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揮発性有機化合物（VOC）は、室温で高い蒸気圧を持つ有機化合物です。[1]高い蒸気圧は低い沸点と相関しており、それは周囲の空気中のサンプルの分子の数に関係しており、揮発性と呼ばれる特性です。[2]
VOCは、汚染物質だけでなく、芳香剤や香水の匂いの原因でもあります。VOCは、花粉媒介者を誘引したり、[3]捕食者から守ったり、[4]植物同士の相互作用など、動物と植物のコミュニケーションに重要な役割を果たしています。 [5] VOCの中には、人の健康に危険を及ぼしたり、環境に害を及ぼしたりするものもあります。人為起源のVOCは、特に濃度が最も高くなる屋内では、法律で規制されています。ほとんどのVOCは急性毒性はありませんが、長期にわたる慢性的な健康被害をもたらす可能性があります。一部のVOCは医薬品として使用されていますが、娯楽目的で使用されるため行政規制の対象となっているものもあります。
定義
VOC という用語にはさまざまな定義が使われています。以下にいくつかの例を示します。
カナダ
カナダ保健省は、 VOCを沸点がおよそ50～250℃（122～482℉）の範囲にある有機化合物と分類しています。空気の質に影響を与える、一般的に遭遇するVOCに重点が置かれています。[6]
欧州連合
欧州連合は、 VOCを「293.15Kで0.01kPa以上の蒸気圧を持つ、または特定の使用条件下で対応する揮発性を持つ、クレオソートの分画を含むあらゆる有機化合物」と定義しています。 [7] VOC溶剤排出指令は、欧州連合における揮発性有機化合物（VOC）の産業排出量削減のための主要な政策手段でした。この指令は、印刷、表面洗浄、車両塗装、ドライクリーニング、履物および医薬品の製造など、溶剤を使用する幅広い活動を対象としています。VOC溶剤排出指令では、そのような活動が適用される施設が指令で定められた排出制限値またはいわゆる削減スキームの要件に準拠することを要求しています。2004年に承認された塗料指令の第13条は、元のVOC溶剤排出指令を改正し、装飾用塗料およびワニス、および車両仕上げ製品における有機溶剤の使用を制限しています。塗料指令は、特定の用途における塗料およびワニスの最大VOC含有量制限値を定めています。[8] [9]溶剤排出指令は、 2013年から産業排出指令に置き換えられました。
中国
中華人民共和国は、 VOCを「自動車、工業生産および民生用、あらゆる種類の燃料の燃焼、油の貯蔵および輸送、装備仕上げ、家具および機械のコーティング、調理油の煙および微粒子（PM 2.5）」および同様の発生源から発生する化合物と定義しています。[10]国務院が2018年7月に発表した「青空防衛戦争に勝つための3カ年行動計画」では、2020年までに2015年のVOC排出量を10％削減する行動計画が策定されています。[11]
インド
インド中央汚染管理委員会は、インドの大気汚染に関する懸念に対処するため、1981年に大気（汚染防止および管理）法を公布し、1987年に改正した。 [ 12]この文書ではVOCと他の大気汚染物質を区別していないが、中央汚染管理委員会は「窒素酸化物（NO x）、二酸化硫黄（SO 2）、微粒子物質（PM10）、浮遊粒子状物質（SPM）」を監視している。[13]
アメリカ合衆国
米国環境保護庁（EPA）や、独立した屋外大気汚染規制を持つ米国の州政府機関が光化学スモッグの前駆物質の制御に用いるVOCの定義には、スモッグ形成プロセスにおいて非反応性または低反応性であると判断されるVOCに対する免除が含まれている。カリフォルニア州南海岸大気質管理地区およびカリフォルニア大気資源局（ CARB）が発行するVOC規制が有名である。[15]しかし、VOCという用語のこの具体的な使用法は誤解を招く可能性があり、特に屋内空気質に適用する場合は誤解を招く可能性がある。屋外大気汚染として規制されていない多くの化学物質が、依然として屋内空気汚染にとって重要である可能性があるからである。
