Uçucu Organik Bileşikler

12.06.2017

Bu derleme çalışmasında, iç ortamlarda bulunan uçucu organik bileşiklerin tanımı, sınıflandırılması, kaynakları, uçucu organik bileşiklerin sağlık üzerine etkileri ve uçucu organik bileşik kaynağı olarak boyalar hakkında genel bilgiler kısaca özetlenmiştir. Uçucu Organik Bileşiklerin Tanımı, Sınıflandırılması ve Kaynakları Uçucu Organik Bileşikler, UOB (Volatile Organic Compounds, VOC) nefes aldığımız kapalı havada en çok bulunan kimyasal kirleticilerdir [1]. Kaynama sıcaklığı 260ºC’ye kadar olan alifatik veya aromatik yapıda hidrokarbonlardır [2]. Yüksek buhar basıncına ve suda düşük çözünürlüğe sahip olan uçucu organik bileşiklerin fotokimyasal reaksiyonlar ile hava kirliliğine önemli ölçüde katkısı olduğu kabul edilmektedir [3, 4]. Günümüzde, özellikle kentlerde, insanlar hayatlarının büyük bir bölümünü evler, iş yerleri, okullar ve taşıtlargibi ortamlarda geçirmektedir [5-6]. Yapılan bir araştırmaya göre, bir insanın bir günlük zamanının %88’ibahsedilen bu kapalı ortamlarda geçmektedir [7-8]. İnsanlar zamanlarının çok büyük kısmını bu kapalı ortamlarda geçirdiği için, “kapalı (iç) ortam hava kalitesi (indoor air quality)” de en az dış ortam hava kalitesi kadar önem kazanmaktadır [9]. Kapalı ortam havası ise, konutlar, endüstriyel olmayan iş yerleri ve resmi binalar (okul, hastane vb.) içindeki hava olarak tanımlanmaktadır [5, 10]. İnşaat, boya ve mobilya sektörlerindeki gelişmeler doğrultusunda daha fazla sentetik malzeme kullanımıile kapalı yaşam alanları daha konforlu hale gelmekte ancak aynı zamanda, kullanılan bu sentetik malzemeler ile iç ortam hava kalitesi bozulmaktadır [9]. Çevre Koruma Örgütü (Environmental Protection Agency, EPA) tarafından da belirtildiği gibi, iç ortam hava kalitesini bozan kirleticiler arasında, başlıca uçucu organik bileşikler ve formaldehit yer almaktadır [11- 12]. Uçucu organik bileşikler, hemen hemen her ortamda az veya çok miktarda bulunmaktadır ve iç ortamdaki seviyeleri değişkendir. Parfüm, deodorant, sabun, deterjan, şampuan, hava kokusu giderici spreyler gibi tüketim malzemeleri, boya/vernik gibi kaplama malzemeleri, yapıştırıcılar ve döşeme gibi yapı malzemeleri ile fotokopi ve faks gibi ofis makineleri iç ortamlardaki başlıca VOC kaynaklardır [13-15] . hava kirletici

Şekil 1. İç Ortam Hava Kirleticileri

Şekil 2. Uçucu Organik Bileşiklerin Kaynakları

Şekil 1’de sunulan resimde iç ortam hava kirleticileri, Şekil 2’de sunulan grafikte ise, uçucu organik bileşiklerin kaynakları görülmektedir. Avrupa Komisyonu Ortak Araştırma Merkezi - Çevre Enstitüsü tarafından hazırlanan raporda, iç ortam havasında bulunan organik bileşikler genel olarak; (I) Kimyasal yapılarına göre (alkanlar, aromatik hidrokarbonlar, aldehitler, vb.), (II) Fiziksel özelliklerine göre (kaynama noktası, buhar basıncı, karbon sayısı vs.) ve (III) Potansiyel sağlık etkilerine göre (tahriş edici maddeler, nörotoksik, karsinojen vb.) sınıflandırılmaktadır [2]. Dünya Sağlık Örgütü (World Health Organization, WHO) tarafından, organik esaslı iç ortam hava kirleticileri için yapılan ve yaygın olarak kullanılan sınıflandırmaya göre ise, organik bileşikler, kaynama noktalarınagöre, VVOC, VOC, SVOC ve POM olarak dört grupta incelenmektedir. Kapalı ortam organik kirleticilerin sınıflandırılması [2-16] Tablo 1’de sunulmuştur.

