале требуются воспроизводимо выделяющие эталонные материалы. [42] Другие методы использовали запатентованные канистры с покрытием Silcosteel с постоянными входными отверстиями для сбора образцов в течение нескольких дней. [44] Эти методы не ограничиваются адсорбционными свойствами материалов, таких как Tenax.
В большинстве стран используется отдельное определение ЛОС в отношении качества воздуха в помещении , которое включает каждое органическое химическое соединение, которое можно измерить следующим образом: адсорбция из воздуха на Tenax TA, термодесорбция, 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 включительно . Соединения, появляющиеся раньше, называются ЛОС (очень летучие органические соединения); соединения, появляющиеся позже, называются ЛОСО (полулетучие органические соединения).
Франция , Германия (AgBB/DIBt), Бельгия , Норвегия (регламент TEK) и Италия (CAM Edilizia) приняли правила по ограничению выбросов ЛОС от коммерческих продуктов. Европейская промышленность разработала множество добровольных экологических маркировок и систем рейтингов, таких как EMICODE, [45] M1, [46] Blue Angel , [47] GuT (текстильные напольные покрытия), [48] Nordic Swan Ecolabel, [49] EU Ecolabel , [50] и Indoor Air Comfort. [51] В Соединенных Штатах существует несколько стандартов; Калифорнийский стандарт CDPH, раздел 01350 [52], 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 летучими органическими соединениями и другими загрязнителями воздуха внутри и вне помещений. [53]
Некоторые ЛОС, такие как стирол и лимонен , могут реагировать с оксидами азота или с озоном, образуя новые продукты окисления и вторичные аэрозоли, которые могут вызывать симптомы сенсорного раздражения. [54] ЛОС способствуют образованию тропосферного озона и смога . [55] [56]
Последствия для здоровья включают раздражение глаз, носа и горла ; головные боли , потерю координации, тошноту ; и повреждение печени , почек и центральной нервной системы . [57] Предполагается или известно, что некоторые ЛОС вызывают рак у людей. Основные признаки или симптомы, связанные с воздействием ЛОС, включают раздражение конъюнктивы, дискомфорт в носу и горле, головную боль, аллергическую реакцию кожи, одышку , снижение уровня холинэстеразы в сыворотке , тошноту, рвоту, носовое кровотечение, усталость, головокружение. [58]
Способность органических химикатов вызывать последствия для здоровья сильно варьируется от тех, которые являются высокотоксичными, до тех, которые не имеют известных последствий для здоровья. Как и в случае с другими загрязняющими веществами, степень и характер последствий для здоровья будут зависеть от многих факторов, включая уровень воздействия и продолжительность времени воздействия. Раздражение глаз и дыхательных путей, головные боли, головокружение, нарушения зрения и ухудшение памяти являются одними из непосредственных симптомов, которые некоторые люди испытывают вскоре после воздействия некоторых органических веществ. В настоящее время мало что известно о том, какие последствия для здоровья возникают из-за уровней органических веществ, обычно встречающихся в домах. [59]
Хотя концентрации бензола , толуола и метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ) равны нулю по сравнению с концентрациями, обнаруженными в воздухе внутри помещений, они были обнаружены в образцах грудного молока и увеличивают концентрации ЛОС, воздействию которых мы подвергаемся в течение дня. [60] Исследование отмечает разницу между ЛОС в альвеолярном дыхании и вдыхаемом воздухе, предполагая, что ЛОС попадают в организм, метаболизируются и выводятся через внелегочный путь. [61] ЛОС также попадают в организм с питьевой водой в различных концентрациях. Некоторые концентрации ЛОС превышали Национальные основные правила питьевой воды Агентства по охране окружающей среды и Национальные стандарты питьевой воды Китая, установленные Министерством экологии и охраны окружающей среды . [62]