1995年9月の公聴会の後、カリフォルニア州のARBは有機ガスの測定に「反応性有機ガス」（ROG）という用語を使用するようになりました。CARBは委員会の調査結果に基づいて、消費者製品規制で使用される「揮発性有機化合物」の定義を改訂しました。[16]
飲料水に加えて、VOCは表面水への汚染物質排出（直接および下水処理場経由の両方）[17]において有害廃棄物として規制されていますが、[18]非産業用屋内空気では規制されていません。[19]労働安全衛生局（ OSHA ）は職場でのVOC曝露を規制しています。危険物として分類される揮発性有機化合物は、輸送中にパイプラインおよび危険物安全局によって規制されています。
生物学的に生成されたVOC
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一般的な生体由来のVOCであるリモネンは、主に針葉樹林に生育する木々から大気中に放出されます。
地球の大気中のVOCのほとんどは生物起源であり、主に植物から放出されます。[2]
生体揮発性有機化合物（BVOC）は、植物、動物、微生物によって放出されるVOCを含み、非常に多様ですが、最も一般的なものはテルペノイド、アルコール、カルボニルです（メタンと一酸化炭素は通常考慮されません）。[21]メタンを除いて、生物源はVOCの形で年間約760テラグラムの炭素を放出しています。 [20] VOCの大部分は植物によって生成され、主な化合物はイソプレンです。動物と微生物によって少量のVOCが生成されます。[22]多くのVOCは二次代謝物であると考えられており、草食動物に対する植物の防御など、生物の防御に役立つことがよくあります。多くの植物が放出する強い臭いは、VOCのサブセットである緑葉の揮発性物質で構成されています。これらの揮発性物質は近くの生物が検知して反応することを目的としているが、植物材料自体にナノセンサーと赤外線送信機を埋め込むことで、無線電子伝送を通じて検知および伝達することもできる。 [23]
排出量は、揮発と成長の速度を決定する温度や、生合成の速度を決定する日光など、さまざまな要因の影響を受けます。排出量はほぼ葉、特に気孔からのみ発生します。陸生森林から排出されるVOCは、大気中のヒドロキシルラジカルによって酸化されることが多く、 NOx汚染物質がない場合、VOCの光化学反応によりヒドロキシルラジカルがリサイクルされ、持続可能な生物圏と大気圏のバランスが保たれます。[24]温暖化や紫外線の増加など、最近の気候変動の進展により、植物からのBVOC排出量は一般的に増加すると予測されており、生物圏と大気圏の相互作用が乱れ、主要な生態系が損傷を受けています。[25] VOCの主なクラスは、ミルセンなどのテルペンクラスの化合物です。[26]
規模の感覚をつかむために、米国ペンシルベニア州と同じ面積62,000平方キロメートル（24,000平方マイル）の森林は、生育期の典型的な8月の1日に340万キログラム（750万ポンド）のテルペンを放出すると推定されています。[27]トウモロコシはVOC （Z）-3-ヘキセン-1-オールやその他の植物ホルモンを生成します。[28]
人為的発生源
人為的な発生源は、VOCの形で年間約142テラグラム（1.42×1011kg 、または1420億kg）の炭素を排出します。 [29]
人為的VOCの主な発生源は以下の通りである[30]。
- 化石燃料の使用と生産、例えば不完全燃焼した化石燃料や燃料の意図しない蒸発など。最も一般的な VOC は、比較的不活性な化合物であるエタンです。
- コーティング剤、塗料、インクに使用される溶剤。年間約120億リットルの塗料が生産されています。代表的な溶剤には、脂肪族炭化水素、酢酸エチル、グリコールエーテル、アセトンなどがあります。コスト、環境問題、規制などの理由から、塗料・コーティング業界では水性溶剤への移行が進んでいます。[31]
