• 揮發性有機化合物

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    揮發性有機化合物

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    揮發性有機化合物(VOC)是在室溫下具有高蒸氣壓有機化學品。高蒸氣壓與低沸點相關,這與周圍空氣中樣品分子的數量有關,這種特性稱為揮發性。揮發性有機化合物是造成氣味和香水氣味以及污染物的原因。揮發性有機化合物在動植物之間的交流中發揮著重要作用,例如傳粉媒介的引誘劑、防止捕食甚至植物間的相互作用。一些VOC對人體健康有害或對環境造成危害。人為VOC受法律監管,尤其是在濃度最高的室內。大多數VOC沒有劇毒,但可能具有長期的慢性健康影響。

    定義

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    揮發性有機化合物一詞的不同定義正在使用中。

    加拿大

    加拿大衛生部將揮發性有機化合物分類為沸點大致在50至250°C(122至482°F)范圍內的有機化合物。重點放在會影響空氣質量的常見VOC上。

    歐洲聯盟

    歐盟將揮發性有機化合物定義為任何有機化合物以及雜酚油的一部分,在293.15K時具有0.01kPa或更高的蒸氣壓,或在特定使用條件下具有相應的揮發性;VOC溶劑排放指令是歐盟減少揮發性有機化合物(VOC)工業排放的主要政策工具。它涵蓋了廣泛的溶劑使用活動,例如印刷、表面清潔、車輛涂層、干洗以及鞋類和醫藥產品的制造。VOC溶劑排放指令要求進行此類活動的設施符合指令中規定的排放限值或所謂的減排計劃的要求。2004年批準的《油指令》第13條,修訂了最初的VOC溶劑排放指令,并限制有機溶劑在裝飾油漆和清漆以及車輛涂飾產品中的使用。油漆指令規定了某些應用中油漆和清漆的xxxVOC含量限值。從2013年起,溶劑排放指令被工業排放指令取代。

    印度

    印度中央污染控制委員會于1981年發布了《空氣(污染預防和控制)法》,并于1987年修訂,以解決對印度空氣污染的擔憂。雖然該文件沒有區分VOC和其他空氣污染物,但CPCB監測氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)、細顆粒物(PM10)和懸浮顆粒物(SPM)。

    美國

    美國環境保護署(EPA)和具有獨立室外空氣污染法規的美國國家機構使用的用于控制光化學煙霧前體的VOC的定義包括對被確定為非反應性或低含量的VOC的豁免。-煙霧形成過程中的反應性。突出的是加利福尼亞州南海岸空氣質量管理區和加利福尼亞空氣資源委員會(CARB)發布的VOC法規。然而,VOCs一詞的這種特定使用可能會產生誤導,尤其是在應用于室內空氣質量時,因為許多未作為室外空氣污染進行監管的化學物質對室內空氣污染仍然很重要。在1995年9月的公開聽證會之后,加利福尼亞的CARB使用術語反應性有機氣體(ROG)來測量有機氣體。CARB根據委員會的調查結果修訂了其消費品法規中使用的揮發性有機化合物的定義。除飲用水外,VOC在污染物排放到地表水(直接和通過污水處理廠)中作為危險廢物受到管制,但在非工業室內空氣中不受管制。職業安全與健康管理局(OSHA)監管工作場所的VOC暴露。被歸類為危險材料的揮發性有機化合物在運輸過程中受到管道和危險材料安全管理局的監管。

    生物產生的揮發性有機化合物

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    • 檸檬烯是一種常見的生物VOC,主要由生長在針葉林中的木排放到大氣中。

    地球大氣中的大多數VOC都是生物產生的,主要由植物排放。生物揮發性有機化合物(BVOC)包括植物、動物微生物排放的VOC,雖然種類繁多,但最常見的是萜類化合物、醇類和羰基化合物(通常不考慮甲烷和一氧化碳)。不計甲烷,生物源每年以VOC的形式排放估計760太克的碳。大多數VOC是由植物產生的,主要化合物是異戊二烯。少量的揮發性有機化合物是由動物和微生物產生的。許多VOC被認為是次生代謝物,通常有助于生物防御,例如植物防御食草動物。許多植物發出的強烈氣味由綠葉揮發物組成,這是VOC的一個子集。雖然旨在讓附近的生物檢測和響應,排放受到多種因素的影響,例如決定揮發和生長速率的溫度,以及決定生物合成速率的陽光。排放幾乎完全來自葉子,特別是氣孔陸地森林排放的揮發性有機化合物經常被大氣中的羥基自由基氧化;在沒有NOx污染物的情況下,VOC光化學循環利用羥基自由基,以創造可持續的生物圈-大氣平衡。由于最近氣候變化的發展,例如變暖和更大的紫外線輻射,預計植物的BVOC排放量會增加,從而擾亂生物圈-大氣相互作用并破壞主要生態系統。VOC的主要類別是萜類化合物,例如月桂烯。提供規模感,面積為62,000平方公里的森林,美國賓夕法尼亞州的大小,估計在生長季節的一個典型的八月一天會排放3,400,000公斤的萜烯。研究人員使用(Z)-3-hexen-1-ol和其他植物激素玉米中研究了誘導產生揮發性有機化合物的基因以及隨后增加揮發性萜烯的機制。

