Los compuestos orgánicos volátiles ( COV ) son compuestos orgánicos que tienen una alta presión de vapor a temperatura ambiente . [1] La alta presión de vapor se correlaciona con un bajo punto de ebullición , 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 aromas y perfumes , así como de los contaminantes . Los COV desempeñan un papel importante en la comunicación entre animales y plantas, por ejemplo, atrayentes para los polinizadores, [3] protección contra la depredación, [4] e incluso 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 más altas. La mayoría de los COV no son extremadamente tóxicos , pero pueden tener efectos crónicos a largo plazo en la salud. Algunos COV se han utilizado en farmacia , mientras que otros son objeto de controles administrativos debido a su uso recreativo .
Se utilizan diversas definiciones del término COV. Algunos ejemplos se presentan a continuación.
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). Se hace hincapié en los COV que se encuentran comúnmente y que tendrían un efecto en 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 COV fue 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 sobre emisiones de disolventes COV exige que las instalaciones en las que se realicen dichas actividades cumplan con los valores límite de emisión establecidos en la Directiva o con los requisitos del llamado sistema de reducción. El artículo 13 de la Directiva sobre pinturas, aprobada en 2004, modificó la Directiva sobre emisiones de disolventes COV original 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 "se han originado 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 muebles, el revestimiento de muebles y máquinas, los vapores de aceite de cocina y partículas finas (PM 2,5)", y fuentes similares. [10] 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. [11]
La Junta Central de Control de la Contaminación de la India publicó la Ley del Aire (Prevención y Control de la Contaminación) en 1981, modificada en 1987, para abordar las preocupaciones sobre la contaminación del aire en la India . [12] Si bien el documento no diferencia entre COV y otros contaminantes del aire, el CPCB controla "los óxidos de nitrógeno (NO x ), el dióxido de azufre (SO 2 ), las partículas finas (PM10) y las partículas en suspensión (SPM)". [13]
Las definiciones de COV utilizadas para el control de precursores de smog fotoquímico utilizadas por la Agencia de Protección Ambiental (EPA) de EE. UU. y las agencias estatales de EE. UU. con regulaciones independientes sobre la contaminación del aire exterior incluyen exenciones para COV que se determina que no son reactivos o de bajo contenido. -reactividad en el proceso de formación de smog. Destaca la regulación sobre 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 muchas sustancias químicas que no están reguladas como contaminación del aire exterior pueden seguir siendo importantes para la contaminación del aire interior.
Tras una audiencia pública celebrada en septiembre de 1995, la ARB de California utiliza el término "gases orgánicos reactivos" (ROG) para medir los gases orgánicos. La CARB revisó la definición de "compuestos orgánicos volátiles" utilizada en sus regulaciones de productos de consumo, basándose en las conclusiones del comité. [dieciséis]
Además del agua potable , los COV están regulados en las descargas contaminantes a 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 Salud y Seguridad 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 durante su transporte.
La mayoría de los COV en la atmósfera de la Tierra son biogénicos y son emitidos en gran medida por plantas. [2]
Los compuestos orgánicos volátiles biogénicos (BVOC) abarcan los COV emitidos por plantas, animales o microorganismos y, aunque son extremadamente diversos, son más comúnmente 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 que emiten muchas plantas se compone de volátiles de hojas verdes , un subconjunto de COV. Aunque están destinados a que los organismos cercanos los detecten y respondan, estos volátiles se pueden detectar y comunicar 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 se produce casi exclusivamente a través de las hojas, en particular de los estomas . Los COV emitidos por los bosques terrestres suelen ser oxidados por radicales hidroxilo en la atmósfera; En ausencia de contaminantes NO x , la fotoquímica de 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 el aumento de la radiación ultravioleta, generalmente se predice que las emisiones de BVOC de las plantas aumentarán, alterando así la interacción biosfera-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 escala, se estima que un bosque de 62.000 kilómetros cuadrados (24.000 millas cuadradas) de superficie, el tamaño del estado estadounidense de Pensilvania , emite 3.400.000 kilogramos (7.500.000 libras) de terpenos en un día típico de agosto durante la temporada de crecimiento. [27] Los investigadores que investigan 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. [28]
Las fuentes antropogénicas emiten alrededor de 142 teragramos (1,42 × 10 11 kg) de carbono por año en forma de COV. [29]
