VOC là gì?

Định nghĩa VOC

VOC là tên viết tắt của Volatile organic compound hay Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi là các hóa chất hữu cơ có áp suất hơi cao ở nhiệt độ phòng. Áp suất hơi cao tương quan với điểm sôi thấp, liên quan đến số lượng phân tử của mẫu trong không khí xung quanh, một đặc điểm được gọi là tính dễ bay hơi.

Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi là nguyên nhân gây ra mùi của mùi hương và nước hoa cũng như các chất ô nhiễm. VOC đóng một vai trò quan trọng trong giao tiếp giữa động vật và thực vật, ví dụ như chất dẫn dụ các loài thụ phấn,  bảo vệ khỏi động vật ăn thịt, và thậm chí cả tương tác giữa các loài thực vật.  Một số VOC gây nguy hiểm cho sức khỏe con người hoặc gây hại cho môi trường.  VOC tác động do con người được điều chỉnh bởi pháp luật, đặc biệt là trong nhà, nơi nồng độ cao nhất. Hầu hết các VOC không độc hại cấp tính, nhưng có thể ảnh hưởng lâu dài đến sức khỏe mãn tính.

Các định nghĩa khác nhau về thuật ngữ VOC đang được sử dụng.

Định nghĩa VOC ở Liên minh Châu Âu

Các Liên minh châu Âu định nghĩa Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi là “bất kỳ hợp chất hữu cơ nào có nhiệt độ sôi ban đầu nhỏ hơn hoặc bằng 250 ° C (482 ° F) được đo ở áp suất khí quyển tiêu chuẩn là 101,3 kPa“. Chỉ thị về phát thải dung môi VOC là công cụ chính sách chính để giảm phát thải công nghiệp các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi ở Liên minh Châu Âu. Nó bao gồm một loạt các hoạt động sử dụng dung môi, ví dụ như in ấn, làm sạch bề mặt, sơn phủ xe, giặt khô và sản xuất giày dép và các sản phẩm dược phẩm.

Chỉ thị phát thải dung môi VOC yêu cầu lắp đặt trong đó các hoạt động như vậy được áp dụng để tuân thủ các giá trị giới hạn phát thải được quy định trong Chỉ thị hoặc với các yêu cầu của cái gọi là sơ đồ giảm thiểu. Điều 13 của Chỉ thị về Sơn, được phê duyệt vào năm 2004, đã sửa đổi Chỉ thị phát thải dung môi VOC ban đầu và hạn chế việc sử dụng dung môi hữu cơ trong sơn và vecni trang trí và trong các sản phẩm hoàn thiện xe. Chỉ thị về Sơn đưa ra các giá trị giới hạn hàm lượng VOC tối đa cho sơn và vecni trong một số ứng dụng nhất định

Định nghĩa VOC tại Hoa Kỳ

Các định nghĩa về VOC được sử dụng để kiểm soát tiền chất của sương mù quang hóa được sử dụng bởi Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) và các cơ quan nhà nước ở Hoa Kỳ với các quy định về ô nhiễm không khí ngoài trời độc lập bao gồm các trường hợp miễn trừ đối với các Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi được xác định là không phản ứng hoặc ở mức thấp – hoạt động trong quá trình hình thành sương mù.

Nổi bật là quy định Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi do Khu Quản lý Chất lượng Không khí Bờ biển Nam ở California và Ban Tài nguyên Không khí California (CARB) ban hành.  Tuy nhiên, cách sử dụng cụ thể này của thuật ngữ VOC có thể gây hiểu lầm, đặc biệt là khi áp dụng cho chất lượng không khí trong nhà bởi vì nhiều hóa chất không được quy định như ô nhiễm không khí ngoài trời vẫn có thể quan trọng đối với ô nhiễm không khí trong nhà.

CARB của California sử dụng thuật ngữ “khí hữu cơ phản ứng” (ROG) để đo các khí hữu cơ sau phiên điều trần công khai vào tháng 9 năm 1995. CARB đã sửa đổi định nghĩa về “Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi” được sử dụng trong các quy định về sản phẩm tiêu dùng, dựa trên phát hiện của ủy ban.

Ngoài nước uống, VOC được điều chỉnh trong việc thải chất ô nhiễm ra nước mặt (cả trực tiếp và qua các nhà máy xử lý nước thải)  như chất thải nguy hại, nhưng không phải trong không khí trong nhà phi công nghiệp.