- 圧縮エアゾール製品（主にブタンとプロパン）は、世界中で年間13億トンのVOCを排出していると推定されています。[32]
- バイオ燃料の使用、例えばアジアの食用油やブラジルのバイオエタノールなど。
- 特に熱帯雨林からのバイオマス燃焼。燃焼により主に二酸化炭素と水が放出されますが、不完全燃焼によりさまざまな VOC が発生します。
屋内VOC
屋内には発生源が多数あるため、VOCの濃度は屋外よりも屋内空気中で一貫して高くなっています（最大10倍）。 [33] VOCは何千もの屋内製品から放出されています。例としては、塗料、ワニス、ワックス、ラッカー、塗装剥離剤、洗浄・パーソナルケア製品、殺虫剤、建築資材や家具、コピー機やプリンターなどの事務機器、修正液やノーカーボンコピー用紙、接着剤や粘着剤などのグラフィック・クラフト材料、油性マーカー、写真用溶剤などがあります。[34]調理や掃除などの人間の活動によってもVOCが放出される可能性があります。[35] [36]調理では、油が加熱されると長鎖アルデヒドやアルカンが放出され、スパイスを準備および/または調理するとテルペンが放出される可能性があります。[35]掃除用製品には、モノテルペン、セスキテルペン、アルコール、エステルなど、さまざまなVOCが含まれています。 VOCは空気中に放出されるとオゾンやヒドロキシラジカルと反応してホルムアルデヒドなどの他のVOCを生成する可能性があります。[36]
VOCの中には直接室内に放出されるものもあれば、その後の化学反応によって生成されるものもあります。[37] [38]室内の全VOC（TVOC）の総濃度は、屋外の濃度の最大5倍になることがあります。[39]
新しい建物では、大量の新しい材料（建材、付属品、表面カバー、接着剤、塗料、シーラントなどの処理）が屋内空気にさらされ、さまざまなVOCガスを放出するため、屋内でのVOCガス放出が特に高くなります。 [40]このガス放出は、少なくとも2年間にわたって多指数関数的に減少する傾向があり、最も揮発性の高い化合物は数日の一定時間で減少し、最も揮発性の低い化合物は数年の一定時間で減少します。[41]
新しい建物では、最初の数か月間は集中的な換気やベークアウト処理が必要になる場合があります。既存の建物では、新しい家具、消費者製品、屋内表面の改装など、新しいVOC発生源が補充される可能性があり、これらはすべてTVOCの継続的なバックグラウンド放出につながり、換気の改善が必要になります。[40]
屋内のVOC排出量には季節による大きな変動があり、夏には排出量が増加します。これは主に、VOC種が物質を通り表面へ拡散する速度が温度とともに増加するためです。このため、一般的に夏には屋内のTVOC濃度が高くなります。[41]
室内空気質測定
室内空気中のVOCの測定は、吸着管、例えばTenax（VOCおよびSVOC用）またはDNPHカートリッジ（カルボニル化合物用）または空気検出器を使用して行われます。VOCはこれらの材料に吸着し、その後熱（Tenax）または溶出（DNPH）によって脱着され、 GC-MS / FIDまたはHPLCで分析されます。これらのVOC測定の品質管理には、参照ガス混合物が必要です。[42]さらに、屋内で使用されるVOCを放出する製品、例えば建築製品や家具は、管理された気候条件の放出試験室で調査されます。[43]これらの測定の品質管理にはラウンドロビンテストが実行されるため、再現性のある放出を行う参照物質が理想的に必要です。[42]他の方法では、数日間にわたってサンプルを収集するために、一定流量の入口を備えた独自のSilcosteelコーティングされたキャニスターが使用されています。[44]これらの方法は、Tenaxのような材料の吸着特性によって制限されません。