Las principales fuentes de COV artificiales son: [30]
Las concentraciones de COV en el aire interior pueden ser de 2 a 5 veces mayores que las del aire exterior, a veces mucho mayores. [19] Durante determinadas actividades, los niveles interiores de COV pueden alcanzar 1.000 veces 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 interiores puede ser hasta cinco veces mayor que la de los niveles exteriores. [33]
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. [34] Esta liberación de gases tiene una tendencia de desintegración multiexponencial que es discernible durante al menos dos años, con los compuestos más volátiles desintegrándose con una constante de tiempo de unos pocos días, y los compuestos menos volátiles desintegrándose con una constante de tiempo. de unos pocos años. [35]
Los edificios nuevos pueden requerir ventilación intensiva durante los primeros meses o un tratamiento de horneado . Los edificios existentes pueden reponerse con nuevas fuentes de COV, como muebles nuevos, productos de consumo y redecoración de superficies interiores, todo lo cual conduce a una emisión de fondo continua de COV y requiere una mejor ventilación. [34]
Numerosos estudios [35] 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 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. [35]
La medición de los COV del aire interior se realiza con tubos de sorción, por ejemplo, Tenax (para COV y SVOC) o cartuchos DNPH (para compuestos carbonílicos) o un 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. [36] Además, los productos que emiten COV utilizados en interiores, como productos de construcción y muebles, se investigan en cámaras de pruebas de emisiones en condiciones climáticas controladas. [37] Para el control de calidad de estas mediciones se llevan a cabo pruebas circulares, por lo que lo ideal es que se requieran materiales de referencia que emitan de forma reproducible. [36] Otros métodos han utilizado recipientes patentados recubiertos con Silcosteel con entradas de flujo constante para recolectar muestras durante varios días. [38] 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 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, [39] M1, [40] Blue Angel , [41] GuT (revestimientos de suelos textiles), [42] Nordic Swan Ecolabel, [43] EU Ecolabel , [ 44] y Confort del aire interior. [45] En los Estados Unidos , existen varias normas; La sección 01350 del CDPH del estándar de California [46] es la más común. Estas regulaciones y estándares 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. [47]
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 provocar síntomas de irritación sensorial. [48] Los COV contribuyen a la formación de ozono troposférico y smog . [49] [50]
Los efectos sobre la salud incluyen irritación de ojos, nariz y garganta ; dolores de cabeza , pérdida de coordinación, náuseas ; y daño al hígado , riñón y sistema nervioso central . [51] Algunas sustancias orgánicas 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 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, hemorragia nasal, fatiga y mareos. [52]
La capacidad de los químicos orgánicos para causar efectos en la salud varía mucho desde aquellos que son altamente tóxicos hasta aquellos sin 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, incluido el nivel de exposición y el tiempo de exposición. Entre los síntomas inmediatos que algunas personas han experimentado poco después de la exposición a algunas sustancias orgánicas se encuentran irritación de los ojos y del tracto respiratorio, dolores de cabeza, mareos, trastornos visuales y deterioro de la memoria. En la actualidad, no se sabe mucho sobre los efectos sobre la salud que se producen a partir de los niveles de sustancias orgánicas que normalmente se encuentran en los hogares. [53]
Si bien 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 los que estamos expuestos durante el día. [54] 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. [55] Los COV también se ingieren en el agua potable en concentraciones variables. Algunas concentraciones de VOC 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 . [56]
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 negativamente los péptidos antimicrobianos de la piel como la catelicidina LL-37 y la β-defensina 2 y 3 humana. [57] El xileno y el formaldehído empeoran la inflamación alérgica en modelos animales. [58] El tolueno también aumenta la desregulación de la filagrina : una proteína clave en la regulación dérmica. [59] 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. [57] [60]
Los valores límite para las emisiones de COV al aire interior los publican AgBB , [61] 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 de niveles de COV. [ cita necesaria ] 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. [62] Cada onza de colorante agregada a la pintura teñida 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 300 gramos o más de COV por galón de pintura. [63]
Los COV también se encuentran en entornos hospitalarios y sanitarios. En estos entornos, estos químicos son ampliamente utilizados para la limpieza, desinfección e higiene de las diferentes áreas. [64] 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. [64] [65] [66]