VOCs được tạo sinh học

Hầu hết VOCs trong bầu khí quyển của trái đất là sinh học, phần lớn do thực vật thải ra.

Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi sinh học (BVOC) bao gồm Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi do thực vật, động vật hoặc vi sinh vật thải ra, và trong khi cực kỳ đa dạng, phổ biến nhất là terpenoit, rượu và cacbonyl (metan và cacbon monoxit thường không được xem xét).  Không đếm mêtan , các nguồn sinh học phát ra khoảng 760 teragrams của carbon mỗi năm theo hình thức Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi.  Phần lớn Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi được sản xuất bởi thực vật, hợp chất chính là isoprene . Một lượng nhỏ Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi được sản xuất bởi động vật và vi khuẩn.

Nhiều Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi được coi là chất chuyển hóa thứ cấp, thường giúp sinh vật bảo vệ, chẳng hạn như bảo vệ thực vật chống lại động vật ăn cỏ. Mùi hôi nồng nặc do nhiều loài thực vật thải ra bao gồm các chất dễ bay hơi của lá xanh, một tập hợp con của VOCs. Mặc dù nhằm mục đích để các sinh vật lân cận phát hiện và phản ứng, những chất bay hơi này có thể được phát hiện và giao tiếp thông qua đường truyền điện tử không dây, bằng cách nhúng cảm biến nano và bộ truyền hồng ngoại vào chính nguyên liệu thực vật.

Phát thải bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, chẳng hạn như nhiệt độ, yếu tố quyết định tốc độ bay hơi và tăng trưởng, và ánh sáng mặt trời, xác định tốc độ sinh tổng hợp . Sự phát thải hầu như chỉ xảy ra từ lá, đặc biệt là khí khổng. VOC do các khu rừng trên cạn thải ra thường bị oxy hóa bởi các gốc hydroxyl trong khí quyển; trong trường hợp không có NO x chất ô nhiễm, quang hóa VOC tái chế các gốc hydroxyl để tạo ra sự cân bằng sinh quyển – bầu khí quyển bền vững.

Do những diễn biến gần đây của biến đổi khí hậu, chẳng hạn như sự ấm lên và bức xạ UV lớn hơn, lượng phát thải BVOC thường được dự đoán sẽ tăng lên, do đó làm đảo lộn sự tương tác giữa sinh quyển và bầu khí quyển và gây hại cho các hệ sinh thái chính.  Một loại VOC chính là tecpen, chẳng hạn như myrcene.  Mang lại cảm giác về quy mô, một khu rừng có diện tích 62.000 km 2 (bang Pennsylvania của Hoa Kỳ) ước tính thải ra 3.400.000 kg tecpen vào một ngày điển hình của tháng 8 trong mùa sinh trưởng. Sự cảm ứng của các gen tạo ra các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và sự gia tăng sau đó của các tecpen dễ bay hơi, đã đạt được ở ngô bằng cách sử dụng (Z) -3-hexen-1-ol và các kích thích tố thực vật khác.

VOC từ nguồn nhân tạo

Các nguồn do con người thải ra khoảng 142 teragram (1,42 × 10 11 kg) carbon mỗi năm dưới dạng VOCs.

Nguồn chính của VOC do con người tạo ra là:

Sử dụng và sản xuất nhiên liệu hóa thạch, ví dụ như nhiên liệu hóa thạch bị đốt cháy hoàn toàn hoặc nhiên liệu bay hơi ngoài ý muốn. VOC phổ biến nhất là etan, một hợp chất tương đối trơ. Dung môi được sử dụng trong lớp phủ, sơn và mực. Khoảng 12 tỷ lít sơn được sản xuất hàng năm. Các dung môi điển hình là hydrocacbon béo, etyl axetat, ete glycol và axeton. Được thúc đẩy bởi chi phí, mối quan tâm về môi trường và quy định, các ngành công nghiệp sơn và chất phủ đang ngày càng chuyển hướng sang dung môi nước.

Các sản phẩm khí dung nén, chủ yếu là butan và propan, ước tính đóng góp 1,3 tỷ tấn phát thải VOC mỗi năm trên toàn cầu.

Sử dụng nhiên liệu sinh học, ví dụ, dầu ăn ở châu Á và cồn sinh học ở Brazil.

