Composti organici volatili

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La classe dei composti organici volatili, (COV) o VOC (dall'inglese Volatile Organic Compounds) comprende diversi composti chimici formati da molecole dotate di gruppi funzionali diversi, aventi comportamenti fisici e chimici differenti, ma caratterizzati da una certa volatilità, caratteristica, ad esempio, dei comuni solventi organici aprotici apolari, come i diluenti per vernici e benzine.

Si classificano come COV ( o VOC in inglese), infatti, sia gli idrocarburi, contenenti, come elementi unici, carbonio e idrogeno, suddivisi in alifatici e aromatici, sia i composti contenenti ossigeno, cloro od altri elementi oltre al carbonio e l'idrogeno, come gli aldeidi, gli eteri, gli alcooli, gli esteri, i clorofluorocarburi (CFC) ed gli idroclorofluorocarburi (HCFC). La legislazione italiana definisce composti organici volatili, quei composti organici che, alla temperatura di 293,15 K (20 °C), abbiano una pressione di vapore di 0,01 kPa o superiore [1]

Composti organici volatili, biogenici ed antropogenici[modifica | modifica wikitesto]

I Composti Organici Volatili si suddividono in tre categorie, in relazione alle fonte di provenienza:

  • Composti antropogenici, originati principalmente dalle attività umane, come i solventi derivati del petrolio, e i prodotti delle combustioni.
  • Composti biogenici di origine prevalentemente naturale, come gli oli essenziali vegetali.
  • Composti sia antropogenici che biogenici, come l'isoprene, ad esempio, presente solo negli organismi vegetali come composto intermedio nella sintesi di biomolecole, come appunto resine e oli essenziali, e largamente sintetizzato industrialmente per la produzione di materie plastiche e gomme sintetiche.

Tra i composti organici volatili antropogenici vi sono : il benzene, il toluene, il metano, il tetracloruro di carbonio,l' etano, eccetera. I Composti Organici Volatili biogenici comprendono principalmente i terpeni (α-pinene, β-pinene, limonene, sabinene, ecc.) e l' isoprene.

Fonti antropiche[modifica | modifica wikitesto]

Le fonti antropogeniche emettono complessivamente, circa 142 milioni di tonnellate di carbonio all'anno, sotto forma di Composti Organici Volatili[2]

Componenti specifici[modifica | modifica wikitesto]

Pitture e rivestimenti[modifica | modifica wikitesto]

Una delle principali fonti dei COV antropogenici, sono i rivestimenti, in particolare vernici e rivestimenti protettivi. I solventi generalmente vengono emessi da film protettivi o decorativi. Sul pianeta Terra, Vengono prodotti, ogni anno, circa 12 miliardi di litri di vernici. I solventi tipici sono gli idrocarburi alifatici, l'etil acetato, gli eteri glicolici, e l'acetone. A causa dei costi, dei rischi ambientali e di regolamentazioni sempre più stringenti, le industrie di vernici e rivestimenti hanno, nel corso del tempo, adottato soluzioni che comportino l'uso di solventi ad acqua, anche per la produzione di vernici acriliche.

Clorofluorocarburi e clorocarburi[modifica | modifica wikitesto]

I Clorofluorocarburi, fortemente regolamentati, sono stati ampiamente utilizzati sia nei prodotti per la pulizia che nei fluidi refrigeranti. Il tetracloroetilene è ampiamente utilizzato nel lavaggio a secco e dall'industria. L'uso industriale di combustibili fossili produce COV, direttamente dai prodotti, per esempio, benzina, o indirettamente come sottoprodotti, ad esempio, gas di scarico dell'automobile.

Benzene[modifica | modifica wikitesto]

Il benzene è un COV antropogenico e nota sostanza cancerogena individuata nel fumo di tabacco, nei carburanti stoccati, e nell'evaporazione delle benzine presenti nelle auto in stazionamento. Il benzene viene emesso anche da fonti naturali come i vulcani e gli incendi boschivi spontanei. Spesso viene usato per realizzare altri prodotti chimici per la produzione di materie plastiche, resine e fibre sintetiche. Il composto evapora rapidamente, e il suo vapore, più pesante dell'aria si accumula nelle zone basse. Se contamina cibo e acqua, può indurre vomito, vertigini, sonnolenza, tachicardia, e morte.

Cloruro di metilene[modifica | modifica wikitesto]

Il cloruro di metilene è un altro di tali composti, molto pericoloso per la salute umana. Si può trovare in adesivi e vernici spray, e provoca in cancro negli animali. Se un prodotto contiene cloruro di metilene deve essere utilizzato all'esterno. Negli ambienti chiusi, è necessaria una ventilazione adeguata per mantenere bassi i livelli di esposizione.