Присутствие ЛОС в воздухе и грунтовых водах побудило к проведению дополнительных исследований. Было проведено несколько исследований для измерения эффектов дермальной абсорбции определенных ЛОС. Воздействие ЛОС на кожу, таких как формальдегид и толуол, снижает уровень антимикробных пептидов на коже, таких как кателицидин LL-37, человеческий β-дефензин 2 и 3. [63] Ксилол и формальдегид ухудшают аллергическое воспаление у животных моделей. [64] Толуол также увеличивает нарушение регуляции филаггрина : ключевого белка в дермальной регуляции. [65] 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 уменьшало количество воды в трансэпидермальном слое, что делает слои кожи уязвимыми. [63] [66]
Предельные значения выбросов ЛОС в воздух внутри помещений публикуются AgBB , [67] AFSSET , Департаментом общественного здравоохранения Калифорнии и другими. Эти правила побудили несколько компаний в лакокрасочной и клеевой промышленности адаптироваться к снижению уровня ЛОС в своих продуктах. [ требуется ссылка ] Маркировки ЛОС и программы сертификации могут не оценивать должным образом все ЛОС, выделяемые продуктом, включая некоторые химические соединения, которые могут иметь отношение к качеству воздуха внутри помещений. [68] Каждая унция красителя, добавленного в тонировочную краску, может содержать от 5 до 20 граммов ЛОС. Однако темный цвет может потребовать от 5 до 15 унций красителя, добавляя до 300 или более граммов ЛОС на галлон краски. [69]
ЛОС также встречаются в больницах и медицинских учреждениях. В этих условиях эти химикаты широко используются для очистки, дезинфекции и гигиены различных зон. [70] Таким образом, медицинские работники, такие как медсестры, врачи, санитарный персонал и т. д., могут иметь неблагоприятные последствия для здоровья, такие как астма ; однако, требуется дальнейшая оценка для определения точных уровней и детерминант, которые влияют на воздействие этих соединений. [70] [71] [72]
Уровни концентрации отдельных ЛОС, таких как галогенированные и ароматические углеводороды, существенно различаются между зонами одной и той же больницы. Как правило, этанол , изопропанол , эфир и ацетон являются основными соединениями внутри объекта. [73] [74] Следуя той же линии, в исследовании, проведенном в Соединенных Штатах, было установлено, что помощники медсестер больше всего подвергаются воздействию таких соединений, как этанол, в то время как специалисты по подготовке медицинского оборудования больше всего подвергаются воздействию 2-пропанола . [73] [74]
Что касается воздействия ЛОС на персонал, занимающийся уборкой и гигиеной, исследование, проведенное в 4 больницах в Соединенных Штатах, установило, что работники, занимающиеся стерилизацией и дезинфекцией, связаны с воздействием d-лимонена и 2-пропанола, в то время как те, кто отвечает за уборку с использованием хлорсодержащих продуктов, с большей вероятностью будут иметь более высокий уровень воздействия α-пинена и хлороформа . [72] Те, кто выполняет работы по очистке полов и других поверхностей (например, натирание полов воском) и кто использует четвертичный аммоний, спирт и продукты на основе хлора, связаны с более высоким воздействием ЛОС, чем две предыдущие группы, то есть они особенно связаны с воздействием ацетона, хлороформа, α-пинена, 2-пропанола или d-лимонена. [72]
Другие медицинские учреждения, такие как дома престарелых и дома престарелых, редко становились предметом исследования, хотя пожилые люди и уязвимые группы населения могут проводить значительное время в этих помещениях, где они могут подвергаться воздействию ЛОС, образующихся при обычном использовании чистящих средств, спреев и освежителей. [75] [76] В одном исследовании было выявлено более 200 химических веществ, из которых 41 оказывает неблагоприятное воздействие на здоровье, 37 из них являются ЛОС. Воздействие на здоровье включает сенсибилизацию кожи, репродуктивную и органоспецифическую токсичность, канцерогенность , мутагенность и свойства, нарушающие работу эндокринной системы . [75] 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. [77]
