VOC: emissioni indoor di prodotti volatili organici

L’inquinamento negli ambienti confinati è diventato progressivamente oggetto di studi e sperimentazioni, in quanto importante quanto quello dell’ambiente outdoor.

Indice:

• I VOC e l’inquinamento negli ambienti indoor
• Origine delle emissioni VOC
• Dinamica delle emissioni di VOC
• Studio delle emissioni di VOC
• Possibili interventi

L’inquinamento dell’aria negli ambienti confinati (indoor) è un fenomeno al quale sono stati dedicati negli ultimi anni sempre maggiori studi.

Considerando che il livello di concentrazione di molte sostanze inquinanti è superiore negli ambienti interni che in quelli esterni e che tipicamente trascorriamo più del 80 – 90% del nostro tempo in spazi chiusi appare chiaro che è necessario uno studio sistematico delle fonti di inquinamento indoor, del loro impatto sulla salubrità dell’aria e infine dell’effetto complessivo causato sulla salute ed il benessere.

I VOC e l’inquinamento negli ambienti indoor

Negli ambienti confinati si possono riscontrare diverse classi di inquinanti. I gas permanenti inorganici tra cui spiccano il monossido di carbonio, l’ozono, gli ossidi di azoto e zolfo provengono tipicamente dall’esterno o da combustioni (fornelli, caldaie, ecc). I composti organici volatili (VOC), possono essere introdotti dall’esterno o essere emessi da prodotti e materiali di costruzione e finitura, da elementi di arredamento o provenire da attività umane come il fumo o l’uso di prodotti come i detergenti, i ceranti o gli insetticidi.
Una classe a parte di inquinanti è data dal particolato.

Consiste in microscopiche particelle sospese (di diametro compreso tra alcune decine e qualche centesimo di micrometri) la cui velocità di sedimentazione è abbastanza ridotta da permetterne il trasporto con le correnti d’aria normalmente presenti nell’ambiente. Possono far parte del particolato particelle inorganiche, fibre, batteri, virus.
Al particolato può essere associata una varietà di sostanze che altrimenti non sarebbero volatili, come gli idrocarburi aromatici policondensati o i radionuclidi prodotti dal decadimento del radon. Questi ultimi appartengono alla famiglia degli inquinanti radioattivi. Nell’ambiente indoor il radon può derivare dal decadimento del radio contenuto nel cemento e in materiali lapidei o provenire dall’esterno, tipicamente dalle esalazioni del terreno che permeano attraverso il basamento o dall’acqua.

Negli ambienti indoor, che sono spesso caratterizzati da ricambi limitati di aria, i VOC possono concentrarsi raggiungendo concentrazioni elevate. La dinamica dei VOC in un ambiente può essere anche molto complessa, in quanto possono essere adsorbiti e riemessi dalle molte superfici presenti in un locale; inoltre possono dare luogo a reazioni chimiche generando nuovi composti. Lo studio dell’inquinamento indoor da VOC si articola quindi sullo studio delle emissioni dei materiali, sulla dinamica e sull’impatto che queste emissioni hanno sull’inquinamento effettivo nell’ambiente ed infine sull’effetto di questo inquinamento sugli occupanti.

Origine delle emissioni VOC

Le emissioni di VOC sono causate dalla diffusione delle sostanze volatili dall’interno alla superficie dei materiali e quindi dall’evaporazione delle stesse nell’aria.

Possono essere costituite da sostanze volatili già contenute nel materiale al momento della posa o da composti di degradazione che si formano nel tempo e che vengono quindi liberati. Per essere emesse nell’aria le sostanze volatili che si trovano all’interno dei materiali devono raggiungerne la superficie esterna. La migrazione dei composti volatili è quindi largamente influenzata, oltre che dalle caratteristiche della sostanza stessa, dalla struttura del materiale che le contiene.

La migrazione di sostanze volatili può avvenire anche attraverso differenti materiali. Un prodotto “nascosto” come ad esempio un adesivo può emettere VOC che raggiungono l’aria migrando attraverso il materiale di copertura o, per certi tipi di posa, attraverso i bordi di giunzione e le fughe. Considerando i materiali sintetici polimerici si pensa solitamente alle emissioni di monomero residuo presente nel materiale.

Questo rappresenta però raramente un problema, in quanto il contenuto di monomero residuo viene solitamente attentamente controllato in sede di sintesi del polimero stesso. E’ invece possibile che restino inclusi nel polimero prodotti di reazione secondari meno volatili che si formano durante il processo di polimerizzazione; ad esempio nella sintesi della gomma stirenica-butadienica si può formare una piccola parte di 4-fenilcicloesene, che è un prodotto secondario di addizione tra stirene e butadiene. La maggior parte delle emissioni di VOC è tipicamente costituita dai prodotti additivi che vengono aggiunti al polimero per ottenere le caratteristiche necessarie al prodotto finito.

Gli additivi possono comprendere stabilizzanti e antiossidanti per ridurre la degradazione progressiva del prodotto, plastificanti per modularne le caratteristiche meccaniche, agenti antibatterici ed antimicotici, coloranti, ecc. Inoltre, assieme agli additivi possono venire inclusi nella formulazione prodotti come solventi o impurezze che vengono così a far parte della composizione finale del prodotto. All’insieme di composti organici volatili contenuti nel materiale originale che costituiscono l’emissione primaria si aggiungono come fonte potenziale di emissione secondaria i composti che si formano nel tempo per degradazione dovuta ad esempio all’umidità, all’ossigeno, all’ozono, ecc. Una ulteriore potenziale fonte di VOC secondari è data dai composti volatili prodotti dal metabolismo dalla flora microbiologica che si può sviluppare in alcuni materiali.