室内VOC排出規制
ほとんどの国では、室内空気質に関して、次のように測定できる各有機化合物で構成される VOC の別の定義が使用されています: Tenax TA による空気からの吸着、熱脱着、100% 非極性カラム (ジメチルポリシロキサン) によるガスクロマトグラフィー分離。VOC (揮発性有機化合物) は、 n-ヘキサンからn-ヘキサデカンまでの間のガスクロマトグラムに現れるすべての化合物です。早い段階で現れる化合物は VVOC (高揮発性有機化合物) と呼ばれ、遅い段階で現れる化合物は SVOC (半揮発性有機化合物) と呼ばれます。
フランス、ドイツ（AgBB/DIBt）、ベルギー、ノルウェー（TEK規制）、イタリア（CAM Edilizia）は、市販製品からのVOC排出を制限する規制を制定しています。欧州の産業界は、EMICODE、[45] M1、[46] ブルーエンジェル、[47] GuT（繊維製床材）、[48] ノルディックスワンエコラベル、[49] EUエコラベル、[50]室内空気快適性[ 51]など、数多くの自主的なエコラベルや評価システムを開発してきました。米国では、いくつかの基準が存在し、カリフォルニア基準CDPHセクション01350 [52]が最も一般的です。これらの規制や基準により市場が変化し、排出の少ない製品が増加するようになりました。
健康リスク
乳児や小児における呼吸器系、アレルギー、免疫系への影響は、人為的なVOCやその他の屋内外の大気汚染物質と関連している。[53]
スチレンやリモネンなどの一部のVOCは、窒素酸化物やオゾンと反応して新たな酸化生成物や二次エアロゾルを生成し、感覚刺激症状を引き起こす可能性があります。[54] VOCは対流圏オゾンとスモッグの形成に寄与します。[55] [56]
健康への影響としては、目、鼻、喉の炎症、頭痛、協調運動障害、吐き気、肝臓、腎臓、中枢神経系の損傷などがあります。[57] VOCの中には、人体にがんを引き起こす疑いがある、または原因であることが分かっているものもあります。VOCへの曝露に関連する主な兆候や症状には、結膜の炎症、鼻や喉の不快感、頭痛、アレルギー性皮膚反応、呼吸困難、血清コリンエステラーゼ値の低下、吐き気、嘔吐、鼻血、疲労、めまいなどがあります。[58]
有機化学物質が健康に及ぼす影響は、毒性の強いものから健康への影響が知られていないものまで、大きく異なります。他の汚染物質と同様に、健康への影響の程度と性質は、暴露レベルや暴露時間など、多くの要因によって異なります。目や呼吸器の炎症、頭痛、めまい、視覚障害、記憶障害などは、一部の人が一部の有機物に暴露した直後に経験した即時症状の一部です。現在のところ、家庭で通常見られる有機物のレベルによってどのような健康影響が発生するかについてはあまりわかっていません。[59]
摂取
室内空気中の濃度と比較するとゼロであるものの、ベンゼン、トルエン、メチルtert-ブチルエーテル（MTBE）は母乳サンプル中に検出され、私たちが一日を通してさらされるVOCの濃度を高めます。[60]ある研究では、肺胞呼気と吸入空気中のVOCの違いが指摘されており、VOCは肺外経路で摂取、代謝、排泄されることが示唆されています。[61] VOCは飲料水からもさまざまな濃度で摂取されます。一部のVOC濃度は、 EPAの国家主要飲料水規制や中国生態環境部が定めた国家飲料水基準を超えていました。[62]
経皮吸収
大気中や地下水中のVOCの存在は、さらなる研究を促した。特定のVOCの皮膚吸収の影響を測定するための研究がいくつか行われてきた。ホルムアルデヒドやトルエンなどのVOCへの皮膚曝露は、カテリシジンLL-37、ヒトβ-ディフェンシン2および3などの皮膚上の抗菌ペプチドをダウンレギュレーションする。 [63] キシレンとホルムアルデヒドは、動物モデルにおいてアレルギー性炎症を悪化させる。[64]トルエンはまた、真皮調節における重要なタンパク質であるフィラグリンの調節不全を増加させる。 [65]これは、タンパク質の損失を確認するための免疫蛍光法とmRNAの損失を確認するためのウェスタンブロッティングによって確認された。これらの実験は、ヒトの皮膚サンプルで行われた。トルエン曝露はまた、経表皮層の水分を減少させ、皮膚の層の脆弱性を可能にする。[63] [66]