    人為來源

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    人為源每年以揮發性有機化合物的形式排放約142太克(1.42×1011千克)碳。人造VOCs的主要來源是:

    • 化石燃料的使用和生產,例如未完全燃燒的化石燃料或燃料的意外蒸發。最普遍的VOC是乙烷,一種相對惰性的化合物。
    • 涂料、油漆和油墨中使用的溶劑。每年大約生產120億升油漆。典型的溶劑包括脂肪烴、乙酸乙酯、乙二醇醚和丙酮。受成本、環境問題和法規的推動,油漆和涂料行業越來越多地轉向水性溶劑。
    • 壓縮氣溶膠產品,主要是丁烷和丙烷,估計每年在全球造成13億噸VOC排放。
    • 生物燃料的使用,例如亞洲食用油和巴西的生物乙醇
    • 生物質燃燒,特別是來自熱帶雨林。雖然燃燒主要釋放二氧化碳和水,但不完全燃燒會產生多種VOC。

    室內揮發性有機化合物

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    室內空氣中VOC的濃度可能是室外空氣中的2到5倍,有時甚至更高。在某些活動中,室內VOC的含量可能達到室外空氣的1,000倍。研究表明,室內環境中單個VOC種類的排放量并不高,但室內所有VOC(TVOC)的總濃度可高達室外水平的五倍。由于大量新材料(建筑材料、配件、表面覆蓋物和膠水、油漆和密封劑等處理方法)暴露在室內空氣中,釋放出多種VOC氣體,因此新建筑在室內排放的VOC含量特別高。這種廢氣具有多指數衰減趨勢,至少在兩年內是可辨別的,揮發性xxx的化合物會以幾天的時間常數衰變,而揮發性最小的化合物會以幾年的時間常數衰變。新建筑可能需要在頭幾個月進行強化通風,或烘烤策略。現有建筑物可能會補充新的VOC源,例如新家具、消費品和室內表面的重新裝修,所有這些都會導致TVOC的持續背景排放,需要改善通風。大量研究表明,室內VOC排放的季節性變化很大,夏季排放率增加。這主要是由于VOC物質通過材料擴散到表面的速率隨溫度而增加。大多數研究表明,這導致夏季室內總揮發性有機化合物的濃度普遍較高。

    室內空氣質量測量

    室內空氣中的VOC測量是使用吸附管完成的,例如Tenax(用于VOC和SVOC)或DNPH濾芯(用于羰基化合物)或空氣檢測器。VOC吸附在這些材料上,然后通過熱(Tenax)或通過洗脫(DNPH)解吸,然后通過GC-MS/FID或HPLC進行分析。這些VOC測量的質量控制需要參考氣體混合物。此外,室內使用的VOC排放產品,例如建筑產品和家具,在受控氣候條件下的排放測試室中進行研究。為了對這些測量進行質量控制,需要進行循環測試,因此理想情況下需要可重復地發射參考材料。其他方法使用帶有恒流入口的硅罐在幾天內收集樣品。

    室內揮發性有機化合物排放監管

    在大多數國家/地區,VOCs的單獨定義用于室內空氣質量,其中包括可以按以下方式測量的每種有機化合物:TenaxTA上的空氣吸附、熱解吸、xxx非極性柱上的氣相色譜分離(二甲基聚硅氧烷)。VOC(揮發性有機化合物)是氣相色譜圖中出現的所有化合物,介于正己烷和正十六烷之間,包括正己烷和正十六烷。較早出現的化合物稱為VVOC(極易揮發的有機化合物);后面出現的化合物稱為SVOC(半揮發性有機化合物)。法國德國(AgBB/DIBt)、比利時、挪威(TEK法規)和意大利(CAMEdelizia)已頒布法規來限制商業產品的VOC排放。歐洲工業已經開發了許多自愿的生態標簽和評級系統,例如EMICODE、M1、BlueAngel、GuT(紡織地板覆蓋物)、北歐天鵝生態標簽、歐盟生態標簽和室內空氣舒適度。在美國,有幾個標準;加州標準CDPH部分01350是最常見的部分。這些法規和標準改變了市場,導致越來越多的低排放產品。