Tablo 1. Kapalı ortam organik kirleticilerinin sınıflandırılması [2-16]

Tablodan da görüldüğü gibi, organik esaslı iç ortam hava kirleticileri, çok uçucu organik bileşiklerden (k.n. 0-50oC), partikül organik bileşiklere (k.n.>380oC) kadar çok geniş bir aralıkta kaynayan bileşikleri kapsamaktadır. İç ortam havasında sıklıkla gözlenen ve VOC olarak adlandırılan grup ise, genellikle bazı parafinler ve benzenden başlayarak naftaline kadar olan bileşikleri (k.n. 50-260oC) kapsamaktadır. Bu bileşikler nispeten düşük kaynama noktaları sebebiyle iç ortam havasında buhar halinde bulunmaktadırlar [2, 11, 16-19]. Propan, bütan ve metil klorür, çok uçucu organik bileşiklere (VVOC); pestisitler (DDT), plastifiyanlar (ftalatlar), yangın geciktiriciler (poliklorlu bifeniller, PCBs ve polibromürlü bifenil, PBB), yarı uçucu organik bileşiklere (SVOC) ve limonen, toluen, aseton, etil alkol, izopropil alkol, heksanal ise uçucu organik bileşiklere (VOC) örnek olarak verilebilir [3].

BTEX

En yaygın gözlenen uçucu organik bileşikler, BTEX olarak adlandırılan “benzen, toluen, etilbenzen ve ksilen” olup, bunların arasında, iç ortamda genellikle en yüksek seviyelerde rastlanılan bileşik toluendir. Havadaki konsantrasyonu yüksek olduğunda insan üzerinde kanserojen etkisi olan diğer önemli bileşik ise benzendir [11, 16, 19]. BTEX’lerin kimyasal yapıları Şekil 3’te sunulmuştur. BTEX

Şekil 3. BTEX’lerin kimyasal yapıları

İnsan aktiviteleri ve bina malzemelerinden kaynaklanan emisyonlar, iç ortam hava kirliliğinin en önemli kaynakları olmakla beraber, dış ortam havasında bulunan kirleticilerin iç ortam havasına havalandırma ile girişi de önemlidir [20]. Bu açıdan bakıldığında, havalandırma ile iç ortam hava kalitesini etkilemesi muhtemel olan ve çoğunlukla fosil yakıt (benzin) kullanan taşıtların egzozlarından kaynaklanan dış ortam havasındaki VOC içeriğini de göz ardı etmemek gerekir. Zira BTEX’lerin en önemli ana kaynaklarından biri benzin olup, benzindeki BTEX komponentlerinin %’lik dağılımı Şekil 4’te sunulmuştur. benzinde yer alan BTEX

Şekil 4. BTEX Komponentlerinin dağılımı

Uçucu Organik Bileşiklerin Sağlık Üzerine Etkileri

Uçucu organik bileşiklerin, major potansiyel sağlık etkileri; akut ve kronik solunum yolu etkileri, nörolojik toksisite, akciğer kanseri ile göz ve boğaz tahrişidir [21]. Bu bileşiklerin bir kısmı mukoza tahrişi, baş ağrısı ve yorgunluk etkilerine sebep olan “hasta bina sendromu, sick building syndrome” (SBS) ile ilişkilidir [1]. Dünya Sağlık Örgütü (WHO), hasta bina sendromunda (SBS) görülen semptomları beş kategori altında listelemiştir [9, 22-23]. (I) Göz, burun ve boğazda tahriş, (II) Nörolojik veya genel sağlık semptomları: baş ağrısı, baş dönmesi, bulantı, kusma, fiziksel ve zihinsel yorgunluk, hafıza kaybı, konsantrasyon eksikliği, (III)Deride gözlenen tahriş: deride kızarıklık, ağrı, kaşıntı ve kuruluk, (IV) Nedeni belli olmayan aşırı duyarlılık reaksiyonları: astım olmayan kişilerde astım benzeri semptomlar, göz ve burun akıntısı, (V) Koku ve tat bulguları: koku ve tat duyusunda değişiklikler. Birçok uçucu organik bileşiğin toksik olduğu ve karsinojenik, mutajenik veya teratojenik olduğu düşünülmektedir [1, 24, 25]. Ayrıca, uçucu organik bileşikler gibi birçok kapalı hava kirleticisi akciğer kanserine neden olabilir. Yaşam boyu, uçucu organik bileşiklerden kaynaklanan kanser riskinin üst sınırı, radon ve sigara dumanından kaynaklanan risk tahminleri ile oldukça benzerdir [21, 26]. sigaranın zararı

Şekil 5. İç ortam hava kirleticilerinin sebep olduğu hastalıklar

Şekil 5’te iç ortam hava kirleticilerinin sebep olduğu hastalıklar görülmektedir.

