Inquinanti chimici caratteristici

I contaminanti chimici dell'aria interna possono presentarsi come gas e vapori (inorganici e organici) e particolato. La loro presenza nell'ambiente interno è il risultato dell'ingresso nell'edificio dall'ambiente esterno o della loro generazione all'interno dell'edificio. L'importanza relativa di queste origini interne ed esterne varia a seconda dei diversi inquinanti e può variare nel tempo.

I principali inquinanti chimici comunemente presenti nell'aria interna sono i seguenti:

1. anidride carbonica (CO₂), che è un prodotto metabolico e spesso utilizzato come indicatore del livello generale di inquinamento atmosferico correlato alla presenza di esseri umani in ambienti chiusi
2. monossido di carbonio (CO), ossidi di azoto (NO_x) e anidride solforosa (SO₂), che sono gas di combustione inorganici formati prevalentemente durante la combustione di combustibili e ozono (O₃), che è un prodotto di reazioni fotochimiche in atmosfere inquinate, ma può anche essere rilasciato da alcune fonti interne
3. composti organici che provengono da una varietà di fonti interne ed esterne. Centinaia di sostanze chimiche organiche si trovano nell'aria interna, sebbene la maggior parte sia presente a concentrazioni molto basse. Questi possono essere raggruppati in base ai loro punti di ebollizione e una classificazione ampiamente utilizzata, mostrata nella Tabella 1, identifica quattro gruppi di composti organici: (1) composti organici molto volatili (VVOC); (2) volatili (VOC); (3) semivolatile (SVOC); e (4) composti organici associati al particolato (POM). Le sostanze organiche in fase particellare vengono disciolte o adsorbite su materiale particolato. Possono verificarsi sia nella fase vapore che particellare a seconda della loro volatilità. Ad esempio, gli idrocarburi poliaromatici (IPA) costituiti da due anelli benzenici fusi (ad esempio, naftalene) si trovano principalmente nella fase vapore e quelli costituiti da cinque anelli (ad esempio, benz[a]pirene) si trovano prevalentemente nella fase particellare.

Tabella 1. Classificazione degli inquinanti organici indoor

Una caratteristica importante dei contaminanti dell'aria interna è che le loro concentrazioni variano sia spazialmente che temporalmente in misura maggiore di quanto non sia comune all'esterno. Ciò è dovuto alla grande varietà di sorgenti, al funzionamento intermittente di alcune delle sorgenti e ai vari pozzi presenti.

Le concentrazioni di contaminanti che derivano principalmente da fonti di combustione sono soggette a variazioni temporali molto ampie e sono intermittenti. Rilasci episodici di composti organici volatili dovuti ad attività umane come la pittura portano anche a grandi variazioni di emissione nel tempo. Altre emissioni, come il rilascio di formaldeide dai prodotti a base di legno, possono variare con le fluttuazioni di temperatura e umidità nell'edificio, ma l'emissione è continua. L'emissione di sostanze chimiche organiche da altri materiali può essere meno dipendente dalle condizioni di temperatura e umidità, ma le loro concentrazioni nell'aria interna saranno notevolmente influenzate dalle condizioni di ventilazione.

Le variazioni spaziali all'interno di una stanza tendono ad essere meno pronunciate delle variazioni temporali. All'interno di un edificio possono esserci grandi differenze nel caso di fonti localizzate, ad esempio fotocopiatrici in un ufficio centrale, fornelli a gas nella cucina del ristorante e fumo di tabacco limitato a un'area designata.

Fonti all'interno dell'edificio

Livelli elevati di inquinanti generati dalla combustione, in particolare biossido di azoto e monossido di carbonio negli spazi interni, di solito derivano da apparecchi di combustione non ventilati, mal ventilati o sottoposti a cattiva manutenzione e dal fumo di prodotti del tabacco. I riscaldatori d'ambiente a cherosene e gas non ventilati emettono quantità significative di CO, CO₂, NO_x, COSÌ₂, particolato e formaldeide. Anche le stufe ei forni a gas rilasciano questi prodotti direttamente nell'aria interna. In condizioni operative normali, i riscaldatori ad aria forzata alimentati a gas e gli scaldacqua non devono rilasciare prodotti di combustione nell'aria interna. Tuttavia, con apparecchi difettosi possono verificarsi fuoriuscite di fumi e correnti d'aria quando il locale è depressurizzato da sistemi di scarico concorrenti e in determinate condizioni meteorologiche.