Đốt sinh khối, đặc biệt là từ rừng mưa. Mặc dù về nguyên tắc, quá trình đốt cháy tạo ra carbon dioxide và nước, nhưng quá trình đốt cháy không hoàn toàn tạo ra nhiều loại VOC.

VOC từ trong nhà

Nồng độ VOC trong không khí trong nhà có thể lớn hơn từ 2 đến 5 lần so với không khí ngoài trời, đôi khi lớn hơn rất nhiều.  Trong một số hoạt động nhất định, mức VOC trong nhà có thể gấp 1.000 lần không khí bên ngoài. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng lượng phát thải của các loài VOC riêng lẻ không cao trong môi trường trong nhà, nhưng tổng nồng độ của tất cả các VOC (TVOC) trong nhà có thể cao hơn tới 5 lần so với ở ngoài trời.

Các tòa nhà mới trải qua mức độ thoát khí VOC đặc biệt cao trong nhà do có nhiều vật liệu mới (vật liệu xây dựng, phụ kiện, chất phủ bề mặt và các phương pháp xử lý như keo, sơn và chất bịt kín) tiếp xúc với không khí trong nhà, thải ra nhiều khí VOC.

Sự thoát khí này có xu hướng phân rã theo cấp số nhân có thể thấy rõ trong ít nhất 2 năm, với các hợp chất dễ bay hơi nhất phân rã với hằng số thời gian là một vài ngày và các hợp chất ít bay hơi nhất phân rã với hằng số thời gian là một vài nhiều năm. Các tòa nhà mới có thể yêu cầu hệ thống thông gió tích cực trong vài tháng đầu tiên hoặc chiến lược nướng chín. Các tòa nhà hiện tại có thể được bổ sung các nguồn VOC mới, chẳng hạn như đồ nội thất mới, sản phẩm tiêu dùng và trang trí lại các bề mặt trong nhà, tất cả đều dẫn đến việc phát thải TVOC trong nền liên tục, đòi hỏi phải cải thiện hệ thống thông gió.

Nhiều nghiên cứu cho thấy sự thay đổi mạnh mẽ theo mùa trong lượng khí thải VOC trong nhà, với tỷ lệ phát thải tăng vào mùa hè. Điều này phần lớn là do tốc độ khuếch tán của các loài VOC qua các vật liệu lên bề mặt, tăng theo nhiệt độ. Hầu hết các nghiên cứu đã chỉ ra rằng điều này dẫn đến nồng độ TVOCs trong nhà nói chung cao hơn vào mùa hè.

Các phép đo chất lượng không khí trong nhà

Phép đo VOC từ không khí trong nhà được thực hiện bằng các ống hấp thụ, ví dụ như Tenax (đối với VOC và SVOC) hoặc hộp mực DNPH (đối với hợp chất cacbonyl) hoặc máy dò không khí. VOCs hấp phụ trên các vật liệu này và sau đó được khử hấp thụ bằng nhiệt (Tenax) hoặc rửa giải (DNPH) và sau đó được phân tích bằng GC-MS / FID hoặc HPLC.

Cần có hỗn hợp khí đối chứng để kiểm soát chất lượng các phép đo VOC này. Hơn nữa, các sản phẩm phát thải VOC được sử dụng trong nhà, ví dụ như các sản phẩm xây dựng và đồ nội thất, được khảo sát trong các buồng thử nghiệm phát thải trong điều kiện khí hậu được kiểm soát. Để kiểm soát chất lượng các phép đo này, các phép thử vòng tròn được thực hiện, do đó lý tưởng nhất là yêu cầu các vật liệu chuẩn phát xạ tái tạo.  Các phương pháp khác đã sử dụng hộp silcosteel với đầu vào dòng chảy liên tục để thu thập mẫu trong vài ngày.  Các phương pháp này không bị giới hạn bởi đặc tính hấp phụ của các vật liệu như Tenax.

Quy định về phát thải VOC trong nhà

Ở hầu hết các quốc gia, một định nghĩa riêng về VOC được sử dụng liên quan đến chất lượng không khí trong nhà bao gồm từng hợp chất hóa học hữu cơ có thể đo được như sau: hấp phụ từ không khí trên Tenax TA, giải hấp nhiệt, tách sắc ký khí trên cột 100% không phân cực ( đimetylpolysiloxan ). VOC (hợp chất hữu cơ dễ bay hơi) là tất cả các hợp chất xuất hiện trên sắc ký đồ giữa và bao gồm n -hexan và n -hexadecan . Các hợp chất xuất hiện trước đó được gọi là VVOC (hợp chất hữu cơ rất dễ bay hơi); các hợp chất xuất hiện sau đó được gọi là SVOC (hợp chất hữu cơ bán bay hơi).