    健康風險

    嬰兒或兒童的呼吸、過敏或免疫影響與人造VOC和其他室內或室外空氣污染物有關。一些揮發性有機化合物,如苯乙烯和檸檬烯,可與氮氧化物或臭氧發生反應,產生新的氧化產物和二次氣溶膠,從而引起感官刺激癥狀。VOC有助于形成對流層臭氧和煙霧。健康影響包括對眼睛、鼻子和喉嚨的刺激;頭痛,失去協調,惡心;以及對肝臟、腎臟和中樞神經系統的損害。一些有機物會導致動物癌癥;有些被懷疑或已知會導致人類癌癥。與接觸VOC相關的主要體征或癥狀包括結膜刺激、鼻子和喉嚨不適、頭痛、皮膚過敏反應、呼吸困難、血清膽堿酯酶水平下降、惡心、嘔吐、流鼻血、疲勞、頭暈。有機化學物質對健康造成影響的能力從劇毒到對健康沒有已知影響的物質差別很大。與其他污染物一樣,健康影響的程度和性質將取決于許多因素,包括暴露水平和暴露時間長度。眼睛和呼吸道刺激、頭痛、頭暈、視覺障礙和記憶障礙是一些人在接觸某些有機物后不久就會出現的直接癥狀。目前,人們對家庭中常見的有機物水平對健康的影響知之甚少。

    攝取

    雖然與在室內空氣中發現的濃度相比,苯、甲苯和甲基叔丁基醚(MTBE)的濃度為零,但在母樣本中發現并增加了我們全天接觸的VOC濃度。一項研究注意到肺泡呼吸和吸入空氣中的VOC之間的差異,這表明VOC是通過肺外途徑攝入、代謝和排泄的。不同濃度的VOC也會被飲用水攝入。部分VOC濃度超過了EPA的國家一級飲用水法規和生態環境部制定的中國國家飲用水標準。

    皮膚吸收

    空氣和地下水中VOC的存在引發了更多的研究。已經進行了幾項研究來測量特定VOC的皮膚吸收效果。皮膚暴露于甲醛和甲苯等VOC會下調皮膚上的抗菌肽,如導管素LL-37、人β-防御素2和3。二甲苯和甲醛會加重動物模型中的過敏性炎癥。甲苯也會增加絲聚蛋白的失調:一種xxx調節的關鍵蛋白質。這通過免疫熒光確認蛋白質丟失和蛋白質印跡確認mRNA丟失得到證實。這些實驗是在人類皮膚樣本上進行的。甲苯暴露還減少了經表皮層中的水分,從而使皮膚層變得脆弱。

    揮發性有機化合物排放限值

    室內空氣中VOC排放的限值由AgBB、AFSSET、加州公共衛生部等發布。這些法規促使油漆和粘合劑行業的幾家公司適應其產品的VOC水平降低。VOC標簽和認證計劃可能無法正確評估產品排放的所有VOC,包括可能與室內空氣質量相關的一些化合物。添加到著色涂料中的每盎司著色劑可能含有5到20克VOC。然而,深色可能需要5-15盎司的著色劑,每加侖油漆添加多達300克或更多的VOC。

    醫療機構中的揮發性有機化合物

    揮發性有機化合物也存在于醫院醫療保健環境中。在這些環境中,這些化學品被廣泛用于不同區域的清潔、消毒和衛生。因此,護士、醫生、環衛人員等衛生專業人員可能會對健康產生不利影響,例如哮喘;然而,需要進一步評估以確定影響接觸這些化合物的確切水平和決定因素。研究表明,不同VOC(如鹵代烴和芳烴)的濃度水平在同一家醫院的不同區域之間存在很大差異。然而,其中一項研究報告稱,乙醇、異丙醇、乙醚和丙酮是該場地內部的主要化合物。同樣,在美國進行的一項研究表明,護理助理最常接觸乙醇等化合物,而醫療設備準備人員最常接觸2-丙醇。關于清潔和衛生人員接觸VOCs,在美國4家醫院進行的一項研究表明,滅菌和消毒工人與d-檸檬烯和2-丙醇接觸有關,而負責使用含氯清潔的工人產品更有可能接觸到更高水平的α-蒎烯和氯仿。那些執行地板和其他表面清潔任務(例如,地板打蠟)以及使用季銨、精和氯基產品的人與前兩組相比,與更高的VOC暴露相關,也就是說,他們與暴露特別相關丙酮、氯仿、α-蒎烯、2-丙醇或d-檸檬烯。盡管老年人和弱勢群體可能會在這些室內環境中花費相當長的時間,因為這些室內環境中他們可能會接觸到揮發性有機化合物,因此其他醫療保健環境(例如護理和老年護理院)很少被研究,噴霧劑和清新劑。在法國進行的一項研究中,一組研究人員針對不同的社會和老年護理機構開發了一份在線問卷,詢問清潔做法、使用的產品以及這些活動的頻率。結果,確定了200多種化學物質,其中41種已知對健康有不良影響,其中37種是VOC。健康影響包括皮膚過敏、生殖和器官特異性毒性、致癌性、致突變性和內分泌干擾特性。此外,