Percloroetilene[modifica | modifica wikitesto]

Anche il Percloroetilene è un COV che si è dimostrato generare il cancro negli animali. E' sospettato inoltre di produrre diversi sintomi respiratori correlati alla sua esposizione. Il percloroetilene è usato per lo più nei lavaggi a secco. Per evitare l'esposizione si deve richiedere una completa asciugatura degli indumenti.

Metil-terz-butil etere[modifica | modifica wikitesto]

Il MTBE venne vietato negli Stati Uniti intorno al 2004, al fine di limitare l'ulteriore contaminazione dell'acqua potabile, dovuta principalmente a perdite dei serbatoi di stoccaggio sotterranei di benzina, in cui è stato usato come booster di ottani o come additivo ossigenato e antidetonante.

Formaldeide[modifica | modifica wikitesto]

Anche questo è un composto cancerogeno. Molti materiali da costruzione, come vernici, adesivi, pannelli da parete e soffitto, piastrelle sintetiche, emettono lentamente formaldeide, in grado di irritare le mucose e può aumentare l'irritazione e la suscettibilità ad ulteriori aggressioni chimiche.[3] Le emissioni di formaldeide dal legno di produzione industriale e da laminati plastici su legno, sono comprese tra 0,02 e 0,04 ppm. Un' elevata umidità relativa e temperature elevate favoriscono una maggior vaporizzazione della formaldeide dei materiali legnosi[4].

Aria interna[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Qualità dell'aria interna.

Dal momento che le persone trascorrono la maggior parte del loro tempo a casa o in un ufficio, l'esposizione a lungo termine ai COV in un ambiente interno, può contribuire alla sindrome da edificio malato.[5] Negli uffici e nelle case, nuovi arredi, rivestimenti murali, e apparecchiature per ufficio come fotocopiatrici, e ovviamente le combustioni delle stufe e il fumo del tabacco, possono liberare COV. [3][6] Una buona ventilazione e il condizionamento dell'aria sono utili a ridurre le emissioni. Gli studi dimostrano anche che leucemia e linfoma possono aumentare in caso di esposizione prolungata a COV nell'ambiente interno. [7]

Regolamento in interni di emissioni di COV[modifica | modifica wikitesto]

Per definire correttamente i COV, viene usata dalla maggioranza delle nazioni una serie di metodi di misurazione dei Composti Organici :

I COV appaiono nel cromatogramma e sono generalmente compresi tra n-esano e n-esadecano. Dalle analisi a cui si sottopongono i COV si possono identificare, oltre ai VOC, i VVOC (composti organici molto volatili) e gli SVOC (composti organici semivolatili).

I COV inoltre vengono inquadrati in una serie di normative europe tra le quali :

Alcune panoramiche oltre a valutare le emissioni di COV [8] sono state raccolte e sono state comparate. Francia e Germania hanno emanato regole volte a limitare le emissioni di COV dei prodotti commerciali, così l'industria ha sviluppato, con il tempo, una serie di marchi a qualità ecologica, di volontariato, come :

Negli Stati Uniti, le norme esistono in diversi standard. In California lo standard maggiormente utilizzato è il CDPH Sezione 01.350 [13]. Nel corso degli ultimi decenni, questi regolamenti e norme hanno cambiato il mercato, portando ad un numero crescente di prodotti a bassa emissione: Le etichette principali (volontarie) riferiscono l'esistenza di diverse centinaia di prodotti a bassa emissione.

Emissioni biogeniche[modifica | modifica wikitesto]

L'importanza delle emissioni biogeniche, soprattutto in alcune zone, è divenuta evidente, quando si sono comparate le stime di BVOC [14] alle stime di emissioni antropogeniche. Negli Stati Uniti, ad esempio, nel 1990 venne stimata un'emissione biogenica di composti organici volatili pari a 30.860 Tonnellate all'anno, contro 21.090 tonnellate all'anno di VOC antropogenici. La quantità di emissioni biogeniche è maggiore delle emissioni antropogeniche, soprattutto nel periodo estivo e in concomitanza dell'aumento del quantitativo di ozono, in particolare nelle zone rurali.

VOC 1.gif

Le interazioni con l'atmosfera e il suolo[modifica | modifica wikitesto]

Le emissioni di carattere biogenico sono di particolare importanza per la loro influenza sul bilancio totale del carbonio e sulla capacità di reazione con l'ozono, i radicali OH e NO3, nella prodizione di inquinanti atmosferici come l'ozono, gli aldeidi, i chetoni, i perossidi organici ed il monossido di carbonio. La distribuzione dei VOC è dovuto dalla somma tra le sorgenti che li emettono, e le reattività chimiche proprie di ogni composto.