VOC排出の制限値
室内空気へのVOC排出量の制限値は、 AgBB、[67] AFSSET、カリフォルニア州公衆衛生局などによって公表されています。これらの規制により、塗料および接着剤業界のいくつかの企業は、自社製品のVOCレベルを削減する対応を迫られています。[要出典] VOCラベルおよび認証プログラムは、室内空気の質に関係する可能性のあるいくつかの化合物を含む、製品から放出されるVOCのすべてを適切に評価していない可能性があります。[68]ティントペイントに追加される着色剤1オンスには、5〜20グラムのVOCが含まれている可能性があります。ただし、濃い色の場合は5〜15オンスの着色剤が必要になる可能性があり、ペイント1ガロンあたり300グラム以上のVOCが追加されます。[69]
医療現場におけるVOC
VOCは病院や医療環境でも見られます。これらの環境では、これらの化学物質はさまざまなエリアの清掃、消毒、衛生に広く使用されています。[70]そのため、看護師、医師、衛生スタッフなどの医療従事者は、喘息などの健康への悪影響を受ける可能性がありますが、これらの化合物への曝露に影響を与える正確なレベルと決定要因を特定するには、さらなる評価が必要です。[70] [71] [72]
ハロゲン化炭化水素や芳香族炭化水素などの個々のVOCの濃度は、同じ病院内のエリア間で大きく異なります。一般的に、エタノール、イソプロパノール、エーテル、アセトンが施設内の主な化合物です。[73] [74]同様に、米国で実施された研究では、看護助手がエタノールなどの化合物に最もさらされ、医療機器準備者が2-プロパノールに最もさらされていることが判明しました。[73] [74]
清掃・衛生担当者によるVOCへの曝露に関しては、米国の4つの病院で実施された調査で、殺菌・消毒作業員はd-リモネンや2-プロパノールへの曝露と関連しているのに対し、塩素含有製品を使った清掃作業員はα-ピネンやクロロホルムへの曝露レベルが高い傾向があることがわかった。[72]床やその他の表面清掃作業（床ワックスがけなど）に従事し、第四級アンモニウム、アルコール、塩素系製品を使用する作業員は、前述の2つのグループよりもVOC曝露が高く、特にアセトン、クロロホルム、α-ピネン、2-プロパノール、d-リモネンへの曝露と関連している。[72]
老人ホームや高齢者ケアホームなどの他の医療環境は、高齢者や脆弱な人々がこれらの屋内環境でかなりの時間を過ごし、洗浄剤、スプレー、芳香剤の一般的な使用に起因するVOCにさらされる可能性があるにもかかわらず、研究対象になることはほとんどありませんでした。 [75] [76]ある研究では、200を超える化学物質が特定され、そのうち41が健康に悪影響を及ぼし、そのうち37がVOCでした。健康への影響には、皮膚感作、生殖毒性および臓器特異的毒性、発がん性、変異原性、内分泌かく乱特性が含まれます。[75]さらに、同じヨーロッパの国で実施された別の研究では、高齢者の息切れとトルエンやo-キシレンなどのVOCへの曝露の増加との間に有意な関連性があることがわかりました。これは、残りの人口とは異なります。[77]
分析方法
サンプリング
分析用のサンプルの採取は困難です。VOCは、たとえ危険なレベルであっても希薄であるため、通常は事前濃縮が必要です。大気の多くの成分は相互に相容れません。例えば、オゾンと有機化合物、過酸化アシル硝酸塩と多くの有機化合物などです。さらに、コールドトラップでの凝縮によるVOCの収集でも大量の水が蓄積されるため、使用する分析技術に応じて、通常は選択的に除去する必要があります。[30] 固相マイクロ抽出（SPME）技術は、分析用に低濃度のVOCを収集するために使用されます。[78]呼気分析に適用する場合、サンプル採取にはガス採取バッグ、注射器、真空にしたスチール製およびガラス製の容器が使用されます。[79]
