Air Pollutants: Mitä ne ovat, miksi niitä vähennetään, missä niitä esiintyy ja miten niihin puututaan?

Laajemmat ilman epäpuhtaudet, joita kutsutaan yleisesti myös vaarallisiksi ilman epäpuhtauksiksi (Hazardous Air Pollutants, HAPs) ja ilmamyrkyllisiksi aineiksi (Air Toxics), ovat epäpuhtauksia, joiden tiedetään aiheuttavan vakavia terveysvaikutuksia tai haitallisia ympäristövaikutuksia. Puhdasta ilmaa koskevassa laissa vaaditaan EPA:ta sääntelemään teollisuuslaitosten myrkyllisiä ilmansaasteita. Tämä tapahtuu kahdessa vaiheessa, joista ensimmäinen on teknologiaan perustuva vaihe, jossa luodaan standardit teollisuuden ilmatoksisten aineiden päästöjen valvomiseksi. Näistä standardeista käytetään nimitystä BACT, Best Available Control Technologies (paras käytettävissä oleva valvontatekniikka), ja tässä GCES on saasteiden torjuntaratkaisujen tarjoajana erityisen hyvä.

Kun EPA keskittyy vähentämään 187 myrkyllisten ilman epäpuhtauksien päästöjä, on olemassa loputon luettelo vaarallisista ilman epäpuhtauksista, joita meidän tehtävämme on vähentää asiakkaidemme, ympäristön ja tulevaisuuden vuoksi. Ilman epäpuhtauksia käsittelevässä sarjassamme käymme läpi, mitä ilman epäpuhtaudet ovat, miksi torjumme niitä, missä niitä esiintyy ja miten ne tuhotaan.

Vaarallisten ilman epäpuhtauksien torjunnan 1. osa: BTEX: BTEX on lyhenne, joka tarkoittaa bentseeniä, tolueenia, etyylibentseeniä ja ksyleenejä. Nämä yhdisteet ovat haihtuvia orgaanisia yhdisteitä (VOC-yhdisteitä), joita esiintyy öljyssä ja öljytuotteissa, kuten bensiinissä. Jaetaanpa kukin näistä VOC-yhdisteistä ja tutkitaan, miksi niitä vähennetään.

Mikä on bentseeni? Bentseeniä, C6H6, pidetään yhtenä petrokemian alkuaineista, jonka molekyyliyhdistelmä koostuu kuudesta hiiliatomista ja yhdestä vetyatomista. Koska sen sisältö on vain hiili- ja vetyatomeja, se luokitellaan hiilivedyksi. Bentseeni on väritöntä, helposti syttyvää ja makeanhajuista.

Missä bentseeniä esiintyy? Bentseeniä käytetään ensisijaisesti muiden kemikaalien, kuten etyylibentseenin, kumeenin, sykloheksaanin, nitrobentseenin ja alkyylibentseenin valmistuksessa, joista etyylibentseeni on yleisin. Etyylibentseeniä käytetään polymeerien ja muovien, kuten polystyreenin ja EPS:n, valmistukseen. Bentseeniä esiintyy myös fenolissa, hartseissa ja liimoissa käytettävissä asetoneissa, nailonissa, kumissa, voiteluaineissa, väriaineissa, pesuaineissa, lääkkeissä, räjähdysaineissa ja torjunta-aineissa. Kaikkien näiden käyttötarkoitusten vuoksi meidän on tutkittava tarkemmin torjunnan tarvetta.

Miksi torjumme bentseeniä? Tuhoamme bentseenin ennen sen päästämistä ilmaan, koska se on monista käyttötarkoituksistaan huolimatta ihmiselle syöpää aiheuttava aine. Syöpää aiheuttaviksi aineiksi määritellään kaikki aineet, jotka ovat suoraan syövän aiheuttajia. Bentseeni on myös yhdistetty luuytimen vajaatoimintaan, aplastiseen anemiaan, akuuttiin leukemiaan, myelodysplastiseen oireyhtymään, akuuttiin lymfaattiseen leukemiaan ja krooniseen myelooiseen leukemiaan. Vuonna 1948 American Petroleum Institute totesi, että ”yleisesti katsotaan, että ainoa täysin turvallinen pitoisuus bentseenille on nolla”. Koska bentseeniä esiintyy bensiinissä ja hiilivetypolttoaineissa, joita käytetään lähes kaikkialla, altistumisesta sille on tullut maailmanlaajuinen terveysongelma, ja GCES:ssä olemme sitoutuneet olemaan osa ratkaisua.

