Los compuestos orgánicos volátiles ( COV ) son compuestos orgánicos que tienen una alta presión de vapor a temperatura ambiente . [1] Una alta presión de vapor se correlaciona con un punto de ebullición bajo , que se relaciona con la cantidad de moléculas de la muestra en el aire circundante, un rasgo conocido como volatilidad . [2]
Los COV son responsables del olor de los aromas y perfumes , así como de los contaminantes . Los COV desempeñan un papel importante en la comunicación entre animales y plantas, por ejemplo, como atrayentes para los polinizadores, [3] como protección contra la depredación, [4] e incluso en las interacciones entre plantas. [5] Algunos COV son peligrosos para la salud humana o causan daños al medio ambiente . Los COV antropogénicos están regulados por ley, especialmente en interiores, donde las concentraciones son las más altas. La mayoría de los COV no son agudamente tóxicos , pero pueden tener efectos crónicos a largo plazo sobre la salud. Algunos COV se han utilizado en farmacia , mientras que otros son objeto de controles administrativos debido a su uso recreativo .
Existen diversas definiciones del término COV. A continuación se presentan algunos ejemplos.
Health Canada clasifica los COV como compuestos orgánicos que tienen puntos de ebullición que oscilan aproximadamente entre 50 y 250 °C (122 y 482 °F). Se hace hincapié en los COV que se encuentran comúnmente y que tendrían un efecto sobre la calidad del aire. [6]
La Unión Europea define un COV como "cualquier compuesto orgánico, así como la fracción de creosota , que tenga a 293,15 K una presión de vapor de 0,01 kPa o más, o que tenga una volatilidad correspondiente en las condiciones particulares de uso". [7] La Directiva sobre emisiones de disolventes de COV fue el principal instrumento de política para la reducción de las emisiones industriales de compuestos orgánicos volátiles (COV) en la Unión Europea. Cubre una amplia gama de actividades que utilizan disolventes, por ejemplo, impresión, limpieza de superficies, recubrimiento de vehículos, limpieza en seco y fabricación de calzado y productos farmacéuticos. La Directiva sobre emisiones de disolventes de COV requiere que las instalaciones en las que se aplican tales actividades cumplan con los valores límite de emisión establecidos en la Directiva o con los requisitos del llamado plan 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. [8] [9] La Directiva sobre emisiones de disolventes fue sustituida por la Directiva sobre emisiones industriales a partir de 2013.
La República Popular China define un COV como aquellos compuestos que tienen su origen en los automóviles, la producción industrial y el uso civil, la quema de todo tipo de combustibles, el almacenamiento y transporte de aceites, el acabado de los muebles, el revestimiento de muebles y máquinas, los humos de aceite de cocina y las partículas finas (PM 2,5) y fuentes similares. [10] El Plan de Acción Trienal 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. [11]
En 1981, la Junta Central de Control de la Contaminación de la India publicó la Ley sobre el Aire (Prevención y Control de la Contaminación) , modificada en 1987, para abordar las preocupaciones sobre la contaminación del aire en la India . [12] Si bien el documento no diferencia entre los COV y otros contaminantes del aire, la CPCB monitorea los "óxidos de nitrógeno (NO x ), el dióxido de azufre (SO 2 ), las partículas finas (PM10) y las partículas suspendidas (SPM)". [13]
Las definiciones de COV utilizadas para el control de los precursores del smog fotoquímico utilizadas por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) y las agencias estatales en los Estados Unidos con regulaciones independientes de contaminación del aire exterior incluyen exenciones para los COV que se determina que no son reactivos o de baja reactividad en el proceso de formación del smog. Destaca la regulación de COV 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). [15] Sin embargo, este uso específico del término COV puede ser engañoso, especialmente cuando se aplica a la calidad del aire interior porque muchos productos químicos que no están regulados como contaminación del aire exterior pueden ser importantes para la contaminación del aire interior.