Uçucu Organik Bileşik Kaynağı olarak Boyalar

Sentetik ve su bazlı olarak üretilebilen boyalar, günümüzde hayatımızın her alanına girmiştir. Endüstriyel kaynaklardan (kimyasal madde üretimi yapan tesisler, petrol rafinerileri vb.) ve atıkların bertaraf edildiği alanlardan (atık giderme sahaları, atık su arıtma tesisleri vb.) emisyon ve buharlaşma ile atmosfere yayılan VOC miktarı kadar yüksek olmasa da, boyalar da önemli VOC kaynakları arasında yer alır. Herhangi bir kapalı ortamda yer alan potansiyel VOC emisyon kaynakları arasında, boyalar ve bunlarla ilgili malzemelerin yanı sıra yapıştırıcılar, mobilya ve inşaat malzemeleri gibi ticari tüketim ürünleri de bulunmaktadır [21, 24]. Boyama işlemleri, VOC kaynakları arasında %38 ile ikinci sırada yer almaktadır [27]. Boyalarda kullanılan organik çözücüler ve çeşitli katkılar VOC sınıfına dâhil olup, düşük kaynama noktalarından ötürü kolayca iç ortam havasına yayılabilir ve kapalı alanlarda bulunabilirler [21, 28]. Bu sebeple, günümüzde,boyalardan kaynaklanan VOC emisyonu çözülmesi gereken bir sorun haline gelmiştir [29]. Boyaların içerdiği uçucu organik bileşikler arasında, alifatik hidrokarbonlar (n-hekzan, n-heptan), aromatik hidrokarbonlar (toluen, ksilen), halojenlenmiş hidrokarbonlar (metil klorür, propilen diklorür), alkoller, ketonlar (metil etil keton), esterler (etil asetat), eterler (metil eter, etil eter, butil eter) sayılabilir [28, 30]. Bilindiği gibi, çözücüsüz boya ve toz boya sistemleri dışında, su bazlı boyalar da dâhil olmak üzere boya formülasyonlarında organik çözücü kullanımı söz konusudur. Boya sistemleri genel olarak; çözücü bazlı boyalar, su bazlı boyalar ve toz boyalar olarak üç grupta incelenebilir. Çözücü bazlı boyalar, içerdikleri katı madde oranına göre, %40 veya daha az oranda katı madde içeren “düşük katılı boyalar”, %40-%70 oranında katı madde içeren “orta katılı boyalar” ve %70 veya daha fazla oranda katı madde içeren “yüksek katılı boyalar” olarak sınıflandırılırlar. Son kırk yılda geliştirilen ve hala cazibesini koruyan yüksek katılı boyalar ile çözücü içeriğinin %30’un altına düşürülmesi sağlanmaktadır [31]. Boya formülasyonunda yer alan katı madde içeriğindeki artışla birlikte çözücü kullanımının azalması daha düşük VOC içeriğini sağlamaktadır.

Su bazlı boyalarda ise, kullanılan reçine türüne ve ortama bağlı olarak “sulu dispersiyonlar (lateksler, emülsiyonlar)” ve “su ile inceltilebilir (seyreltilebilir)” boyalardan bahsedilebilir [32].

