Compuesto orgánico volátil

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

Definiciones

Se utilizan diversas definiciones del término VOC.

Canada

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). El énfasis se pone en los COV comúnmente encontrados 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 inferior 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 político para la reducción de las emisiones industriales de compuestos orgánicos volátiles (COV) en la Unión Europea. Abarca 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 de Emisiones de Disolventes de COV exige que las instalaciones en las que se realicen tales actividades cumplan con los valores límite de emisión establecidos en la Directiva o con los requisitos del llamado esquema de reducción. El artículo 13 de la Directiva de 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 VOC 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, acabados de accesorios, recubrimientos 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 diferencia entre COV y otros contaminantes del aire, el CPCB monitorea "óxidos de nitrógeno (NOx _{), dióxido de} azufre (SO2), partículas finas (PM10) y partículas en suspensión (SPM)".

Estados Unidos

Las definiciones de VOC utilizadas para el control de los precursores del smog fotoquímico utilizadas por la Agencia de Protección Ambiental (EPA) de los EE. UU. y las agencias estatales de los EE. -reactividad en el proceso de formación del 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 VOC puede ser engañoso, especialmente cuando se aplica a la calidad del aire interior porque muchas sustancias químicas que no están reguladas como contaminación del aire exterior aún pueden ser importantes para la contaminación del aire interior.

Después de una audiencia pública en septiembre de 1995, CARB de California utiliza el término "gases orgánicos reactivos" (ROG) para medir los gases orgánicos. El CARB revisó la definición de "Compuestos Orgánicos Volátiles" utilizada en sus regulaciones de productos de consumo, según los hallazgos del comité.

Además del agua potable, los COV están regulados en las descargas de contaminantes a las aguas superficiales (tanto directamente como a través de las plantas de tratamiento de aguas residuales) como residuos 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 se clasifican como materiales peligrosos están regulados por la Administración de seguridad de tuberías y materiales peligrosos mientras se transportan.

COV generados biológicamente

• El limoneno, un VOC biogénico común, es emitido a la atmósfera principalmente por los árboles que crecen en los bosques de coníferas.

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

Los compuestos orgánicos volátiles biogénicos (COVB) abarcan los COV emitidos por plantas, animales o microorganismos y, si bien son extremadamente diversos, suelen ser terpenoides, alcoholes y carbonilos (por lo general, no se consideran el metano ni el monóxido de carbono). Sin contar el metano, las fuentes biológicas emiten aproximadamente 760 teragramos de carbono por año en forma de COV. La mayoría de los COV son producidos por las 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 emitido por muchas plantas consiste en volátiles de hojas verdes, un subconjunto de COV. Aunque están destinados a que los organismos cercanos los detecten y respondan, estos volátiles pueden detectarse y comunicarse a través de la transmisión electrónica inalámbrica, mediante la incorporación de nanosensores y transmisores 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 los radicales hidroxilo en la atmósfera; en ausencia de contaminantes NOx _, la fotoquímica de COV recicla los radicales hidroxilo para crear un equilibrio biosfera-atmósfera sostenible. Debido a los desarrollos recientes del cambio climático, como el calentamiento y una mayor radiación UV, generalmente se prevé que aumenten las emisiones de BVOC de las plantas, alterando así la interacción biosfera-atmósfera y dañando los principales ecosistemas. Una clase importante de COV es la clase de compuestos terpénicos, como el mirceno.Para dar una idea de la escala, se estima que un bosque de 62 000 km de superficie, del tamaño del estado de Pensilvania, en EE. UU., emite 3 400 000 kilogramos de terpenos en un día típico de agosto durante la temporada de crecimiento. Los investigadores que estudian los mecanismos de inducción de genes que producen compuestos orgánicos volátiles y el posterior aumento de terpenos volátiles se han logrado en el maíz utilizando (Z)-3-hexen-1-ol y otras hormonas vegetales.

Fuentes antropogénicas

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

La principal fuente de COV artificiales son:

• Uso y producción de combustibles fósiles, por ejemplo, combustibles fósiles quemados de forma incompleta o evaporación no intencionada de combustibles. El VOC más frecuente es el etano, un compuesto relativamente inerte.
• Disolventes utilizados en revestimientos, pinturas y tintas. Anualmente se producen aproximadamente 12 mil millones de litros de pintura. Los solventes típicos incluyen hidrocarburos alifáticos, acetato de etilo, éteres de glicol y acetona. Motivados por el costo, las preocupaciones ambientales y la regulación, las industrias de pinturas y revestimientos se están desplazando cada vez más hacia los solventes acuosos.
• Se estima que los productos de aerosol comprimido, principalmente butano y propano, contribuyen con 1.300 millones de toneladas de emisiones de COV por año a nivel mundial.
• Uso de biocombustibles, por ejemplo, aceites de cocina en Asia y bioetanol en Brasil.
• Combustión de biomasa, especialmente de las selvas tropicales. Aunque la combustión libera principalmente 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 individuales de COV no son tan altas en un ambiente interior, pero la concentración total de todos los COV (TVOC) 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 COV en el interior debido a la abundancia de nuevos materiales (materiales de construcción, accesorios, revestimientos de superficies y tratamientos como pegamentos, pinturas y selladores) expuestos al aire interior, que emiten múltiples gases COV.Esta emisión de gases tiene una tendencia de descomposición multiexponencial que es perceptible durante al menos dos años, con los compuestos más volátiles decayendo con una constante de tiempo de unos pocos días, y los compuestos menos volátiles decayendo con una constante de tiempo de unos pocos días. años. Los edificios nuevos pueden requerir una ventilación intensiva durante los primeros meses o una estrategia de horneado. Los edificios existentes pueden reabastecerse con nuevas fuentes de VOC, 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 medida a la tasa 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.