Tras una audiencia pública celebrada en septiembre de 1995, la Junta de Revisión de Asociaciones de California (ARB) utiliza el término "gases orgánicos reactivos" (ROG) para medir los gases orgánicos. La CARB revisó la definición de "compuestos orgánicos volátiles" utilizada en sus reglamentos sobre productos de consumo, basándose en las conclusiones del comité. [16]
Además del agua potable , los COV están regulados en las descargas contaminantes a las aguas superficiales (tanto directamente como a través de plantas de tratamiento de aguas residuales) [17] como residuos peligrosos, [18] pero no en el aire interior no industrial. [19] La Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA) regula la exposición a COV en el lugar de trabajo. Los compuestos orgánicos volátiles que están clasificados como materiales peligrosos están regulados por la Administración de Seguridad de Materiales Peligrosos y Oleoductos mientras se transportan.
La mayoría de los COV en la atmósfera de la Tierra son biogénicos, emitidos en gran parte por las plantas. [2]
Los compuestos orgánicos volátiles biogénicos (BVOC) abarcan los COV emitidos por plantas, animales o microorganismos y, aunque son extremadamente diversos, los más comunes son terpenoides , alcoholes y carbonilos (el metano y el monóxido de carbono generalmente no se consideran). [21] Sin contar el metano , las fuentes biológicas emiten aproximadamente 760 teragramos de carbono por año en forma de COV. [20] La mayoría de los COV son producidos por plantas, siendo el compuesto principal el isopreno . Los animales y los microbios producen pequeñas cantidades de COV. [22] 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 a ellos, estos volátiles pueden detectarse y comunicarse a través de transmisión electrónica inalámbrica, incorporando nanosensores y transmisores infrarrojos en los propios materiales vegetales. [23]
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, en particular de los estomas . Los COV emitidos por los bosques terrestres a menudo se oxidan por radicales hidroxilo en la atmósfera; en ausencia de contaminantes NO x , la fotoquímica de los COV recicla los radicales hidroxilo para crear un equilibrio sostenible entre la biosfera y la atmósfera. [24] Debido a los recientes acontecimientos relacionados con el cambio climático, como el calentamiento y una mayor radiación UV, se prevé que las emisiones de COV de las plantas aumenten, alterando así la interacción entre la biosfera y la atmósfera y dañando los principales ecosistemas. [25] Una clase importante de COV es la clase de compuestos terpénicos , como el mirceno . [26]
Para dar una idea de la escala, se estima que un bosque de 62.000 kilómetros cuadrados (24.000 millas cuadradas) de superficie, el tamaño del estado de Pensilvania en los EE. UU ., emite 3,4 millones de kg (7,5 millones de libras) de terpenos en un día típico de agosto durante la temporada de crecimiento. [27] El maíz produce el COV (Z)-3-hexen-1-ol y otras hormonas vegetales. [28]
Las fuentes antropogénicas emiten alrededor de 142 teragramos (1,42 × 10 11 kg, o 142 mil millones de kg) de carbono por año en forma de COV. [29]
Las principales fuentes de COV de origen humano son: [30]
Debido a sus numerosas fuentes en interiores, las concentraciones de COV en interiores son sistemáticamente más altas en el aire interior (hasta diez veces más altas) que en exteriores debido a las muchas fuentes. [33] Los COV son emitidos por miles de productos de interior. Los ejemplos incluyen: pinturas, barnices, ceras y lacas, decapantes de pintura, productos de limpieza y cuidado personal, pesticidas, materiales de construcción y mobiliario, equipos de oficina como fotocopiadoras e impresoras, líquidos correctores y papel autocopiativo , materiales gráficos y artesanales incluidos pegamentos y adhesivos, marcadores permanentes y soluciones fotográficas. [34] Las actividades humanas como cocinar y limpiar también pueden emitir COV. [35] [36] Cocinar puede liberar aldehídos y alcanos de cadena larga cuando se calienta el aceite y se pueden liberar terpenos cuando se preparan y/o cocinan especias. [35] Los productos de limpieza contienen una variedad de COV, incluidos monoterpenos , sesquiterpenos , alcoholes y ésteres . Una vez liberados al aire, los COV pueden sufrir reacciones con el ozono y los radicales hidroxilo para producir otros COV, como el formaldehído. [36]
