Luchtverontreinigende stoffen: Wat zijn ze, waarom bestrijden we ze, waar worden ze aangetroffen en hoe pakken we ze aan?

Luchtverontreinigende stoffen, ook wel Hazardous Air Pollutants, HAP’s en luchtverontreinigende stoffen genoemd, zijn verontreinigende stoffen waarvan bekend is dat ze ernstige gevolgen hebben voor de gezondheid of het milieu. Krachtens de Clean Air Act moet de EPA regelgeving uitvaardigen voor toxische luchtverontreinigende stoffen die afkomstig zijn van categorieën van industriële installaties. Dit gebeurt in twee fasen: de eerste fase is gebaseerd op technologie, waarbij normen worden opgesteld voor de beheersing van de uitstoot van luchtverontreinigende stoffen door de industrie. De top van deze normen worden aangeduid als BACT, Best Available Control Technologies en dit is waar GCES uitblinkt als een vervuiling controle oplossing provider.

Met de EPA gericht op het verminderen van 187 giftige luchtverontreinigende stoffen worden uitgestoten is er een nooit eindigende lijst van gevaarlijke luchtverontreinigende stoffen die wij moeten verminderen voor onze klanten, het milieu en de toekomst. In onze serie over luchtverontreinigende stoffen zullen we bekijken wat luchtverontreinigende stoffen zijn, waarom we ze bestrijden, waar ze worden aangetroffen en hoe ze worden vernietigd.

Deel 1 van het bestrijden van gevaarlijke luchtverontreinigende stoffen: BTEX

BTEX: BTEX is een acroniem dat staat voor Benzeen, Tolueen, Ethylbenzeen en Xylenen. Deze verbindingen zijn vluchtige organische stoffen (VOC’s) die worden aangetroffen in aardolie en aardolieproducten zoals benzine. Laten we elk van deze VOC’s eens uitsplitsen en nagaan waarom we ze tegenhouden.

Wat is benzeen? Benzeen, C6H6, wordt beschouwd als een van de elementaire petrochemische stoffen met een molecuulcombinatie van zes koolstofatomen en één waterstofatoom. Omdat het alleen koolstof- en waterstofatomen bevat, wordt het geclassificeerd als een koolwaterstof. Benzeen is kleurloos en licht ontvlambaar met een zoete geur.

Waar wordt benzeen gevonden? Benzeen wordt voornamelijk gebruikt bij de fabricage van andere chemicaliën, waaronder ethylbenzeen, cumeen, cyclohexaan, nitrobenzeen en alkylbenzeen, waarvan ethylbenzeen de meest voorkomende is. Ethylbenzeen wordt gebruikt om polymeren en kunststoffen te maken, zoals polystyreen en EPS. Benzeen is ook te vinden in fenol, acetonen voor harsen en kleefstoffen, nylon, rubbers, smeermiddelen, kleurstoffen, detergenten, geneesmiddelen, explosieven en pesticiden. Met al deze toepassingen moeten we de noodzaak van vermindering verder onderzoeken.

Waarom verminderen we Benzeen? Wij vernietigen Benzeen voordat wij het in de lucht uitstoten omdat het, ondanks zijn vele toepassingen, een carcinogeen voor de mens is. Kankerverwekkende stoffen worden gedefinieerd als stoffen die een directe rol spelen bij het veroorzaken van kanker. Benzeen is ook in verband gebracht met beenmergfalen, aplastische anemie, acute leukemie, myelodysplastisch syndroom, acute lymfoblastische leukemie en chronische myeloïde leukemie. In 1948 verklaarde het American Petroleum Institute dat “men algemeen van mening is dat de enige absoluut veilige concentratie voor benzeen nul is”. Omdat benzeen wordt aangetroffen in benzine en koolwaterstofbrandstoffen die vrijwel overal in gebruik zijn, is blootstelling eraan een wereldwijd gezondheidsprobleem geworden en bij GCES zetten wij ons in om een deel van de oplossing te zijn.