Mediciones 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 mediante 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 bajo condiciones climáticas controladas. Para el control de calidad de estas mediciones se llevan a cabo pruebas interlaboratorio, por lo que idealmente se requieren materiales de referencia de emisión reproducible.Otros métodos han utilizado recipientes 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 usa 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 cromatográfica de gases sobre una columna 100% no polar (dimetilpolisiloxano). Los VOC (compuestos orgánicos volátiles) son todos los compuestos que aparecen en el cromatograma de gases entre e incluyendo n -hexano y n -hexadecano. 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 etiquetas ecológicas y sistemas de clasificación voluntarios, como EMICODE, M1, Blue Angel, GuT (revestimientos textiles para suelos), Nordic Swan Ecolabel, EU Ecolabel e Indoor Air Comfort. En los Estados Unidos existen varios estándares; La sección 01350 de California Standard CDPH es la más común. Estas regulaciones y estándares cambiaron el mercado, lo que llevó a un número cada vez mayor de productos de baja emisión.

Riesgos de salud

Los efectos respiratorios, alérgicos o inmunitarios en bebés o niños están asociados con los COV creados por el hombre y otros contaminantes del aire interior o exterior.

Algunos COV, como el estireno y el limoneno, pueden reaccionar con los óxidos de nitrógeno o con el 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 los ojos, la nariz y la garganta; dolores de cabeza, pérdida de coordinación, náuseas; y daño al hígado, riñón y sistema nervioso central. Algunos compuestos orgánicos pueden causar cáncer en los 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 y 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, incluidos el nivel de exposición y el tiempo de exposición. La irritación de los ojos y las vías respiratorias, los dolores de cabeza, los mareos, los trastornos visuales y el 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 a partir de los niveles de compuestos orgánicos que se encuentran normalmente en los hogares.

Ingestión

Si bien es nulo en comparación con las concentraciones encontradas en el aire interior, se encontraron benceno, tolueno y metil terc-butil éter (MTBE) en muestras de leche humana y aumentan las concentraciones de VOC a las que estamos expuestos a lo largo del día. Un estudio señala la diferencia entre los COV en el aliento alveolar y el aire inspirado, lo que sugiere que los COV se ingieren, metabolizan y excretan a través de la vía extrapulmonar. Los COV también son ingeridos por el agua potable en concentraciones variables. Algunas concentraciones de VOC estaban por encima de las Regulaciones Nacionales de Agua Potable Primaria de la EPA y las Normas Nacionales de Agua Potable de China establecidas por el Ministerio de Ecología y Medio Ambiente.

Absorción dérmica

La presencia de COV en el aire y en las aguas subterráneas ha motivado más estudios. Se han realizado varios estudios para medir los efectos de la absorción dérmica de COV específicos. La exposición dérmica a COV como el formaldehído y el tolueno regula a la baja los péptidos antimicrobianos en la piel como la catelicidina LL-37, la β-defensina humana 2 y 3. El xileno y el formaldehído empeoran la inflamación alérgica en modelos animales. El tolueno también aumenta la desregulación de la filagrina: una proteína clave en la regulación dérmica. esto se confirmó mediante inmunofluorescencia para confirmar la pérdida de proteínas y transferencia Western para confirmar la pérdida de ARNm. Estos experimentos se realizaron en muestras de piel humana. La exposición al tolueno también disminuyó el agua en la capa transepidérmica, lo que permitió la vulnerabilidad de las capas de la piel.

Valores límite para las emisiones de COV

Los valores límite para las emisiones de COV al aire interior son publicados por AgBB, AFSSET, el 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 con reducciones en los niveles de COV. Es posible que las etiquetas de VOC y los programas de certificación no evalúen correctamente todos los VOC emitidos por el producto, incluidos algunos compuestos químicos que pueden ser relevantes para la calidad del aire interior. Cada onza de colorante que se agrega 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, sumando hasta 300 gramos o más de COV por galón de pintura.

COV en entornos sanitarios

Los COV también se encuentran en entornos hospitalarios y de atención médica. En estos entornos, estos productos químicos son muy utilizados para la limpieza, desinfección e higiene de las diferentes áreas. Así, los profesionales de la salud como enfermeras, médicos, personal sanitario, etc., pueden presentar efectos adversos para la salud como asma; sin embargo, se requiere una evaluación adicional para determinar los niveles exactos y los determinantes que influyen en la exposición a estos compuestos.