Algunos COV se emiten directamente en interiores y otros se forman a través de reacciones químicas posteriores. [37] [38] La concentración total de todos los COV (COVT) en interiores puede ser hasta cinco veces mayor que la de los niveles en exteriores. [39]
Los edificios nuevos experimentan niveles particularmente altos de emisión de gases de COV en interiores debido a la abundancia de materiales nuevos (materiales de construcción, accesorios, revestimientos de superficies y tratamientos como pegamentos, pinturas y selladores) expuestos al aire interior, que emiten múltiples gases de COV. [40] Esta emisión de gases tiene una tendencia de descomposición multiexponencial que es discernible durante al menos dos años, con los compuestos más volátiles descomponiéndose con una constante de tiempo de unos pocos días, y los compuestos menos volátiles descomponiéndose con una constante de tiempo de unos pocos años. [41]
Los edificios nuevos pueden requerir una ventilación intensiva durante los primeros meses o un tratamiento de secado . Los edificios existentes pueden ser reemplazados por nuevas fuentes de COV, como muebles nuevos, productos de consumo y redecoración de superficies interiores, todo lo cual genera una emisión de fondo continua de COVT y requiere una mejor ventilación. [40]
Existen fuertes variaciones estacionales en las emisiones de COV en espacios interiores, con tasas de emisión que aumentan en verano. Esto se debe en gran medida a la tasa de difusión de especies de COV a través de materiales hacia la superficie, que aumenta con la temperatura. Esto conduce a concentraciones generalmente más altas de COV totales en espacios interiores en verano. [41]
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 carbonílicos) o detectores de aire. Los COV se adsorben en estos materiales y luego se desorben térmicamente (Tenax) o por elución (DNPH) y luego se analizan por GC-MS / FID o HPLC . Se requieren mezclas de gases de referencia para el control de calidad de estas mediciones de COV. [42] Además, los productos emisores de COV utilizados en interiores, por ejemplo, productos de construcción y muebles, se investigan en cámaras de prueba de emisiones en condiciones climáticas controladas. [43] Para el control de calidad de estas mediciones se llevan a cabo pruebas round robin, por lo tanto, se requieren idealmente materiales de referencia que emitan de manera reproducible. [42] Otros métodos han utilizado botes recubiertos de Silcosteel patentados con entradas de flujo constante para recolectar muestras durante varios días. [44] Estos métodos no están limitados por las propiedades de adsorción de materiales como Tenax.
En la mayoría de los países, se utiliza 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 en una columna 100% no polar ( dimetilpolisiloxano ). Los COV (compuestos orgánicos volátiles) son todos los compuestos que aparecen en el cromatograma de gases entre n -hexano y n -hexadecano , incluidos . Los compuestos que aparecen antes se denominan COVV (compuestos orgánicos muy volátiles); los compuestos que aparecen después se denominan COVS (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 los productos comerciales. La industria europea ha desarrollado numerosas ecoetiquetas voluntarias y sistemas de clasificación, como EMICODE, [45] M1, [46] Blue Angel , [47] GuT (revestimientos textiles para suelos), [48] Nordic Swan Ecolabel, [49] EU Ecolabel , [50] e Indoor Air Comfort. [51] En Estados Unidos , existen varias normas; la Norma de California CDPH Sección 01350 [52] es la más común. Estas regulaciones y normas cambiaron el mercado, dando lugar a un número cada vez mayor de productos con bajas emisiones.