Ook in BTEX zit Tolueen. Tolueen, ook bekend als Toluol, is een VOS die behoort tot de categorie aromatische koolwaterstoffen.

Wat is Tolueen? Tolueen, CH3, is een in water onoplosbare vloeistof die kleurloos is en een geur heeft die wordt geassocieerd met die van verfverdunner. Het is een mono-gesubstitueerd derivaat van benzeen dat wereldwijd een omzet heeft van meer dan 25 miljard US dollar.

Waar wordt Tolueen gevonden? Tolueen wordt op grote schaal gebruikt als industriële grondstof en als oplosmiddel. Tolueen is een zeer ontvlambare chemische stof. Tolueen komt van nature in lage concentraties voor in ruwe olie en is een bijprodukt bij de produktie van benzine en de produktie van cokes uit steenkool. Zuivering vindt plaats tijdens een laatste scheiding door middel van een destillatie- of solventextractieproces dat voor BTEX-aromaten wordt gebruikt. Tolueen, dat wordt gebruikt bij de vervaardiging van polyurethaanschuim, trinitrontolueen (TNT) en een aantal synthetische geneesmiddelen, is grondstof voor tolueen-diisocyanaat en een precursor van andere chemicaliën. Ook gebruikt als oplosmiddel voor verven, verfverdunners, siliconenkit, rubber, drukinkt, kleefstoffen, lijm, lak, leerlooiers en ontsmettingsmiddelen. Als brandstof wordt tolueen gebruikt als octaanversterker in benzine voor verbrandingsmotoren, als brandstof voor tweetakt- en viertaktmotoren, surrogaatmengsels voor vliegtuigbrandstof en wellicht het beroemdst in Honda’s Formule 1-auto’s. Alternatieve toepassingen variëren van het openbreken van rode bloedcellen om hemoglobine te extraheren in biochemische experimenten en als cement in polystyreen kits omdat het met precisie kan worden aangebracht met een kwast zonder de bulk van lijmen, om er een paar te noemen.

Waarom Tolueen afbouwen? Bij inademing veroorzaakt Tolueen vermoeidheid, zwakte, verwardheid, geheugenverlies, verlies van eetlust, misselijkheid, gehoorverlies, gezichtsverlies inclusief dat van kleur en dronken achtig gedrag en handelingen. Wanneer de blootstelling wordt gestopt, verdwijnen deze symptomen vaak, hoewel hoge inhalatieniveaus leiden tot lichthoofdigheid, misselijkheid, slaperigheid, bewusteloosheid en zelfs de dood. Blootstelling kan recreatief zijn als inhaleermiddel en kan ernstige neurologische schade veroorzaken. Vanaf 2007 was het illegaal om het te gebruiken, bezitten en distribueren in 24 staten voor dergelijk gebruik. In tegenstelling tot vergelijkbare VOS zoals benzeen stelt de EPA dat het carcinogeen potentieel van tolueen niet kan worden geëvalueerd wegens onvoldoende informatie.

Ethylbenzeen, het derde deel van BTEX, is ook bekend als fenylethaan en methyltolueen. Het is een licht ontvlambare vloeistof die kleurloos is en een benzineachtige geur heeft die vaak als licht zoet wordt omschreven.

Waar komt ethylbenzeen voor? Ethylbenzeen is een belangrijk bestanddeel van de petrochemische industrie en is een tussenproduct bij de productie van styreen, een van de meest voorkomende kunststoffen. Hoewel 99% van Ethylbenzeen wordt gebruikt bij de productie van kunststoffen, zijn er nog andere toepassingen voor de monocyclische aromatische koolwaterstof, C6H5CH2CH3, waaronder brandstof, oplosmiddel in inkt, rubberlijm, vernis en verf. Andere toepassingen zijn onder meer als antiklopmiddel in benzine om het kloppen van motoren tegen te gaan en het octaangetal te verhogen.