Katı polimer parçacıklarının su içinde kararlı biçimde disperse edilmesiyle hazırlanan lateks bağlayıcılar kullanılarak üretilen su bazlı lateks boyalarda, boya filminin kuruması için kullanılan koalesans ajanları da iç ortam VOC kaynakları arasındadır. Emülsiyon boyaları ise, her bir monomer damlasının su içinde ayrı ayrı polimerleşmesi sonucu sıvı polimer küreciklerinin su içinde kararlı biçimde disperse edilmesiyle elde edilir [31]. Su bazlı emülsiyon boyalar yaklaşık %5-15 dolayında organik çözücü içerirler [30]. Su ile inceltilebilir boyalarda, bağlayıcı olarak, polimer zinciri üzerinde serbest karboksil veya amin gibi hidrofilik bir grup içeren polimerler kullanılmaktadır. İçerdiği fonksiyonel gruba göre, asidik ya da bazik karakterde olan bağlayıcının uygun bir amin veya asit varlığında nötralize edilmesi ile elde edilen çözünebilir tuzun ikincil çözücü (alkol, glikol eter vb.) içinde çözündürülmesi ile bağlayıcı polimere suda seyrelme özelliği kazandırılmaktadır [31, 33-34]. Bu tür boyalar, bağlayıcıların sentezinden kaynaklanan ağırlıkça %10-15 organik çözücü yanında, su ile karışabilen ikincil çözücüler ile birlikte [30] toplamda ağırlıkça %20-30 civarında organik çözücü içermektedir ve boyanın su ile seyrelme oranına bağlı olarak VOC içeriği çözücü bazlı boyalara nazaran daha düşüktür.

Işıma (UV ve EB) ile sertleşen boyalar ve toz boyalar ise çözücü içermeyen dolayısıyla VOC emisyonu olmayan boyalardır.

Boyaların içerdiği organik çözücü ve diğer uçucu katkı maddeleri, boyanın yüzeye uygulanması ve kuruması aşamalarında buharlaşmaktadır. Dolayısıyla, çözücü bazlı boyama sistemlerinde, boyama sırasında uygulanan yönteme göre çözücü emisyonu değişkenlik göstermektedir. Tablo 2’de, boya uygulama yöntemine göre teorik çözücü emisyonları gösterilmiştir [30].

Tablo 2. Boya uygulama yöntemine göre teorik çözücü emisyonları [30]

* Pnömatik püskürtmede %60 olan transfer verimi, ** elektrostatik püskürtmede %75 civarındadır.

Çeşitli kaynaklardan dış ve iç ortam havasına salınan ve çok küçük konsantrasyonlarda dahi insan ve bitkiler için zararlı olan VOC’ler, atmosferde bulunan CO ve NOx ile güneş ışığı varlığında reaksiyona girerek ozon içeren fotokimyasal duman oluştururlar [3]. VOC emisyonları, iklim değişikliğini, bitkilerin büyümesini, insanların ve tüm hayvanların sağlığını etkilediklerinden, bu emisyonların sınırlandırılması ve kontrol edilmesi gereklidir [35]. Bu nedenle, başlıca VOC kaynaklarından biri olan boya formülasyonlarında kullanılan organik çözücülerin miktarının azaltılması bir gereklilik haline gelmiştir. Çözücü emisyonlarını azaltmak için, (I) çözücüsüz veya çözücü içeriği düşük ürünlerin kullanımı, (II) çözücü emisyonu düşük boyama tekniklerinin kullanımı, (III) boyama işlemlerinin yapıldığı ortamlarda atık gaz arıtım sistemlerinin kullanımı şeklinde yaklaşımlar söz konusudur [30]. Günümüzde, su bazlı kaplamalar, düşük VOC içeriği için en pratik ve etkili çözüm gibi görünmektedir. Bu nedenle geleneksel kaplamaların tüm türleri, su bazlı kaplama sistemlerine dönüştürülmektedir [36]. Bunun yanı sıra, çözücü bazlı kaplamalarda, yüksek katılı sistemleri tercih etmek de bir diğer alternatif olarak karşımıza çıkmaktadır. Farklı boya uygulama yöntemlerinin (yüksek hacimli düşük basınçlı püskürtme tabancası (HVLP, High Volume Low Pressure spray gun) ve elektrostatik uygulamalar vb.) kullanımı ile boya transfer verimini en üst seviyeye çıkarmak da önemli bir yaklaşımdır. Sonuç olarak, son yıllarda, boya ve kaplama endüstrisinde; çevresel kaygılar, bu konu ile ilgili yeni yönetmelikler, direktifler ve yüksek maliyet sebebiyle, VOC miktarı düşük, çeşitli boya sistemlerinin üretimi ile ilgili çalışmalar devam etmektedir.