Appare quindi chiaro che non è possibile una analisi esaustiva per classi generiche di prodotto in quanto le formulazioni finali variano notevolmente in funzione dei diversi produttori e delle diverse tipologie offerte sul mercato. Per molti prodotti si ha inoltre una alta variabilità tra lotti diversi dovuta alle differenti possibili formulazioni e alle diverse fonti di materie prime utilizzate.

Dinamica delle emissioni di VOC

Le emissioni di VOC primarie hanno tipicamente un profilo variabile nel tempo che prevede livelli iniziali più elevati, quando il prodotto è ancora nuovo, e livelli decrescenti con il passare del tempo a causa della progressiva eliminazione delle sostanze volatili contenute nel prodotto stesso. Le emissioni secondarie possono invece avere profili differenti in dipendenza dalla modalità in cui si formano i nuovi VOC che le causano. Le dinamiche di emissione dipendono dalle caratteristiche del materiale e delle sostanze emesse. A parità di quantità totale contenuta nel materiale, una sostanza più volatile tenderà tipicamente ad essere emessa più velocemente di una meno volatile, e tenderà quindi ad esaurirsi prima. Usualmente si osserva infatti che le sostanze più volatili sono caratterizzate da intense emissioni iniziali seguite da una rapida diminuzione, mentre le sostanze poco volatili tendono ad avere emissioni più contenute all’inizio ma molto più persistenti. Nel caso molto frequente di emissioni contemporanee di diversi composti da uno stesso materiale si possono quindi avere comportamenti differenti per ogni sostanza. Il profilo di emissione del materiale può dunque variare nel tempo non solo in termini quantitativi, ma anche qualitativi poiché possono variare i rapporti tra i diversi VOC.

Studio delle emissioni di VOC

La caratterizzazione delle emissioni nell’aria dei singoli materiali o prodotti viene tipicamente eseguita ponendo un campione del prodotto stesso in una camera di prova nella quale viene fatta circolare aria ad elevata purezza (FOTO 1). Le emissioni del campione vengono misurate prelevando a determinati intervalli di tempo campioni dell’aria interna alla camera ed analizzandoli per determinare la presenza e la concentrazione di sostanze inquinanti. In questi esperimenti si intende ottenere una caratterizzazione delle emissioni dei materiali in quanto tali; si cerca quindi di minimizzare qualunque effetto spurio dovuto ad assorbimenti della camera e a variazioni delle condizioni sperimentali. Si opera quindi tipicamente in camere di vetro o acciaio, che presentano una bassa capacità di adsorbire i VOC. Le condizioni sperimentali (tra cui temperatura, umidità e velocità dell’aria sul campione) sono controllate con precisione. L’aria all’interno della camera viene cambiata con un regime costante, e la qualità dell’aria in ingresso viene controllata per mantenere minimo il livello di fondo del sistema. I dati ottenuti con queste tecniche permettono di identificare i vari componenti delle emissioni, di misurarne il flusso di emissione da parte del campione e le sue variazioni nel tempo.

Le determinazioni nelle camere sperimentali sono fondamentali per caratterizzare il materiale, identificare e quantificare le emissioni e studiare nuovi prodotti con emissioni inferiori. Non è però possibile calcolare con sicurezza da questi dati le concentrazioni effettive di VOC nell’ambiente in cui verrà posato il prodotto a causa dei fenomeni di riadsorbimento, emissione ed eliminazione che si instaurano negli ambienti reali.

Il prodotto posato è inoltre soggetto a diversi effetti che possono modificare la quantità e la qualità delle emissioni. Ad esempio la presenza di un elemento riscaldante quale un calorifero può aumentare l’evaporazione dei VOC, mentre l’umidità in unione alle condizioni alcaline di un massetto cementizio possono portare a reazioni di idrolisi di alcuni composti (ad esempio degli ftalati usati come plastificanti) determinando emissioni non osservabili nell’analisi del singolo prodotto.

Possibili interventi

Il problema della prevenzione dell’inquinamento indoor da VOC può essere affrontato sul piano dei materiali e prodotti e su quello della progettazione architettonica e dell’utilizzo finale.
L’intervento sulla produzione dei materiali utilizzati nell’ambiente confinato può portare alla realizzazione di prodotti con caratteristiche tali da minimizzare le emissioni primarie e secondarie. Questi interventi possono comprendere modifiche e adattamenti della formulazione del prodotto, modifiche nella determinazione delle materie prime e dei fornitori delle medesime e adattamenti del processo produttivo. Un ulteriore intervento può essere costituito da un controllo di qualità delle materie prime specificatamente volto a valutare la presenza di sottoprodotti volatili indesiderati. Poiché le formulazioni ed il progetto in genere dei materiali attuali non è solitamente stato eseguito ponendo una specifica attenzione al problema delle emissioni, in certi casi anche un semplice riesame della formulazione può portare all’identificazione e alla eliminazione dei componenti che causano la maggior parte di emissioni di VOC.

Già da qualche tempo numerosi fornitori stanno affiancando alle linee tradizionali prodotti nuovi quali, ad esempio, vernici ed adesivi a base di acqua e quindi con bassi contenuti in solventi volatili. L’intervento nella fase di progetto architettonico può comprendere un utilizzo di materiali a basse emissioni di VOC, una scelta degli abbinamenti dei materiali stessi per evitare interazioni non desiderate unitamente ad una pianificazione della posa in opera mirata a minimizzare l’accumulo dei VOC che tipicamente si liberano in abbondanza in questa fase. Un ulteriore aspetto molto importante da affrontare in sede di progettazione è dato dalla definizione del sistema di ricambio dell’aria, che può giocare un ruolo importante nel controllo della concentrazione di VOC presente nell’atmosfera indoor.

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