Waarom Ethylbenzeen tegengaan? Om deze vraag te beantwoorden moeten we kijken naar zowel de effecten op de menselijke gezondheid als die op het milieu. Laten we beginnen met de menselijke gezondheid en eindigen met de bescherming van het milieu, waar de deskundigen van GCES oplossingen hebben ontwikkeld. Hoewel langdurige blootstelling naar verwachting geen nadelige gevolgen zal hebben, beperkt de Amerikaanse Occupation Safety and Health Administration (OSHA) de blootstelling van werknemers tot een gemiddelde van 100 ppm gedurende een 8-urige werkdag met een 40-urige werkweek. Het Internationaal Instituut voor Kankeronderzoek heeft ethylbenzeen geclassificeerd als een mogelijk carcinogeen. Uit sommige studies is gebleken dat blootstelling aan ethylbenzeen bij ratten en muizen resulteerde in een verhoogde incidentie van tumoren. Kortetermijneffecten bij mensen zijn onder meer gevoeligheid voor keel en ogen en duizeligheid.

In het milieu kan ethylbenzeen gemakkelijk van water in de bodem terechtkomen en wordt het meestal als damp in de lucht aangetroffen. Ethylbenzeen komt vaak vrij in de lucht bij de verbranding van kolen, gas en olie, reageert op zonlicht en helpt bij de productie van smog. Omdat het zich niet gretig aan de bodem bindt, verplaatst het zich snel naar het grondwater en is het vaak te vinden in waterputten in de buurt van afvalstortplaatsen of ondergrondse brandstofopslagtanks die lekken en stortplaatsen blijken te hebben.

Wat is Xyleen? Misschien wel de veiligste van de vier onderdelen van BTEX, Xyleen is een petrochemische stof die wordt geproduceerd door katalytische reforming en carbonisatie van kolen tijdens de fabricage van brandstof, met name cokesbrandstof. Xyleen, dat in kleine hoeveelheden wordt aangetroffen in benzine en vliegtuigbrandstof, wordt geproduceerd tegen een tempo van enkele miljoenen tonnen per jaar met de grootste produktiefaciliteiten in Singapore.

Waar wordt Xyleen gevonden? Xyleen is de belangrijkste grondstof voor tereftaalzuur en dimethyltereftalaat, beide monomeren die worden gebruikt bij de produktie van polyethyleentereftalaat plastic flessen en polyester kleding. 98% van de produktie van Xyleen is bestemd voor bovengenoemde produkten; andere toepassingen zijn onder meer het gebruik als oplosmiddel in de drukkerij-, rubber- en leerindustrie. Xyleen wordt vaak gebruikt als bestanddeel van inkt, rubber, kleefstoffen, verfverdunners, vernis, als schoonmaakmiddel en zelfs als wortelkanaalbehandeling in de tandheelkunde of als actief ingrediënt in producten die worden gebruikt voor het reinigen van oorsmeer – de toepassingen van Xyleen zijn dus zeer uitgebreid. Historisch gezien werd Xyleen gebruikt als een chemische precursorverbinding voor traangas dat in de Eerste Wereldoorlog werd gebruikt.

Waarom wordt Xyleen afgezwakt? Hoewel Xyleen een acute toxiciteit heeft, is een van de meer verontrustende factoren dat het zeer ontvlambaar is. De belangrijkste fysieke effecten van blootstelling aan Xyleendamp is het effect op het centrale zenuwstelsel. Symptomen op korte termijn zijn onder meer hoofdpijn, duizeligheid, misselijkheid, braken, zwakte, geïrriteerdheid en verkorting van de reactietijd. Blootstelling in lage concentraties is omkeerbaar en veroorzaakt geen permanente schade. Langdurige blootstelling aan lage concentraties xyleen heeft echter geleid tot een afname van het evenwicht, de coördinatie en de reactietijden. Langdurige blootstelling kan ook leiden tot hoofdpijn, geïrriteerdheid, slapeloosheid, agitatie, depressie, vermoeidheid, verminderde concentratie, beven en zelfs geheugenverlies op korte termijn. Het is ook bekend dat het de huid irriteert en de huid ontdoet van oliën. Daarom wordt aanbevolen dat personen die beroepsmatig aan Xyleen worden blootgesteld, naast maskers ook handschoenen dragen. Wanneer Xyleen in het milieu terechtkomt is dat meestal door verdamping waardoor het vaak weglekt in de bodem, het oppervlaktewater en het grondwater.