Nelle aree rurali la concentrazione di idrocarburi insaturi può aumentare a causa delle emissioni provenienti sia dal suolo che dalla vegetazione. Nelle aree forestali il contributo delle sorgenti naturali diventa notevole, portando ad un significativo effetto sulla chimica e la fotosintesi a scala locale, regionale o globale.

Anche gli incendi, lontano da aree industrializzate o aree urbane, possono divenire una fonte di idrocarburi insaturi, in grado di alterare la composizione dei gas a livello traccia. [15] La vegetazione è la sorgente principale delle emissioni VOC biogeniche. Si calcola che la vegetazione emetta circa la metà degli idrocarburi biogenici (THC) non metanici, tra cui isoprene, terpene e emiterpene. Su scala globale si stima che la vegetazione emetta 1,2 1015 gC anno-1, un quantitativo pari alle emissioni globali di metano (CH4). [16]

È inoltre indubbio che le emissioni di composti organici volatili da parte della vegetazione costituiscano una parte non trascurabile del carbonio rilasciato in atmosfera [17], anche se la loro alta reattività [18] e grandi variazioni spaziali e temporali dei tassi di emissione, conducono ad un'estrema variabilità della concentrazione[19]. I BVOC sono spesso suddivisi in 4 classi: isoprene (C5H8), monoterpeni (C10Hx), VOC reattivi (ORVOC) (CxHyOz) ed altri (OVOC).

Le prime stime del numero di composti organici rilasciati dalla vegetazione hanno individuato oltre 300 composti differenti, compresi idrocarburi ed isoprenoidi [20]. Tale numero venne successivamente aumentato per comprendere alcoli, aldeidi, chetoni ed esteri, fino a contare più di 1.000 composti [21]. La sola famiglia dei monoterpeni include più di mille strutture, tra volatili e semivolatili. Il potenziale produttivo di composti organici volatili dalle piante è ben illustrato nella figura seguente , che evidenzia, inoltre, come i VOC siano prodotti da molti diversi compartimenti della pianta e come essi siano il prodotto di differenti processi fisiologici:

Descrizione del potenziale metabolico delle piante di produzione ed emissione di differenti tipologie di composti organici volatili:
VOC ITA 3.jpg

I VOC biogenici[modifica | modifica wikitesto]

I composti organici di origine biogenica sono suddivisi in tre categorie: isoprene, monoterpeni ed altri, che contribuiscono con quote del 44%, 11% e del 45%, rispettivamente, alle emissioni totali annuali di VOC biogenici [22]

L'isoprene viene classificato come un prodotto secondario ed è l'unità chimica base dei monoterpeni e degli altri composti terpenoidi. Prodotti secondari erano considerati tutte quelle sostanze come ad esempio gli alcaloidi, i tannini e i terpeni, che, prima di studi sul significato fisio-ecologico di questi metaboliti, si riteneva non fossero coinvolte nei processi metabolici essenziali per le piante.

Tra i metaboliti secondari i terpenoidi costituiscono il più vasto gruppo di composti vegetali. Queste sostanze sono caratterizzate da una comune unità strutturale, l'isoprene, e comprendono sia gli ormoni che altre sostanze aventi un ruolo fondamentale nel metabolismo della pianta.

I monoterpeni hanno una struttura di 2 unità con 5 atomi di carbonio (C5) e comprendono strutture (C10) mono-, bi-, e tricicliche. L'emissione di monoterpeni è indipendente dalla luce [23], tranne che nelle querce sclerofille Mediterranee, come la Quercia ilex [24] e la Quercia coccifera. Mentre è nota la modalità di formazione ed emissione dei monoterpeni in molte piante, come ad esempio per le conifere, non sono ancora certi i meccanismi enzimatici della formazione dei monoterpeni nelle querce mediterranee. Il Quercus ilex, ad esempio, produce vari composti, prevalentemente α-pinene e β-pinene. Il marcamento isotopico di questi composti con 13CO2 ha suggerito come la sintesi sia localizzata prevalentemente nei cloroplasti fogliari. [25]

Il ruolo ecologico dei terpenoidi[modifica | modifica wikitesto]

Dei metaboliti secondari si conosce il ruolo nell'allelopatia, nella protezione termica, della difesa chimica, come attrattori per l'impollinazione, e come agenti fitopatici. Molti terpeni o composti derivati sono tossici per la cellula vegetale, in quanto determinano una drastica riduzione del numero di mitocondri, alterano la respirazione e l'attività fotosintetica, e diminuiscono la permeabilità della membrana cellulare. Tale tossicità costituisce un vero e proprio schermo biochimico contro l'attacco di insetti, funghi e microbi. Si sta infine indagando sul ruolo svolto dai terpenoidi anche nei meccanismi di difesa attiva della pianta.