原理と測定方法
米国では、国立労働安全衛生研究所（NIOSH）と米国労働安全衛生局（OSHA）によって標準的な方法が確立されている。各方法は単一成分溶媒を使用するが、 NIOSHまたはOSHAの方法ではブタノールとヘキサンを同じサンプルマトリックスでサンプリングすることはできない。[80]
VOC は、2 つの一般的な手法によって定量化および識別されます。主な手法はガスクロマトグラフィー(GC) です。GC 機器は、ガス成分の分離を可能にします。GCは、炎イオン化検出器(FID) と組み合わせると、1 兆分の 1 レベルの炭化水素を検出できます。GC は、電子捕獲検出器を使用することで、クロロカーボンなどの 有機ハロゲン化物にも効果的です。
VOC分析に関連する2番目の主要な技術は質量分析であり、通常はGCと組み合わせてGC-MSというハイフン技術が使用されます。[81]
直接注入質量分析法は、VOCの迅速な検出と正確な定量に頻繁に利用されています。[82] PTR-MSは、生物起源および人為起源のVOCのオンライン分析に最も広く使用されている方法の1つです。[83]飛行時間型質量分析に基づくPTR-MS機器は、100ミリ秒後に20pptv、1分間の測定（信号積分）後に750ppqvの検出限界に達すると報告されています。これらのデバイスの質量分解能は7000〜10,500m / Δmであるため、最も一般的な等圧VOCを分離し、個別に定量することが可能です。[84]
化学指紋採取と呼気分析
人間の吐く息には数千の揮発性有機化合物が含まれており、呼気生検で肺がんなどの疾患を検査するためのVOCバイオマーカーとして使用されています。[79 ] [85]ある研究では、「揮発性有機化合物は主に血液を介して運ばれるため、体内のさまざまなプロセスを監視できます。」[86]また、体内のVOC化合物は「代謝プロセスによって生成されるか、環境タバコの煙などの外因性ソースから吸入/吸収される可能性がある」ようです。[85] [87]揮発性有機化合物の化学指紋と呼気分析も、パターン認識を利用して呼気ガスなどの複雑な混合物に含まれる揮発性有機化合物を検出する化学センサーアレイで実証されています。
VOC測定の計測
VOC測定の比較可能性を実現するには、SI単位系にトレーサブルな参照標準が必要です。多くのVOCについては、特殊ガス供給業者または国立計量標準機関から、シリンダーまたは動的生成法の形でガス参照標準が入手できます。ただし、酸素化VOC、モノテルペン、ホルムアルデヒドなどの多くのVOCについては、これらの分子の化学反応性または吸着のため、適切な量の分画で標準が入手できません。現在、いくつかの国立計量標準機関が、微量濃度の不足している標準ガス混合物に取り組んでおり、吸着プロセスを最小限に抑え、ゼロガスを改善しています。[42]最終的なスコープは、標準ガスのトレーサビリティと長期安定性が、 WMO / GAWプログラムで要求されるデータ品質目標（DQO、この場合は最大不確かさ20％）に準拠することです。[88]
参照
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外部リンク
- カナダ環境省化学物質管理局の揮発性有機化合物 (VOC) に関する Web サイト
- EPA ニューイングランド: 地上オゾン (スモッグ) 情報
- VOC排出量と計算
- 低VOC排出基準を満たした製品ラベルの例
- KEY-VOCS: 大気汚染と気候変動における VOC 指標の計測、欧州計測研究プロジェクト。
- 塗料中のVOC