Fumo di tabacco ambientale

La contaminazione dell'aria interna dal fumo di tabacco deriva dal fumo laterale e dal fumo principale esalato, solitamente indicato come fumo di tabacco ambientale (ETS). Diverse migliaia di componenti diversi sono stati identificati nel fumo di tabacco e la quantità totale dei singoli componenti varia a seconda del tipo di sigaretta e delle condizioni di generazione del fumo. Le principali sostanze chimiche associate all'ETS sono nicotina, nitrosammine, IPA, CO, CO₂, NO_x, acroleina, formaldeide e acido cianidrico.

Materiali da costruzione e arredi

I materiali che hanno ricevuto maggiore attenzione come fonti di inquinamento dell'aria interna sono stati i pannelli a base di legno contenenti resina di urea formaldeide (UF) e l'isolamento delle pareti a intercapedine di UF (UFFI). L'emissione di formaldeide da questi prodotti si traduce in livelli elevati di formaldeide negli edifici e questo è stato associato a molte denunce di scarsa qualità dell'aria interna nei paesi sviluppati, in particolare durante la fine degli anni '1970 e l'inizio degli anni '1980. La tabella 2 fornisce esempi di materiali che rilasciano formaldeide negli edifici. Questi mostrano che i tassi di emissione più elevati possono essere associati ai prodotti a base di legno e UFFI che sono prodotti spesso ampiamente utilizzati negli edifici. Il pannello truciolare è prodotto da particelle di legno fini (circa 1 mm) che vengono miscelate con resine UF (dal 6 all'8% in peso) e pressate in pannelli di legno. Trova largo impiego per pavimentazioni, boiserie, scaffalature e componenti di armadi e mobili. Gli strati di legno duro sono incollati con resina UF e sono comunemente usati per rivestimenti murali decorativi e componenti di mobili. Il pannello di fibra a media densità (MDF) contiene particelle di legno più fini rispetto a quelle utilizzate nei pannelli truciolari e anche queste sono legate con resina UF. L'MDF viene spesso utilizzato per i mobili. La fonte primaria di formaldeide in tutti questi prodotti è la formaldeide residua intrappolata nella resina a causa della sua presenza in eccesso necessaria per la reazione con l'urea durante la fabbricazione della resina. Il rilascio è quindi massimo quando il prodotto è nuovo e diminuisce a una velocità dipendente dallo spessore del prodotto, dalla forza di emissione iniziale, dalla presenza di altre fonti di formaldeide, dal clima locale e dal comportamento degli occupanti. Il tasso di declino iniziale delle emissioni può essere del 50% nei primi otto-nove mesi, seguito da un tasso di declino molto più lento. L'emissione secondaria può verificarsi a causa dell'idrolisi della resina UF e quindi i tassi di emissione aumentano durante i periodi di temperatura e umidità elevate. Notevoli sforzi da parte dei produttori hanno portato allo sviluppo di materiali a bassa emissione mediante l'uso di rapporti più bassi (cioè più vicini a 1:1) di urea rispetto alla formaldeide per la produzione di resina e l'uso di scavenger di formaldeide. La regolamentazione e la domanda dei consumatori hanno portato a un uso diffuso di questi prodotti in alcuni paesi.

Tabella 2. Tassi di emissione di formaldeide da una varietà di materiali da costruzione, arredi e prodotti di consumo

I materiali da costruzione e gli arredi rilasciano un'ampia gamma di altri COV che sono stati oggetto di crescenti preoccupazioni negli anni '1980 e '1990. L'emissione può essere una miscela complessa di singoli composti, sebbene alcuni possano essere dominanti. Uno studio su 42 materiali da costruzione ha identificato 62 diverse specie chimiche. Questi COV erano principalmente idrocarburi alifatici e aromatici, i loro derivati ​​dell'ossigeno e terpeni. I composti con le più alte concentrazioni di emissione allo stato stazionario, in ordine decrescente, erano toluene, m-xilene, terpene, n-butilacetato, n-butanolo, n-esano, p-xilene, etossietilacetato, n-eptano e o-xilene. La complessità delle emissioni ha fatto sì che le emissioni e le concentrazioni nell'aria siano spesso riportate come concentrazione o rilascio di composti organici volatili totali (TVOC). La tabella 3 fornisce esempi di tassi di emissione di TVOC per una gamma di prodotti da costruzione. Questi mostrano che esistono differenze significative nelle emissioni tra i prodotti, il che significa che se fossero disponibili dati adeguati i materiali potrebbero essere selezionati in fase di progettazione per ridurre al minimo il rilascio di VOC negli edifici di nuova costruzione.

Tabella 3. Concentrazioni totali di composti organici volatili (TVOC) e tassi di emissione associati a vari rivestimenti e rivestimenti per pavimenti e pareti

^a PVC, cloruro di polivinile.