È stato ipotizzato che alcuni terpenoidi ,in particolare l'isoprene, abbiano una funzione protettiva nei confronti di stress termici tipici in ambienti desertici, evitando la denaturazione delle membrane esposte ad elevate temperature. I metaboliti secondari si accumulano solitamente in condizioni di stress ed è stato notato come, in alcune condizioni, le emissioni di isoprene vengano aumentate da condizioni di stress. Inoltre il grado di termo-tolleranza dipende dal quantitativo di isoprene contenuto nelle piante. I terpeni rivestono un ruolo non solo nella repulsione e attrazione di insetti fitofagi ma anche nell'attrazione di insetti impollinatori.

L'interazione con la chimica della troposfera[modifica | modifica wikitesto]

I composti organici volatili giocano un ruolo chiave nella chimica a breve termine (short-term) della troposfera ed hanno un importante impatto sui cambiamenti globali, inclusi i cambiamenti climatici [26]. Essi possono:

  • accrescere il tempo di vita di gas come il metano, attraverso l'ossidazione dei radicali OH e la produzione di CO;
  • contribuire alla diffusione (backscattering) degli aerosoli attraverso la formazioni di aerosoli e di nuclei di condensazione delle nubi;
  • aumentare la deposizione acida in alcune aree attraverso la formazione di acidi organici;
  • controllare la formazione di ozono a livello della troposfera;
  • influenzare il bilancio globale del carbonio.

Ai fini di una valutazione dell'impatto dei composti organici volatili sulla formazione di ozono a livello locale, regionale e globale, ed il possibile impatto sull'aumento della temperatura, sono necessarie stime accurate delle emissioni di VOC biogenici. I due composti più abbondanti e largamente studiati sono l'isoprene ed i monoterpeni, a causa della loro alta reattività e della loro importanza nel determinare la quantità di rimescolamento degli OH.

Tra i composti volatili più reattivi, per quanto riguarda la produzione di O3, c'è l'isoprene, con un tempo di vita in atmosfera di sole 1±2 h. I composti organici volatili reagiscono rapidamente con radicali ossidrili (·OH), ozono (O3) e nitrato (NO3-). Tali reazioni portano alla formazione di specie chimiche secondarie [27] che possono accrescere i livelli di ozono ed altri ossidanti in ambienti ricchi di ossidi di azoto.

La reazione tra i VOC e gli OH può aumentare il livello di metano, essendo gli OH il maggior pozzo di assorbimento atmosferico (sink) per il metano. È stato stimato che le emissioni di VOC hanno l'effetto globale di aumentare il tempo di vita del metano del 15% e di incrementare il livello di ozono del 18% (Baldocchi et al. 2001).

L'ozono si forma dall'ossidazione fotochimica dei composti organici volatili in presenza di ossidi di azoto (NOx = NO+NO2). I processi di ossidazione che conducono alla produzione di ozono iniziano con la fotolisi di diverse molecole. La produzione di ozono dipende in modo non lineare dalla presenza di ossidi di azoto e dalle emissioni di composti organici. La figura seguente mostra la produzione di ozono come funzione degli ossidi di azoto a vali livelli di concentrazione di VOC, entrambi fattori limitanti per la produzione di ozono.

Tassi produzione di ozono come funzione degli ossidi di azoto a vali livelli di concentrazione di VOC:VOC 4.gif