Pháp, Đức (AgBB / DIBt), Bỉ, Na Uy (quy định TEK) và Ý (CAM Edilizia) đã ban hành các quy định để hạn chế phát thải VOC từ các sản phẩm thương mại. Ngành công nghiệp châu Âu đã phát triển nhiều hệ thống đánh giá và nhãn điện tử tự nguyện, chẳng hạn như EMICODE, M1, Blue Angel,  GuT (vải trải sàn), Nordic Swan Ecolabel,  EU-Ecolabel.Tại Hoa Kỳ, một số tiêu chuẩn tồn tại; CDPH Tiêu chuẩn California Mục 01350 là một trong những phổ biến nhất. Các quy định và tiêu chuẩn này đã thay đổi thị trường, dẫn đến ngày càng có nhiều sản phẩm phát thải thấp.

Những rủi ro về sức khỏe từ VOC

Các tác động hô hấp, dị ứng hoặc miễn dịch ở trẻ sơ sinh hoặc trẻ em có liên quan đến VOC nhân tạo và các chất gây ô nhiễm không khí trong nhà hoặc ngoài trời khác.

Một số VOC, chẳng hạn như styrene và limonene, có thể phản ứng với oxit nitơ hoặc với ozon để tạo ra các sản phẩm oxy hóa mới và sol khí thứ cấp, có thể gây ra các triệu chứng kích thích cảm giác. VOC góp phần hình thành ôzôn đối lưu và sương mù.

Ảnh hưởng đến sức khỏe bao gồm kích ứng mắt, mũi và cổ họng; nhức đầu, mất phối hợp, buồn nôn; và tổn thương gan, thận và hệ thần kinh trung ương.  Một số chất hữu cơ có thể gây ung thư ở động vật; một số bị nghi ngờ hoặc được biết là gây ung thư ở người. Các dấu hiệu hoặc triệu chứng chính liên quan đến việc tiếp xúc với VOC bao gồm kích ứng kết mạc, khó chịu ở mũi và cổ họng, nhức đầu, phản ứng dị ứng trên da, khó thở, giảm nồng độ cholinesterase trong huyết thanh, buồn nôn, nôn, chảy máu mũi, mệt mỏi, chóng mặt.

Khả năng gây ảnh hưởng đến sức khỏe của các hóa chất hữu cơ rất khác nhau từ những chất có độc tính cao đến những chất không gây ảnh hưởng đến sức khỏe. Cũng như các chất ô nhiễm khác, mức độ và bản chất của ảnh hưởng đến sức khỏe sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm mức độ phơi nhiễm và thời gian tiếp xúc. Kích ứng mắt và đường hô hấp, đau đầu, chóng mặt, rối loạn thị giác và suy giảm trí nhớ là một trong những triệu chứng tức thì mà một số người gặp phải ngay sau khi tiếp xúc với một số chất hữu cơ. Hiện tại, không có nhiều thông tin về những ảnh hưởng sức khỏe xảy ra từ hàm lượng chất hữu cơ thường có trong nhà.

Phương pháp phân tích VOC

Lấy mẫu VOC

Lấy mẫu để phân tích là một thách thức. VOC, ngay cả khi ở mức nguy hiểm, cũng loãng, vì vậy thường cần phải pha loãng trước. Nhiều thành phần của khí quyển không tương thích lẫn nhau, ví dụ như ozon và các hợp chất hữu cơ, peroxyacyl nitrat và nhiều hợp chất hữu cơ. Hơn nữa, việc thu thập VOC bằng cách ngưng tụ trong bẫy lạnh cũng tích tụ một lượng lớn nước, thường phải loại bỏ một cách chọn lọc, tùy thuộc vào kỹ thuật phân tích được sử dụng.  Kỹ thuật vi phân đoạn pha rắn (SPME) được sử dụng để thu thập VOC ở nồng độ thấp để phân tích. Như được áp dụng để phân tích hơi thở, các phương thức sau được sử dụng để lấy mẫu: túi lấy mẫu khí, ống tiêm, hộp thép hút chân không và thủy tinh.