    分析方法

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    采樣

    獲取樣品進行分析具有挑戰性。揮發性有機化合物,即使處于危險水平,也是稀釋的,因此通常需要預濃縮。大氣中的許多成分相互不相容,例如臭氧和有機化合物、過氧酰基硝酸鹽和許多有機化合物。此外,在冷阱中通過冷凝收集VOC還會積聚大量水,通常必須根據所采用的分析技術有選擇地去除這些水。固相微萃取(SPME)技術用于收集低濃度VOC進行分析。應用于呼吸分析時,采用以下方式進行采樣:氣體采樣袋、注射器、真空鋼和玻璃容器

    原理及測量方法

    在美國,國家職業安全與健康研究所(NIOSH)和美國OSHA制定了標準方法。每種方法都使用單組分溶劑;但是,不能使用NIOSH或OSHA方法在同一樣品基質上對丁醇和己烷進行取樣。VOC可通過兩種廣泛的技術進行量化和識別。主要技術是氣相色譜法(GC)。GC儀器允許分離氣態成分。當與火焰離子化檢測器(FID)耦合時,GC可以檢測萬億分之幾級的碳氫化合物。使用電子捕獲檢測器,GC對有機鹵化物(如氯烴)也很有效。與VOC分析相關的第二項主要技術是質譜分析,它通常與GC結合使用,從而形成GC-MS的聯用技術。直接注射質譜技術經常用于快速檢測和準確定量VOC。PTR-MS是最廣泛用于生物和人為VOC在線分析的方法之一。據報道,基于飛行時間質譜的PTR-MS儀器在100毫秒后達到20pptv和1分鐘后達到750ppqv的檢測限。測量(信號積分)時間。這些設備的質量分辨率介于7000和10,500m/Δm之間,因此可以分離最常見的同量異位VOC并獨立量化它們。

    揮發性有機化合物

    化學指紋和呼吸分析

    人呼出的呼氣中含有幾千種揮發性有機化合物,可用于呼氣活檢,作為VOC生物標志物來檢測肺癌等疾病。一項研究表明,揮發性有機化合物……主要是血液傳播的,因此可以監測體內的不同過程。看來,體內的VOC化合物可能是由代謝過程產生的,也可能是從環境煙草煙霧等外源性來源吸入/吸收的。化學傳感器陣列也證明了揮發性有機化合物的化學指紋和呼吸分析,該陣列利用模式識別來檢測復雜混合物(例如呼吸氣體)中的組分揮發性有機物。

    VOC測量計量學

    為了實現VOC測量的可比性,需要可追溯至SI單位的參考標準。對于許多VOCs氣體參考標準,可以從特種氣體供應商或國家計量機構獲得,無論是氣瓶形式還是動態生成方法。然而,對于許多VOC,例如含氧VOC、單萜或甲醛,由于這些分子的化學反應性或吸附性,沒有適當數量的標準品可用。目前,一些國家計量機構正在研究缺乏痕量濃度的標準氣體混合物,盡量減少吸附過程,并改進零氣體。最終范圍是標準氣體的可追溯性和長期穩定性符合數據質量目標(DQO,

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    詞條目錄
    1. 揮發性有機化合物
    2. 定義
    3. 加拿大
    4. 歐洲聯盟
    5. 印度
    6. 美國
    7. 生物產生的揮發性有機化合物
    8. 人為來源
    9. 室內揮發性有機化合物
    10. 室內空氣質量測量
    11. 室內揮發性有機化合物排放監管
    12. 健康風險
    13. 攝取
    14. 皮膚吸收
    15. 揮發性有機化合物排放限值
    16. 醫療機構中的揮發性有機化合物
    17. 分析方法
    18. 采樣
    19. 原理及測量方法
    20. 化學指紋和呼吸分析
    21. VOC測量計量學

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