Получение образцов для анализа является сложной задачей. ЛОС, даже когда они находятся на опасных уровнях, разбавлены, поэтому обычно требуется предварительная концентрация. Многие компоненты атмосферы являются взаимно несовместимыми, например, озон и органические соединения, пероксиацилнитраты и многие органические соединения. Кроме того, сбор ЛОС путем конденсации в холодных ловушках также накапливает большое количество воды, которую, как правило, необходимо удалять выборочно, в зависимости от используемых аналитических методов. [30] Методы твердофазной микроэкстракции (SPME) используются для сбора ЛОС при низких концентрациях для анализа. [78] Применительно к анализу дыхания для отбора проб используются следующие методы: пакеты для отбора проб газа, шприцы, вакуумированные стальные и стеклянные контейнеры. [79]
В США стандартные методы были установлены Национальным институтом охраны труда и здоровья (NIOSH), а другой — US OSHA. Каждый метод использует однокомпонентный растворитель; однако бутанол и гексан нельзя отбирать на одной и той же матрице образца с использованием метода NIOSH или OSHA. [80]
ЛОС количественно определяются и идентифицируются двумя основными методами. Основным методом является газовая хроматография (ГХ). Приборы ГХ позволяют разделять газообразные компоненты. При соединении с пламенно-ионизационным детектором (ПИД) ГХ могут обнаруживать углеводороды на уровне частей на триллион. Используя детекторы электронного захвата , ГХ также эффективны для органогалогенидов, таких как хлоруглероды.
Вторым основным методом, связанным с анализом ЛОС, является масс-спектрометрия , которая обычно сочетается с ГХ, образуя смешанный метод ГХ-МС. [81]
Методы прямой инъекционной масс-спектрометрии часто используются для быстрого обнаружения и точной количественной оценки ЛОС. [82] PTR-MS является одним из методов, которые наиболее широко используются для анализа биогенных и антропогенных ЛОС в режиме реального времени. [83] Сообщается, что приборы PTR-MS, основанные на времяпролетной масс-спектрометрии, достигают пределов обнаружения 20 pptv после 100 мс и 750 ppqv после 1 мин. времени измерения (интеграции сигнала). Массовое разрешение этих устройств составляет от 7000 до 10 500 м/Δм, поэтому можно разделить большинство распространенных изобарных ЛОС и количественно определить их независимо. [84]
Выдыхаемый человеком воздух содержит несколько тысяч летучих органических соединений и используется в биопсии дыхания в качестве биомаркера ЛОС для тестирования на заболевания, [79] такие как рак легких . [85] Одно исследование показало, что «летучие органические соединения ... в основном переносятся кровью и, следовательно, позволяют контролировать различные процессы в организме». [86] И, по-видимому, соединения ЛОС в организме «могут либо вырабатываться в результате метаболических процессов, либо вдыхаться/поглощаться из экзогенных источников», таких как табачный дым в окружающей среде . [85] [87] Химическая дактилоскопия 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 выдыхаемый газ.
Для достижения сопоставимости измерений ЛОС требуются эталонные стандарты, прослеживаемые к единицам СИ . Для ряда ЛОС газообразные эталонные стандарты доступны у поставщиков специальных газов или национальных метрологических институтов , либо в форме цилиндров, либо с помощью методов динамической генерации. Однако для многих ЛОС, таких как кислородсодержащие ЛОС, монотерпены или формальдегид , отсутствуют стандарты с соответствующим количеством фракции из-за химической реактивности или адсорбции этих молекул. В настоящее время несколько национальных метрологических институтов работают над недостающими стандартными газовыми смесями при концентрации следовых количеств, минимизируя процессы адсорбции и улучшая нулевой газ. [42] Окончательные области применения — это прослеживаемость и долгосрочная стабильность стандартных газов в соответствии с целями качества данных (DQO, максимальная неопределенность 20% в данном случае), требуемыми программой ВМО / ГАВ . [88]
{{cite web}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)