BTEX-yhdisteisiin kuuluu myös tolueeni. Tolueeni, joka tunnetaan myös nimellä Toluol, on VOC, joka kuuluu aromaattisten hiilivetyjen luokkaan.

Mikä on tolueeni? Tolueeni, CH3, on veteen liukenematon neste, joka on väritön ja jonka haju yhdistetään maalin ohentimeen. Se on bentseenin monosubstituoitu johdannainen, jonka maailmanlaajuinen myynti on yli 25 miljardia Yhdysvaltain dollaria.

Missä tolueenia esiintyy? Käytetään laajalti teollisuuden raaka-aineena sekä liuottimena Tolueeni on erittäin helposti syttyvä kemikaali. Tolueenia esiintyy luonnostaan pieninä pitoisuuksina raakaöljyssä, ja sitä syntyy sivutuotteena bensiinin valmistuksessa sekä koksin valmistuksessa hiilestä. Puhdistus tapahtuu lopullisen erottelun aikana tislaamalla tai liuotinuuttoprosessilla, jota käytetään BTEX-aromaattisille aineille. Tolueeni, jota käytetään polyuretaanivaahdon, trinitrontolueenin eli TNT:n ja useiden synteettisten lääkkeiden valmistuksessa, on tolueenidiisosyanaatin raaka-aine ja muiden kemikaalien esiaste. Käytetään myös liuottimena maaleissa, maalin ohentimissa, silikonitiivisteissä, kumissa, painoväreissä, liimoissa, liimoissa, lakoissa, nahan parkitusaineissa ja desinfiointiaineissa. Polttoaineena Tolueenia käytetään polttomoottoreissa käytettävän bensiinin oktaanin lisäaineena, kaksi- ja nelitahtimoottoreiden polttoaineena, lentokonepolttoaineen korvikesekoituksissa ja ehkä tunnetuimpana Hondan Formula 1 -autoissa. Vaihtoehtoisia käyttökohteita ovat muun muassa punasolujen murtaminen auki hemoglobiinin erottamiseksi biokemiallisissa kokeissa ja sementtinä polystyreenisarjoissa, koska se voidaan levittää tarkasti siveltimellä ilman liimoja, muutamia mainitakseni.

Miksi me vähennämme tolueenia? Tolueeni aiheuttaa hengitettynä väsymystä, heikkoutta, sekavuutta, muistin heikkenemistä, ruokahaluttomuutta, pahoinvointia, kuulon heikkenemistä, näön heikkenemistä, mukaan lukien värien heikkeneminen, sekä humalan kaltaista käyttäytymistä ja toimintaa. Kun altistuminen lopetetaan, nämä oireet usein häviävät, vaikka korkeat hengitystasot aiheuttavat huimausta, pahoinvointia, uneliaisuutta, tajuttomuutta ja jopa kuolemaa. Altistuminen voi olla virkistyskäyttöä inhalaationa, ja sen tiedetään aiheuttavan vakavia neurologisia haittoja, ja vuodesta 2007 lähtien sen käyttö, hallussapito ja jakelu oli laitonta 24 osavaltiossa tällaisiin käyttötarkoituksiin. Toisin kuin vastaavista haihtuvista orgaanisista yhdisteistä, kuten bentseenistä, EPA toteaa, että tolueenin karsinogeenista potentiaalia ei voida arvioida riittämättömän tiedon vuoksi.

Etyylibentseeni, BTEX-yhdisteiden kolmas osa, tunnetaan myös nimillä fenyylietaani ja metyylitolueeni. Se on erittäin helposti syttyvä neste, joka on väritön ja jolla on bensiinin kaltainen haju, jota usein kuvataan hieman makeaksi.

Missä etyylibentseeniä esiintyy? Etyylibentseeni on tärkeä osa petrokemian teollisuutta, ja se on välituotteena valmistettaessa styreeniä, yhtä yleisimmistä muovimateriaaleista. Vaikka 99 % etyylibentseenistä käytetään muovien valmistukseen, monosyklisellä aromaattisella hiilivedyllä, C6H5CH2CH3, on muitakin käyttötarkoituksia, kuten polttoaine, liuotin musteissa, kumiliimoissa, lakoissa ja maaleissa. Muita käyttökohteita ovat muun muassa nakutuksenestoaineena bensiinissä, joka vähentää moottorin koputtelua ja nostaa oktaanilukua.