Los efectos respiratorios , alérgicos o inmunológicos en bebés o niños están asociados con los COV artificiales y otros contaminantes del aire interior o exterior. [53]
Algunos COV, como el estireno y el limoneno , pueden reaccionar con óxidos de nitrógeno o con ozono para producir nuevos productos de oxidación y aerosoles secundarios, que pueden causar síntomas de irritación sensorial. [54] Los COV contribuyen a la formación de ozono troposférico y smog . [55] [56]
Los efectos sobre la salud incluyen irritación de ojos, nariz y garganta ; dolores de cabeza , pérdida de coordinación, náuseas ; y daños al hígado , riñones y sistema nervioso central . [57] Se sospecha o se sabe que algunos COV causan cáncer en humanos. Los signos o síntomas clave asociados con la exposición a COV incluyen irritación conjuntival, molestias en la nariz y la garganta, dolor de cabeza, reacción alérgica en la piel, disnea , disminución de los niveles séricos de colinesterasa , náuseas, vómitos, sangrado nasal, fatiga, mareos. [58]
La capacidad de las sustancias químicas orgánicas para causar efectos sobre la salud varía considerablemente, desde aquellas que son altamente tóxicas hasta aquellas que no tienen efectos conocidos sobre 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 la duración de la 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 son algunos de los síntomas inmediatos que algunas personas han experimentado poco después de la exposición a algunas sustancias orgánicas. En la actualidad, no se sabe mucho sobre los efectos sobre la salud que producen los niveles de sustancias orgánicas que se encuentran habitualmente en los hogares. [59]
Aunque son nulas 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 COV a las que estamos expuestos a lo largo del día. [60] 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. [61] Los COV también se ingieren al beber agua en concentraciones variables. Algunas concentraciones de COV superaron las Regulaciones Nacionales Primarias de Agua Potable de la EPA y los Estándares Nacionales de Agua Potable de China establecidos por el Ministerio de Ecología y Medio Ambiente . [62]
La presencia de COV en el aire y en las aguas subterráneas ha dado lugar a 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 regulan a la baja los péptidos antimicrobianos en la piel como la catelicidina LL-37, la β-defensina humana 2 y 3. [63] El xileno y el formaldehído empeoran la inflamación alérgica en modelos animales. [64] El tolueno también aumenta la desregulación de la filagrina : una proteína clave en la regulación dérmica. [65] 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 redujo el agua en la capa transepidérmica, lo que permite la vulnerabilidad de las capas de la piel. [63] [66]
Los valores límite para las emisiones de COV en el aire interior son publicados por AgBB , [67] AFSSET , el Departamento de Salud Pública de California y otros. Estas regulaciones han impulsado a varias empresas de las industrias de pinturas y adhesivos a adaptar sus productos con reducciones del nivel de COV. [ cita requerida ] Es posible que las etiquetas de COV y los programas de certificación no evalúen adecuadamente todos los COV emitidos por el producto, incluidos algunos compuestos químicos que pueden ser relevantes para la calidad del aire interior. [68] Cada onza de colorante agregado para teñir la pintura puede contener entre 5 y 20 gramos de COV. Sin embargo, un color oscuro podría requerir de 5 a 15 onzas de colorante, lo que suma hasta 300 gramos o más de COV por galón de pintura. [69]
Los COV también se encuentran en entornos hospitalarios y de atención de la salud. En estos entornos, estos productos químicos se utilizan ampliamente para la limpieza, desinfección e higiene de las diferentes áreas. [70] Por lo tanto, los profesionales de la salud como enfermeras, médicos, personal de saneamiento, 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. [70] [71] [72]
Los niveles de concentración de COV individuales como los hidrocarburos halogenados y aromáticos varían sustancialmente entre áreas del mismo hospital. Generalmente, el etanol , el isopropanol , el éter y la acetona son los principales compuestos en el interior del sitio. [73] [74] Siguiendo 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 . [73] [74]
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 responsables de la limpieza con productos que contienen cloro tienen mayor probabilidad de presentar mayores niveles de exposición a α-pineno y cloroformo . [72] Quienes 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 a una mayor exposición a COV que los dos grupos anteriores, es decir, están particularmente vinculados a la exposición a acetona, cloroformo, α-pineno, 2-propanol o d-limoneno. [72]