Los estudios han demostrado que los niveles de concentración de diferentes COV, como los hidrocarburos halogenados y aromáticos, difieren sustancialmente entre áreas del mismo hospital. Sin embargo, uno de estos estudios informó que etanol , isopropanol , éter y acetona eran los principales compuestos en el interior del sitio. [67] [68] 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 . [67] [68]
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 la exposición al d-limoneno y al 2-propanol, mientras que los responsables de la limpieza con cloro Es más probable que los productos tengan niveles más altos de exposición al α-pineno y al cloroformo . [66] Aquellos que realizan tareas de limpieza de pisos y otras superficies (por ejemplo, encerado de pisos) y que usan amonio cuaternario, alcohol y productos a base de cloro se asocian con una mayor exposición a VOC que los dos grupos anteriores, es decir, son particularmente relacionado con la exposición a acetona, cloroformo, α-pineno, 2-propanol o d-limoneno. [66]
Otros entornos sanitarios, como residencias de ancianos y residencias de ancianos , 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 podrían estar expuestos a COV, derivados del uso común de agentes de limpieza. aerosoles y ambientadores. [69] [70] En un estudio realizado en Francia, un equipo de investigadores desarrolló un cuestionario en línea para diferentes centros sociales y de atención a personas mayores, preguntando sobre las prácticas de limpieza, los productos utilizados y la frecuencia de estas actividades. Como resultado, se identificaron más de 200 sustancias químicas, de las cuales se sabe que 41 tienen efectos adversos para la salud y 37 de ellos 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 . [69] Además, en otro estudio realizado en el mismo país europeo, se encontró que existe una asociación significativa entre la dificultad para respirar 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. . [71]
Obtener muestras para análisis es un desafío. Los COV, incluso cuando se encuentran en niveles peligrosos, están diluidos, por lo que normalmente 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 COV por condensación en trampas frías también acumula una gran cantidad de agua, que generalmente debe eliminarse de forma selectiva, dependiendo de las técnicas analíticas a emplear. [30] Las técnicas de microextracción en fase sólida (SPME) se utilizan para recolectar COV en concentraciones bajas para su análisis. [72] 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. [73]
En los EE. UU., el Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) y otro de la OSHA de los EE. UU. han establecido métodos estándar . Cada método utiliza un disolvente de un solo componente; Sin embargo, el butanol y el hexano no se pueden tomar muestras en la misma matriz de muestra utilizando el método NIOSH u OSHA. [74]
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 en niveles de partes por billón. Al utilizar detectores de captura de electrones , los GC también son eficaces para organohaluros como los clorocarbonos.
La segunda técnica principal asociada con el análisis de COV es la espectrometría de masas , que generalmente se combina con GC, dando lugar a la técnica dividida de GC-MS. [75]
Las técnicas de espectrometría de masas de inyección directa se utilizan con frecuencia para la detección rápida y la cuantificación precisa de COV. [76] PTR-MS es uno de los métodos que se han utilizado más ampliamente para el análisis en línea de COV biogénicos y antropogénicos. [77] 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 minuto. tiempo de medición (integración de señal). La resolución de masa de estos dispositivos está entre 7.000 y 10.500 m/Δm, por lo que es posible separar los COV isobáricos más comunes y cuantificarlos de forma independiente. [78]
El aliento humano exhalado contiene unos pocos miles de compuestos orgánicos volátiles y se utiliza en la biopsia del aliento para servir como biomarcador de COV para detectar enfermedades [73] como el cáncer de pulmón . [79] 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". [80] Y parece que los compuestos VOC en el cuerpo "pueden ser producidos por procesos metabólicos o inhalados/absorbidos de fuentes exógenas", como el humo del tabaco ambiental . [79] [81] La toma de huellas dactilares químicas 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 respirable.
Para lograr la comparabilidad de las mediciones de COV, se requieren estándares de referencia trazables a unidades SI . Para una serie de COV, los estándares de referencia gaseosos están disponibles a través de 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 las mezclas de gases estándar que faltan a nivel de concentración de trazas, minimizando los procesos de adsorción y mejorando el gas cero. [36] 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 los datos (DQO, incertidumbre máxima del 20% en este caso) requeridos por el programa OMM / GAW . [82]
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