Miksi me vähennämme etyylibentseeniä? Vastataksemme tähän kysymykseen meidän on tarkasteltava sekä vaikutuksia ihmisten terveyteen että ympäristöön. Aloitetaan ihmisten terveydestä ja lopetetaan ympäristönsuojeluun, johon GCES:n asiantuntijat ovat kehittäneet ratkaisuja. Vaikka pitkäaikaisella altistumisella ei odoteta olevan haitallisia vaikutuksia, Yhdysvaltain työterveys- ja työturvallisuusvirasto (OSHA) rajoittaa työntekijöiden altistumisen keskimäärin 100 ppm:ään 8 tunnin työpäivän ja 40 tunnin työviikon aikana. Kansainvälinen syöväntutkimuskeskus on luokitellut etyylibentseenin mahdolliseksi syöpää aiheuttavaksi aineeksi. Joissakin tutkimuksissa on havaittu, että altistuminen etyylibentseenille rotilla ja hiirillä on lisännyt kasvainten esiintyvyyttä. Lyhytaikaisia vaikutuksia ihmisillä ovat mm. kurkun ja silmien herkkyys sekä huimaus.

Ympäristössä etyylibentseeni kulkeutuu helposti vedestä maaperään ja sitä esiintyy ilmassa lähinnä höyrynä. Usein ilmaan hiilen, kaasun ja öljyn polton yhteydessä vapautuva etyylibentseeni reagoi auringonvaloon ja auttaa savusumun muodostumisessa. Koska se ei sitoudu innokkaasti maaperään, se siirtyy nopeasti pohjaveteen, ja sitä löytyy usein vesikaivoista, jotka ovat lähellä jätealueita tai maanalaisia polttoainesäiliöitä, joissa on todettu vuotoja, ja kaatopaikkoja.

Mitä ksyleeni on? Ehkä turvallisin BTEX:n neljästä osasta, ksyleeni on petrokemian aine, jota tuotetaan katalyyttisellä reformoinnilla sekä hiilen hiiltämisellä polttoaineen, erityisesti koksipolttoaineen, valmistuksen aikana. Ksyleeniä esiintyy pieniä määriä bensiinissä ja lentokoneiden polttoaineissa, ja sitä tuotetaan useita miljoonia tonneja vuodessa, ja suurimmat tuotantolaitokset sijaitsevat Singaporessa.

Missä ksyleeniä esiintyy? Ksyleeni on tärkein hankkija tereftaalihapolle ja dimetyylitereftalaatille, jotka molemmat ovat monomeerejä, joita käytetään polyeteenitereftalaattimuovipullojen ja polyesterivaatteiden valmistuksessa. Ksyleenin tuotannosta 98 prosenttia käytetään edellä mainittuihin tuotteisiin, mutta sitä käytetään myös liuottimena paino-, kumi- ja nahkateollisuudessa. Ksyleenin käyttötarkoitukset ovat laajoja, sillä sitä käytetään usein painovärien, kumin, liimojen, maalien ohentimien ja lakkojen ainesosana, puhdistusaineena ja jopa hammaslääketieteen juurihoitoaineena tai korvavahan puhdistukseen käytettävien tuotteiden aktiivisena ainesosana. Historiallisesti ksyleeniä käytettiin ensimmäisessä maailmansodassa käytetyn kyynelkaasun kemiallisena esiasteena.

Miksi ksyleeniä vähennetään? Vaikka ksyleenillä on akuuttia myrkyllisyyttä, yksi sen huolestuttavimmista tekijöistä on se, että se on erittäin helposti syttyvää. Ksyleenihöyrylle altistumisen tärkeimmät fyysiset vaikutukset ovat sen vaikutus keskushermostoon. Lyhytaikaisia oireita ovat päänsärky, huimaus, pahoinvointi, oksentelu, heikkous, ärtyneisyys ja reaktioaikojen lyheneminen. Altistuminen pienille pitoisuuksille on palautuvaa eikä sen tiedetä aiheuttavan pysyviä vaurioita. Pitkäaikainen altistuminen alhaisille ksyleenipitoisuuksille johti kuitenkin tasapainon, koordinaation ja reaktioaikojen heikkenemiseen. Pitkäaikainen altistuminen voi johtaa myös päänsärkyyn, ärtyneisyyteen, unettomuuteen, levottomuuteen, masennukseen, väsymykseen, keskittymiskyvyn heikkenemiseen, vapinaan ja jopa lyhytaikaisen muistin menetykseen. Sen tiedetään myös vaikuttavan ihoon ärsyttävänä aineena, joka poistaa iholta öljyt, ja tästä syystä suositellaan, että henkilöt, jotka altistuvat työperäisesti ksyleenille, käyttävät maskien lisäksi käsineitä. Kun ksyleeni pääsee ympäristöön, se tapahtuu yleensä haihtumisen kautta, joka usein vuotaa maaperään, pinta- ja pohjavesiin.