È stato dimostrato che i preservanti del legno sono una fonte di pentaclorofenolo e lindano nell'aria e nella polvere all'interno degli edifici. Sono utilizzati principalmente per la protezione del legno per l'esposizione all'aperto e sono utilizzati anche nei biocidi applicati per il trattamento del marciume secco e il controllo degli insetti.

Prodotti di consumo e altre fonti indoor

La varietà e il numero di prodotti di consumo e per la casa cambiano costantemente e le loro emissioni chimiche dipendono dai modelli di utilizzo. I prodotti che possono contribuire ai livelli di VOC indoor includono prodotti aerosol, prodotti per l'igiene personale, solventi, adesivi e vernici. La tabella 4 illustra i principali componenti chimici in una gamma di prodotti di consumo.

Tabella 4. Componenti ed emissioni da prodotti di consumo e altre fonti di composti organici volatili (VOC)

Altri COV sono stati associati ad altre fonti. Il cloroformio viene introdotto nell'aria interna principalmente come risultato dell'erogazione o del riscaldamento dell'acqua del rubinetto. Le fotocopiatrici a processo liquido rilasciano isodecani nell'aria. Gli insetticidi usati per controllare scarafaggi, termiti, pulci, mosche, formiche e acari sono ampiamente usati come spray, nebulizzatori, polveri, strisce impregnate, esche e collari per animali domestici. I composti includono diazinon, paradiclorobenzene, pentaclorofenolo, clordano, malathion, naftalene e aldrina.

Altre fonti includono occupanti (anidride carbonica e odori), apparecchiature per ufficio (COV e ozono), crescita di muffe (COV, ammoniaca, anidride carbonica), terreno contaminato (metano, COV) e purificatori d'aria elettronici e generatori di ioni negativi (ozono).

Contributo dell'ambiente esterno

La tabella 5 mostra i rapporti interni-esterni tipici per i principali tipi di inquinanti presenti nell'aria interna e le concentrazioni medie misurate nell'aria esterna delle aree urbane nel Regno Unito. L'anidride solforosa nell'aria interna è normalmente di origine esterna e deriva da fonti sia naturali che antropiche. La combustione di combustibili fossili contenenti zolfo e la fusione di minerali di solfuro sono le principali fonti di anidride solforosa nella troposfera. I livelli di fondo sono molto bassi (1 ppb) ma nelle aree urbane le concentrazioni orarie massime possono essere comprese tra 0.1 e 0.5 ppm. L'anidride solforosa può entrare in un edificio nell'aria utilizzata per la ventilazione e può infiltrarsi attraverso piccole fessure nella struttura dell'edificio. Ciò dipende dalla tenuta all'aria dell'edificio, dalle condizioni meteorologiche e dalle temperature interne. Una volta all'interno, l'aria in entrata si mescolerà e sarà diluita dall'aria interna. L'anidride solforosa che viene a contatto con i materiali da costruzione e d'arredo viene adsorbita e questo può ridurre notevolmente la concentrazione interna rispetto a quella esterna, in particolare quando i livelli di anidride solforosa esterna sono elevati.

Tabella 5. Principali tipi di contaminanti chimici dell'aria interna e relative concentrazioni nelle aree urbane del Regno Unito

^a ETS, fumo di tabacco ambientale.

Gli ossidi di azoto sono un prodotto della combustione e le fonti principali includono i gas di scarico delle automobili, le centrali elettriche alimentate a combustibili fossili e i riscaldatori domestici. L'ossido nitrico (NO) è relativamente non tossico ma può essere ossidato a biossido di azoto (NO₂), in particolare durante gli episodi di inquinamento fotochimico. Le concentrazioni di fondo di biossido di azoto sono di circa 1 ppb ma possono raggiungere 0.5 ppm nelle aree urbane. L'esterno è la principale fonte di biossido di azoto negli edifici senza apparecchi a combustibile non ventilati. Come per l'anidride solforosa, l'adsorbimento da parte delle superfici interne riduce la concentrazione all'interno rispetto a quella all'aperto.

L'ozono è prodotto nella troposfera da reazioni fotochimiche in atmosfere inquinate, e la sua generazione è funzione dell'intensità della luce solare e della concentrazione di ossidi di azoto, idrocarburi reattivi e monossido di carbonio. Nei siti remoti, le concentrazioni di fondo di ozono sono comprese tra 10 e 20 ppb e possono superare i 120 ppb nelle aree urbane nei mesi estivi. Le concentrazioni indoor sono significativamente inferiori a causa della reazione con le superfici indoor e della mancanza di fonti forti.