Hoe werkt Gulf Coast Environmental Systems tegen BTEX? Aangezien de structuur van BTEX-verbindingen alleen uit koolstof- en waterstofatomen bestaat, kunnen BTEX-verbindingen door een eenvoudige verbrandingsreactie worden verwijderd. Thermische oxidatie is de primaire methode die GCES zal aanbevelen om BTEX te zuiveren. Als er een hogere vernietigingsefficiëntie en lagere eigendomskosten nodig zijn, kan regeneratieve thermische oxidatie ook een bestrijdingskeuze zijn. Aanvullende opties zijn onder meer een gaswasser.

THEORIE VAN DE WERKING

Thermische oxidatie

De methode voor de reductie van vluchtige organische stoffen (VOS) in een thermische oxidator draait om thermische vernietiging. Het chemische proces van thermische oxidatie is vrij eenvoudig: de temperatuur van de uitlaatgassen wordt zodanig verhoogd dat de chemische bindingen die de moleculen bijeenhouden, worden verbroken. De VOS in de procesuitlaatstroom worden door de hoge temperatuur van de verbrandingskamer omgezet in verschillende combinaties van koolstofdioxide (CO2), water (H2O) en thermische energie. Een standaard Direct Fire Thermal Oxidizer is doeltreffend in hoge vernietigingsscenario’s.

Voor situaties die een lagere efficiëntie van vernietiging en lagere eigendomskosten vereisen, kan regeneratieve thermische oxidatie ook een bestrijdingskeuze zijn. In deze situatie is de vernietigingsmethode nog steeds thermische oxidatie, maar met een regeneratieve thermische oxidator (RTO) worden twee energieterugwinningsbussen in het systeem opgenomen die worden gebruikt als behuizingen voor keramische warmteterugwinningsmedia. Het keramische warmteterugwinningsmedium fungeert als warmtewisselaar voor het systeem. De twee bussen werken volgens het “schommelbed”-absorptieprincipe: dat is het principe van overdracht door twee bedden door gebruik te maken van stromingsomkering. Bij het gebruik van dit principe met keramisch steengoed wordt het proces regeneratie genoemd.

Aanvullende artikelen in de GCES-serie ‘Abating Hazardous Air Pollutants’ omvatten:

Part 1: BTEX is een acroniem dat staat voor Benzeen, Tolueen, Ethylbenzeen en Xylenen.

Deel 2: Chloorbestrijding

Deel 3: NOx is de familie van luchtverontreinigende chemische verbindingen, Stikstofoxiden.

Part 4: Lood wordt ook wel (ten onrechte) kwik genoemd omdat ze vaak samen voorkomen

Part 5: Industriële luchtwassers voor de behandeling van ammoniak

Part 6: SOx, de verbindingen van zwavel- en zuurstofmoleculen met inbegrip van zwavelmonoxide, zwaveldioxide en zwaveltrioxide

Deel 7: Koolwaterstoffen – methaan, ethaan, propaan, butaan, pentaan, hexaan

Deel 8: Methyl Mercaptan – Methyl Mercaptan, ook bekend als Methanethiol

Deel 9: H2S – Zeer corrosief Waterstofsulfide

Deel 10: Dimethylsulfide – Methylthiomethaan

Part 11: Zwavelzuur – H2SO4

Part 12: Ethyleenoxide – EtO

Part 13: PFAS als opkomende verontreinigingen