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Definizione dell'art 268 del D.Lgs. 152/2006 e smi.
  2. ^ A. H. Goldstein, I. E. Galbally "Known and Unexplored Organic Constituents in the Earth’s Atmosphere" Environmental Science & Technology 2007, 1515–1521. DOI: 10.1021/es072476p 10.1021/es072476p
  3. ^ a b Bernstein, J. A., Alexis, N., Bacchus, H., Bernstein, I. L., Fritz, P., Horner, E., et al. (2008). The health effects of nonindustrial indoor air pollution. Journal of Allergy and Clinical Immunology, 121(3), 585-591. [1] DOI: 10.1016/j.jaci.2007.10.045
  4. ^ Wolkoff, P., & Kjærgaard, S. K. (2007). The dichotomy of relative humidity on indoor air quality. Environment International, 33(6), 850-857.
  5. ^ Wang, S., Ang, H. M., & Tade, M. O. (2007). Volatile organic compounds in indoor environment and photocatalytic oxidation: State of the art. Environment International, 33(5), 694-705. DOI: 10.1016/j.envint.2007.02.011
  6. ^ Yu, C., & Crump, D. (1998). A review of the emission of VOCs from polymeric materials used in buildings. Building and Environment, 33(6), 357-374.
  7. ^ Irigaray, P., Newby, J. A., Clapp, R., Hardell, L., Howard, V., Montagnier, L., et al. (2007). Lifestyle-related factors and environmental agents causing cancer: An overview. Biomedicine & Pharmacotherapy, 61(10), 640-658.
  8. ^ Ecolabels, Quality Labels, and VOC emissions, Eurofins.com. URL consultato il 3 luglio 2012.
  9. ^ EMICODE
  10. ^ M1
  11. ^ Blue Angel
  12. ^ Indoor Air Comfort
  13. ^ CDPH Section 01350
  14. ^ Composti Organici Volatili Biogenici
  15. ^ Bonsang e Boissard, 1999.
  16. ^ Baldocchi et al., 2001.
  17. ^ Geron et al., 1994; Guenther et al., 1995.
  18. ^ Tempi di vita che variano da minuti ad ore.
  19. ^ Bonsang e Boissard, 1999.
  20. ^ Ciccioli et al., 1994.
  21. ^ Knudsen et al., 1993.
  22. ^ Guenther et al., 1995.
  23. ^ Guenther et al., 1991.
  24. ^ Loreto et al. 1996a, Staudt e Bertin, 1998.
  25. ^ Loreto et al., 1996b.
  26. ^ Lerdau et al., 1997.
  27. ^ Formaldeide, perossiradicali, composti carbonilici, ecc.

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

  • Baldocchi D, Wilson K.B., Lianhong Gu “How the environment, canopy structure and canopy physiological functioning influence carbon, water and energy fluxes of a temperate broad-leaved deciduous forest – an assessment with the biophysical model CANOAK ” Tree Physiology 22, 1065-1077, 2002
  • Bonsang B., Boissard C., “Reactive Hydrocarbons in the atmosphere” by Hewitt C.N., Academic Press, 1999
  • Ciccioli P., Cecinato A., Brancaleoni E., Brachetti A., Frattoni M., Sparapani R. “ Composition and distribution of polar and non polar VOCs in urban, rural, forest and remote areas” Proceedings of the 6th European Symposium on the Physico-Chemical Behaviour of Atmospheric Pollutants (G. Angeletti, G. Restelli, eds), European Report 15609/1, Vol. 1: 549-568, 1994
  • Fall R., Wildermuth M.C. “Isoprene synthase: From biochemical mechanism to emission algorithm” J.Geophys. Res., 103: 25599-25609, 1998
  • Geron C., Pierce T.E., Guenther A. “Riassessment of biogenic volatile organic compound emissions in the Atlanta area” Atmospheric Environment 29, 13: 1569–1578, 1995
  • Guenther A. Monson R. K., Fall R. “Isoprene and monoterpene emission rate variability: observations with eucalyptus and emission rate algorithm development” Journal of Geophysical Research 96, D6, 10799-10808, 1991
  • Guenther A., Hewitt C.N., Erickson D., Fall R., Geron C., Graedel T., Harley P., Klinger L., Lerdau M., McKay W.A., Pierce T., Scholes B., Steinbrecker R., Tallmraju R., Taylor J., Zimmerman P. “A global model of natural volatile organic compound emissions” Journal of Geophysical Research 100: 8873-8892, 1995
  • Knudsen J.T., Tollsten L., Bergstrom L.G. “Floral scents – a checklist of volatile compounds isolated by head – space techniques“ Phythochemistry 33: 253-280, 1993
  • Lerdau M., Guenther A., Monson R. “ Plant production and emission of volatile organic compound” BioSci. 47: 373-383, 1997
  • Loreto F., Ciccioli P., Cecinato A., Brancaleoni E., Frattoni M., Tricoli D., “lnfluence of environmental factors and air composition on the emission of α-pinene from Quercus ilex leaves” Plant Physiology 110: 267-275, 1996a
  • Loreto F., Ciccioli P., Cecinato A., Brancaleoni E., Frattoni M., Fabozzi C., Tricoli D. “Evidence of the photosynthetic origin of monoterpenes emitted by Quercus ilex L. leaves by I3C labelling” Plant Physiology 110: 1317-1322, 1996b
  • Staudt M, Bertin N. “Light and temperature dependence of the emission of cyclic and acyclic monoterpenes from holm oak (Quercus ilex L.) leaves” Plant, Cell and Environment 21: 385-395, 1998

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]