Miten Gulf Coast Environmental Systems poistaa BTEX:iä? Koska BTEX-yhdisteiden rakenne koostuu vain hiili- ja vetyatomeista, yksinkertainen palamisreaktio poistaa BTEX-yhdisteet. Terminen hapetus on ensisijainen menetelmä, jota GCES suosittelee BTEX-yhdisteiden poistamiseksi. Jos tuhoutumisen tehokkuuden on oltava korkeampi ja käyttökustannusten alhaisemmat, myös regeneratiivinen terminen hapetus voi olla vaihtoehto. Lisävaihtoehtoina voi olla myös pesurijärjestelmä.

TOIMINNAN TEORIA

Lämpöhapetus

Haihtuvien orgaanisten yhdisteiden (VOC-yhdisteiden) vähentämismenetelmä termisessä hapettimessa pyörii lämpöhävityksen ympärillä. Termisen hapetuksen kemiallinen prosessi on varsin yksinkertainen; pakokaasuvirran lämpötila nostetaan niin korkeaksi, että molekyylejä koossa pitävät kemialliset sidokset rikkoutuvat. Prosessin pakokaasuvirrassa olevat VOC-yhdisteet muunnetaan polttokammion korkeassa lämpötilassa erilaisiksi hiilidioksidin (CO2), veden (H2O) ja lämpöenergian yhdistelmiksi. Tavallinen suorapolttoinen terminen hapetin on tehokas korkean tuhoutumisen skenaarioissa.

>Tilanteissa, joissa edellytetään alhaisempaa tuhoutumisen hyötysuhdetta ja alhaisempia omistajakustannuksia, regeneratiivinen terminen hapettaminen voi olla myös vaihtoehto BTEX:ien vähentämiseen. Tässä tilanteessa hävittämismenetelmänä käytetään edelleen termisiä hapetuksia, mutta regeneratiivisessa termisessä hapettimessa (RTO) järjestelmään sisältyy kaksi energian talteenottokanisteria, joita käytetään keraamisten lämmön talteenottovälineiden koteloina. Keraaminen lämmön talteenottoväline toimii järjestelmän lämmönvaihtimena. Molemmat kanisterit toimivat ”swing bed” -absorptioperiaatteella: tämä on periaate, jossa siirto tapahtuu kahden kerroksen läpi virtauksen kääntämisen avulla. Kun tätä periaatetta käytetään keraamisen kiviaineksen kanssa, prosessia kutsutaan regeneroinniksi.

Lisäartikkelit GCES-sarjassa ”Abating Hazardous Air Pollutants” ovat:

Part 1: BTEX on lyhenne, joka tarkoittaa bentseeniä, tolueenia, etyylibentseeniä ja ksyleenejä.

Part 2: Chlorine Abatement

Part 3: NOx on ilmaa saastuttavien kemiallisten yhdisteiden perhe, typen oksidit.

Part 4: Lyijy tunnetaan (virheellisesti) myös nimellä elohopea, koska niitä esiintyy usein yhdessä

Part 5: Teollisuusilman pesurit ammoniakin käsittelyyn

Part 6: SOx, rikki- ja happimolekyylien yhdisteet, mukaan lukien rikkimonoksidi, rikkidioksidi ja rikkitrioksidi

Part 7: Hiilivedyt – metaani, etaani, propaani, butaani, pentaani, heksaani

Part 8: Metyylimerkaptaani – Metyylimerkaptaani, joka tunnetaan myös nimellä metaanitioli

Part 9: H2S – Erittäin syövyttävä rikkivety

Part 10: Dimetyylisulfidi – metyylitiometaani

Luku 11: Rikkihappo – H2SO4

Luku 12: Etyleenioksidi – EtO

Luku 13: PFAS-yhdisteet kehittyvinä epäpuhtauksina

.