Los estudios han demostrado que los niveles de concentración de diferentes COV, como los hidrocarburos halogenados y aromáticos, difieren sustancialmente entre las áreas del mismo hospital. Sin embargo, uno de estos estudios informó que el etanol, el isopropanol, el éter y la acetona eran los principales compuestos en el interior del sitio. En la misma línea, en un estudio realizado en Estados Unidos se estableció que los auxiliares de enfermería son los más expuestos a compuestos como el etanol, mientras que los preparadores de equipos médicos son los más expuestos al 2-propanol.

En relación a la exposición a COV por parte del personal de limpieza e higiene, un estudio realizado en 4 hospitales de Estados Unidos estableció que los trabajadores de esterilización y desinfección están vinculados a exposiciones a d-limoneno y 2-propanol, mientras que los encargados de limpieza con cloro es más probable que los productos tengan niveles más altos de exposición a α-pineno y cloroformo. Aquellos que realizan tareas de limpieza de pisos y otras superficies (p. ej., encerado de pisos) y que utilizan productos a base de amonio cuaternario, alcohol y cloro se asocian con una mayor exposición a VOC que los dos grupos anteriores, es decir, están particularmente vinculados a la exposición a acetona, cloroformo, α-pineno, 2-propanol o d-limoneno.

Otros entornos sanitarios, como los asilos de ancianos y de atención a la tercera edad, rara vez han sido objeto de estudio, aunque las personas mayores y las poblaciones vulnerables pueden pasar un tiempo considerable en estos entornos interiores donde pueden estar expuestos a los COV, derivados del uso común de agentes de limpieza, sprays y ambientadores. En un estudio realizado en Francia, un equipo de investigadores desarrolló un cuestionario en línea para diferentes instalaciones sociales y de atención a la tercera edad, preguntando sobre las prácticas de limpieza, los productos utilizados y la frecuencia de estas actividades. Como resultado, se identificaron más de 200 productos químicos, de los cuales se sabe que 41 tienen efectos adversos para la salud, 37 de los cuales son COV. Los efectos sobre la salud incluyen sensibilización de la piel, toxicidad reproductiva y específica de órganos, carcinogenicidad, mutagenicidad y propiedades de alteración endocrina.Además, en otro estudio realizado en el mismo país europeo, se encontró que existe una asociación significativa entre la disnea en la población anciana y la exposición elevada a COV como el tolueno y el o-xileno, a diferencia del resto de la población.

Métodos analíticos

Muestreo

La obtención de muestras para el 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 incompatibles entre sí, por ejemplo, el ozono y los compuestos orgánicos, los nitratos de peroxiacilo y muchos compuestos orgánicos. Además, la recogida de COVs por condensación en trampas frías también acumula una gran cantidad de agua, que generalmente debe ser eliminada de forma selectiva, dependiendo de las técnicas analíticas a emplear. Las técnicas de microextracción en fase sólida (SPME) se utilizan para recolectar COV en bajas concentraciones 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 al vacío.

Principio y métodos de medición

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

Los COV se cuantifican e identifican mediante dos técnicas amplias. La técnica principal es la cromatografía de gases (GC). Los instrumentos de GC permiten la separación de componentes gaseosos. Cuando se acoplan a un detector de ionización de llama (FID), los GC pueden detectar hidrocarburos a niveles de partes por billón. Usando detectores de captura de electrones, los GC también son efectivos para organohaluro 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 lugar a la técnica con guión de GC-MS.

Las técnicas de espectrometría de masas de inyección directa se utilizan con frecuencia para la detección rápida y la cuantificación precisa de los COV. 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 la 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 de aliento

El aliento humano exhalado contiene unos pocos miles de compuestos orgánicos volátiles y se usa en la biopsia de aliento para servir como biomarcador de VOC 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 monitorear diferentes procesos en el cuerpo". Y parece que los compuestos COV en el cuerpo "pueden ser producidos por procesos metabólicos o inhalados/absorbidos de fuentes exógenas", como el humo del tabaco ambiental. La toma de huellas dactilares químicas y el análisis del aliento de compuestos orgánicos volátiles también se han demostrado con conjuntos 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 VOC, se requieren estándares de referencia trazables a unidades SI. Los estándares de referencia gaseosos para una cantidad de COV están disponibles en proveedores de gases especiales o institutos nacionales de metrología, ya sea en forma de cilindros o métodos de generación dinámica. Sin embargo, para muchos COV, como los COV oxigenados, los monoterpenos o el formaldehído, no hay estándares disponibles en la cantidad adecuada de fracción debido a la reactividad química o la adsorción de estas moléculas. Actualmente, varios institutos nacionales de metrología están trabajando en la falta de mezclas de gases estándar a nivel de concentración de trazas, minimizando los procesos de adsorción y mejorando el gas cero.Los alcances finales son que la trazabilidad y la estabilidad a largo plazo de los gases estándar estén de acuerdo con los objetivos de calidad de datos (DQO, incertidumbre máxima del 20% en este caso) requeridos por el programa WMO/GAW.