Si stima che il rilascio di monossido di carbonio a seguito di attività antropiche rappresenti il ​​30% di quello presente nell'atmosfera dell'emisfero settentrionale. I livelli di fondo sono di circa 0.19 ppm e nelle aree urbane un andamento diurno delle concentrazioni è correlato all'uso dell'autoveicolo con livelli orari di picco che vanno da 3 ppm a 50-60 ppm. È una sostanza relativamente non reattiva e quindi non viene esaurita dalla reazione o dall'adsorbimento su superfici interne. Fonti interne come apparecchi a combustibile non ventilati quindi si aggiungono al livello di fondo altrimenti dovuto all'aria esterna.

La relazione indoor-outdoor dei composti organici è specifica del composto e può variare nel tempo. Per i composti con forti fonti interne come la formaldeide, le concentrazioni interne sono generalmente dominanti. Per la formaldeide le concentrazioni all'aperto sono generalmente inferiori a 0.005 mg/m³ e le concentrazioni indoor sono dieci volte superiori ai valori outdoor. Altri composti come il benzene hanno forti fonti esterne, i veicoli a benzina sono di particolare importanza. Le fonti interne di benzene includono l'ETS e queste determinano concentrazioni medie negli edifici nel Regno Unito di 1.3 volte superiori a quelle all'aperto. L'ambiente interno non sembra essere un deposito significativo per questo composto e pertanto non è protettivo contro il benzene proveniente dall'esterno.

Concentrazioni tipiche negli edifici

Le concentrazioni di monossido di carbonio negli ambienti interni variano comunemente da 1 a 5 ppm. La tabella 6 riassume i risultati riportati in 25 studi. Le concentrazioni sono più elevate in presenza di fumo di tabacco ambientale, anche se è eccezionale che le concentrazioni superino i 15 ppm.

Tabella 6. Riepilogo delle misurazioni in campo degli ossidi di azoto (NO^x) e monossido di carbonio (CO)

^a ND = non rilevato.

Le concentrazioni di biossido di azoto all'interno sono tipicamente comprese tra 29 e 46 ppb. Se sono presenti fonti particolari come stufe a gas, le concentrazioni possono essere significativamente più elevate e il fumo può avere un effetto misurabile (vedi tabella 6).

Molti COV sono presenti nell'ambiente interno a concentrazioni che vanno da circa 2 a 20 mg/m³. Un database statunitense contenente 52,000 record su 71 sostanze chimiche in abitazioni, edifici pubblici e uffici è riassunto nella Figura 3. Gli ambienti in cui il fumo intenso e/o la scarsa ventilazione creano alte concentrazioni di ETS possono produrre concentrazioni di VOC da 50 a 200 mg/m³. I materiali da costruzione contribuiscono in modo significativo alle concentrazioni indoor ed è probabile che le nuove abitazioni contengano un numero maggiore di composti superiore a 100 mg/m³. Il rinnovamento e la verniciatura contribuiscono a livelli di COV significativamente più elevati. Le concentrazioni di composti come acetato di etile, 1,1,1-tricloroetano e limonene possono superare i 20 mg/m³ durante le attività degli occupanti e durante l'assenza dei residenti, la concentrazione di una gamma di COV può diminuire di circa il 50%. Sono stati descritti casi specifici di elevate concentrazioni di contaminanti dovuti a materiali e arredi associati a reclami degli occupanti. Questi includono acqua ragia minerale da corsi impermeabilizzanti iniettati, naftalene da prodotti contenenti catrame di carbone, etilesanolo da pavimenti in vinile e formaldeide da prodotti a base di legno.

Figura 1. Concentrazioni indoor giornaliere di composti selezionati per siti indoor.

L'elevato numero di VOC individuali che si verificano negli edifici rende difficile dettagliare le concentrazioni per più di composti selezionati. Il concetto di TVOC è stato utilizzato come misura della miscela di composti presenti. Non esiste una definizione ampiamente utilizzata per quanto riguarda la gamma di composti rappresentati dal TVOC, ma alcuni ricercatori hanno proposto di limitare le concentrazioni al di sotto di 300 mg/m³ dovrebbe ridurre al minimo i reclami degli occupanti sulla qualità dell'aria interna.

I pesticidi utilizzati all'interno hanno una volatilità relativamente bassa e le concentrazioni si verificano nell'intervallo basso di microgrammi per metro cubo. I composti volatilizzati possono contaminare la polvere e tutte le superfici interne a causa della loro bassa pressione di vapore e della tendenza ad essere adsorbiti dai materiali interni. Anche le concentrazioni di IPA nell'aria sono fortemente influenzate dalla loro distribuzione tra le fasi gassose e aerosol. Il fumo degli occupanti può avere un forte effetto sulle concentrazioni dell'aria interna. Le concentrazioni di IPA variano tipicamente da 0.1 a 99 ng/m³.

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