Nguyên lý và phương pháp đo VOC

Tại Hoa Kỳ, các phương pháp tiêu chuẩn đã được thiết lập bởi Viện Quốc gia về An toàn và Sức khỏe Nghề nghiệp (NIOSH) và một tổ chức khác của OSHA Hoa Kỳ. Mỗi phương pháp sử dụng một dung môi thành phần duy nhất; Tuy nhiên, không thể lấy mẫu butanol và hexan trên cùng một nền mẫu bằng phương pháp NIOSH hoặc OSHA.

VOCs được định lượng và xác định bằng hai kỹ thuật rộng. Kỹ thuật chính là sắc ký khí (GC). Dụng cụ GC cho phép tách các thành phần khí. Khi được kết hợp với máy dò ion hóa ngọn lửa (FID), GC có thể phát hiện hydrocacbon ở mức phần nghìn tỷ. Sử dụng các máy dò bắt điện tử , GC cũng có hiệu quả đối với chất diệt khuẩn hữu cơ như chlorocarbon.

Kỹ thuật chính thứ hai liên quan đến phân tích VOC là khối phổ, thường được kết hợp với GC, tạo ra kỹ thuật gạch nối của GC-MS.

Các kỹ thuật khối phổ tiêm trực tiếp thường được sử dụng để phát hiện nhanh chóng và định lượng chính xác VOC.

PTR-MS là một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để phân tích trực tuyến VOCs sinh học và kháng sinh. Các thiết bị PTR-MS dựa trên khối phổ thời gian bay đã được báo cáo đạt giới hạn phát hiện 20 pptv sau 100 ms và 750 ppqv sau 1 phút. thời gian đo lường (tích hợp tín hiệu). Các độ phân giải khối lượng của những thiết bị này là giữa 7000 và 10.500 m / Δm, do đó nó có thể tách rời nhất VOC đẳng áp phổ biến và định lượng chúng một cách độc lập.

Lấy dấu vân tay hóa học và phân tích hơi thở

Hơi thở con người thở ra có chứa vài nghìn hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và được sử dụng trong sinh thiết hơi thở để làm dấu ấn sinh học VOC để kiểm tra các bệnh, chẳng hạn như ung thư phổi. Một nghiên cứu đã chỉ ra rằng “các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi … chủ yếu được sinh ra từ máu và do đó cho phép theo dõi các quá trình khác nhau trong cơ thể.” Và có vẻ như các hợp chất VOC trong cơ thể “có thể được tạo ra bởi quá trình trao đổi chất hoặc được hít vào / hấp thụ từ các nguồn ngoại sinh” chẳng hạn như khói thuốc lá trong môi trường. Dấu vân tay hóa học và phân tích hơi thở của các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi cũng đã được chứng minh vớimảng cảm biến hóa học, sử dụng nhận dạng mẫu để phát hiện các thành phần hữu cơ dễ bay hơi trong hỗn hợp phức tạp như khí thở.

Đo lường cho các phép đo VOC

Để đạt được khả năng so sánh của các phép đo VOC, cần có các chất chuẩn tham chiếu có thể truy nguyên theo đơn vị SI. Đối với một số tiêu chuẩn tham chiếu ở dạng khí VOC có sẵn từ các nhà cung cấp khí đặc biệt hoặc các viện đo lường quốc gia, ở dạng chai hoặc phương pháp tạo động lực. Tuy nhiên, đối với nhiều VOC, chẳng hạn như VOC được oxy hóa, monoterpen hoặc formaldehyde , không có tiêu chuẩn nào có sẵn lượng phân đoạn thích hợp do phản ứng hóa học hoặc sự hấp phụ của các phân tử này. Hiện nay, một số viện đo lường quốc gia đang nghiên cứu các hỗn hợp khí thiếu tiêu chuẩn ở nồng độ mức vết, giảm thiểu các quá trình hấp phụ và cải thiện không khí. Phạm vi cuối cùng là để xác định nguồn gốc và độ ổn định lâu dài của khí tiêu chuẩn phù hợp với các mục tiêu chất lượng dữ liệu (DQO, độ không đảm bảo đo tối đa trong trường hợp này là 20%) theo yêu cầu củachương trình WMO / GAW.

Nguồn wikimedia.com