Otros entornos de atención sanitaria, como los hogares de ancianos y de cuidados para la tercera edad, rara vez han sido objeto de estudio, a pesar de que las personas mayores y las poblaciones vulnerables pueden pasar un tiempo considerable en estos entornos interiores donde pueden estar expuestas a COV, derivados del uso común de agentes de limpieza, aerosoles y ambientadores. [75] [76] En un estudio, se identificaron más de 200 sustancias químicas, de las cuales 41 tienen efectos adversos para la salud, 37 de ellas son COV. Los efectos sobre la salud incluyen sensibilización cutánea, toxicidad reproductiva y específica de órganos, carcinogenicidad , mutagenicidad y propiedades disruptoras endocrinas . [75] Además, en otro estudio realizado en el mismo país europeo, se encontró que existe una asociación significativa entre la disnea en la población de edad avanzada y la exposición elevada a COV como el tolueno y el o-xileno , a diferencia del resto de la población. [77]
La obtención de muestras para su análisis es un desafío. Los COV, incluso en niveles peligrosos, están diluidos, por lo que normalmente se requiere una concentración previa. Muchos componentes de la atmósfera son mutuamente incompatibles, por ejemplo, el ozono y los compuestos orgánicos, los nitratos de peroxiacilo y muchos compuestos orgánicos. Además, la recolección de COV por condensación en trampas frías también acumula una gran cantidad de agua, que generalmente debe eliminarse de forma selectiva, según las técnicas analíticas que se empleen. [30] Las técnicas de microextracción en fase sólida (SPME) se utilizan para recolectar COV en bajas concentraciones para su análisis. [78] En lo que respecta al análisis del aliento, se emplean las siguientes modalidades para el muestreo: bolsas de muestreo de gases, jeringas, recipientes de acero y vidrio evacuados. [79]
En los EE. UU., el Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) y la OSHA de los EE. UU. han establecido métodos estándar . Cada método utiliza un solo componente disolvente; sin embargo, no se pueden muestrear butanol y hexano en la misma matriz de muestra utilizando el método del NIOSH o de la OSHA. [80]
Los COV se cuantifican e identifican mediante dos técnicas generales. La técnica principal es la cromatografía de gases (GC). Los instrumentos de GC permiten la separación de componentes gaseosos. Cuando se combinan con un detector de ionización de llama (FID), los GC pueden detectar hidrocarburos en niveles de partes por billón. Al utilizar detectores de captura de electrones , los GC también son eficaces para los organohaluros, como los clorocarbonos.
La segunda técnica principal asociada con el análisis de COV es la espectrometría de masas , que generalmente se combina con la cromatografía de gases, lo que da como resultado la técnica combinada de GC-MS. [81]
Las técnicas de espectrometría de masas por inyección directa se utilizan con frecuencia para la detección rápida y cuantificación precisa de COV. [82] La PTR-MS es uno de los métodos que se han utilizado más ampliamente para el análisis en línea de COV biogénicos y antropogénicos. [83] 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. de tiempo de medición (integración de 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. [84]
El aliento humano exhalado contiene unos pocos miles de compuestos orgánicos volátiles y se utiliza en la biopsia del aliento para servir como un biomarcador de COV para detectar enfermedades, [79] como el cáncer de pulmón . [85] Un estudio ha demostrado que "los compuestos orgánicos volátiles... se transmiten principalmente por la sangre y, por lo tanto, permiten el seguimiento de diferentes procesos en el cuerpo". [86] Y parece que los compuestos COV en el cuerpo "pueden ser producidos por procesos metabólicos o inhalados/absorbidos de fuentes exógenas", como el humo de tabaco ambiental . [85] [87] La huella química y el análisis del aliento de compuestos orgánicos volátiles también se han demostrado con matrices de sensores químicos , que utilizan el reconocimiento de patrones para la detección de componentes orgánicos volátiles en mezclas complejas como el gas del aliento.
Para lograr la comparabilidad de las mediciones de COV, se requieren estándares de referencia trazables a unidades del SI . Para una serie de COV, los estándares de referencia gaseosos 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 apropiada de fracción debido a la reactividad química o la adsorción de estas moléculas. Actualmente, varios institutos nacionales de metrología están trabajando en las mezclas de gases estándar faltantes en concentración de nivel traza, minimizando los procesos de adsorción y mejorando el gas cero. [42] Los alcances finales son para la trazabilidad y la estabilidad a largo plazo de los gases estándar para estar de acuerdo con los objetivos de calidad de los datos (DQO, incertidumbre máxima del 20% en este caso) requeridos por el programa OMM / VAG . [88]
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