Jste zde

Kvalita vzduchu v uzavřených místnostech - 10. TVOC

Antonín Vojáček, 3. Srpen 2020 - 22:33

Co jsou to VOC a TVOC a proč je dobré je měřit v uzavřených místnostech? Jaké problémy je nutné řešit při měření TVOC? Jaké jsou vhodné limity z pohledu kvality vzduchu nebo vlivu na zdraví? Tyto informace obsahuje 10. díl seriálu o kvalitě vzduchu v uzavřených místnostech.

VOC jsou po CO₂ a CO hned třetí nejčastěji měřené plyny ve vzduchu v uzavřené místnosti. Přesněji řečeno, obvykle se neměří plyny VOC, ale rovnou jejich směs TVOC. Ale co naměřené výsledky vlastně v praxi znamenají a jaký mají vliv na člověka? To si zkusíme dnes přiblížit...

Co jsou to VOC ?

Těkavé organické sloučeniny nebo VOC jsou organické chemikálie, které se při pokojové teplotě stávají plynem a jsou hlavním původem znečištění ovzduší na úrovni terénu. Těkavé organické sloučeniny (VOC) jsou organické emise z produktů, které každý den používáme. Některé mají zřetelný zápach nebo nejsou dostatečně koncentrované, aby je mohl detekovat průměrný nos, a jiné jsou zcela bez zápachu.

Těkavé organické sloučeniny se používají ve výrobních procesech většiny spotřebních chemických výrobků. Například sedmikráskami vonný prací prášek, který vaše máma tolik miluje, obsahuje VOC, stejně jako barvy, čisticí prostředky, čisticí prostředky, leštidla, make-up, automobilové kapaliny, pesticidy. Ale také tisk, chemické čištění, trvalé značky, řemeslné výrobky, přestavby a dokonce i nějaký nábytek může emitovat VOC.

Konkrétně nejčastější VOC látky přítomné ve vzduchu, který dýcháme, jsou aceton, arsin/arsan, benzen, ethylenglykol, formaldehyd, sirovodík, methylenchlorid, oxid dusnatý, styren, tetrachlorethylen, toluen a xylen atd. V průmyslových procesech se VOC generují vždy, když se používají rozpouštědla, alkoholy a barvy nebo další výrobní materiály jako např. lepidla, polovodivé materiály, dezinfekční prostředky, syntetický kaučuk, skladované palivo, silikonová těsnění apod. Mimo mnoha jiných škodlivých plynů pak VOC generují i výfukové plyny vozidla. Proto je v případě kontroly kvality vzduchu v uzavřených místnostech právě nutné kontrolovat přítomnost VOC.

VOC vs. lidské zdraví

Vysoké úrovně VOC jsou považovány za škodlivé pro lidi, protože VOC mají hluboký vliv na lidské zdraví. Vystavení VOC může způsobit podráždění očí, nosu a krku, stejně jako infekce horních cest dýchacích, nevolnost, alergické reakce a bolesti hlavy atd. Může také zhoršit stávající respirační onemocnění, jako je bronchitida a pneumonie. Pokud jde o dlouhodobé vystavení znečištění venkovního vzduchu, může u dětí způsobit chronické respirační onemocnění, rakovinu plic, onemocnění srdce a akutní respirační infekce.

Zdravotní rizika jsou významná, pokud úrovně VOC určitých znečišťujících látek překročí zdravé limity. Odhaduje se, že domy obsahují v průměru dvakrát až pětkrát tolik VOC než venkovní prostředí, a majitelé domů se při plnění každodenních úkolů často vystavují nebezpečným úrovním, aniž by si to uvědomovali. Dalším problémem je, že zatímco zvýšené koncentrace se nakonec rozptýlí v průběhu času, mnoho domů a budov postrádá dostatečné větrání, aby účinně rozptýlilo výpary, což má za následek mnohem delší emise VOC, které zvyšují expozici a zdravotní rizika.

V průmyslu zabývající se systémy HVAC se často vyskytuje fráze nazývaná syndrom nemocných budov, která se používá k popisu kancelářského prostředí, ve kterém jsou zaměstnanci nemocní nebo nemocní častěji, než se očekává vedení.

Průmyslově generované emise VOC do ovzduší jsou regulovány směrnicí EU 1999/13 / CE. Problematice limitů přítomnosti VOC látek v uzavřených prostorách se pak z pohledu zákonů ČR věnuje "Vyhláška Ministerstva zdravotnictví č. 6/2003 Sb.", která stanovuje hygienické limity pro vnitřní prostředí pobytových místností pro různé VOC látky, a také "Nařízení vlády č. 361/2007 Sb." definují dlouhodobé limitní koncentrace pro práci. Pro některé VOC látky pak stanovuje maximální dlouhodobé koncentraci i Světová zdravotnická organizace WHO (viz 1. díl seriálu "Kvalita vzduchu v uzavřených místnostech - 1. Co sledovat a měřit ? ").

Co znamená TVOC ?

TVOC je zkratka z „Total VOC“, tedy měření celkové koncentrace více VOC látek současně přítomných ve vzduchu. Měření koncentrací TVOC je výrazně levnější a z pohledu konstrukce měřícího zařízení / senzoru i výrazně jednodušší než oddělené měření koncentrace mnoha jednotlivých VOC. Proto se ve většině případů pro potřeby trvalé průběžné kontroly kvalitu vzduchu v místnostech využívá právě koncentrace TVOC, což ale přináší problémy s tím, co výsledné naměřené číslo koncentrace vlastně konkrétně znamená.

Na základě výzkumu VOC, které se obvykle vyskytují ve vnitřních prostředích, objevilo několik popisu TVOC standardů. Například norma ISO 16000-29 definuje TVOC jako „směsný plyn VOC“ složený ze 40 jednotlivých sloučenin. Jedná se o standardizovanou směs plynů používanou k simulaci typického vnitřního vzduchu. Na druhou stranu někteří výrobci senzorů si definovali vlastní „typický mix IAQ“ složení z 22 látek VOC při koncentracích podobných koncentracím stanoveným průměrně v obytných vnitřních prostředích.

Problematika měření TVOC

Zatímco měření TVOC se již stává běžné a běžně se do domácností nabízení TVOC senzory, získání definitivní přesné odpovědi týkající se „průměrných“ vnitřních hladin koncentrací TVOC je obtížné (ne-li nemožné). Jak již jste si mohli přečíst výše, ani neexistuje celosvětově přesně definovaný jednotný standard o tom, které VOC látky se vlastně v TVOC měří.

Jde o to, že i měření jednotlivých konkrétních VOC látek není zcela jednoduché a i špičkové laboratorní senzory mají často pro jednotlivé VOC látky dosti vysoký vzájemný vliv, tzv. křížová reference / křížový efekt. Tedy že jiná aktuálně neměřená VOC látka zkresluje měření koncentrace požadované konkrétní VOC látky (například přítomnost benzenu ve vzduchu zkresluje měření koncentrace formaldehydu a obráceně). Proto podrobná analýza VOC je služba, která již obvykle vyžaduje specializovanou firmu se specializovaným zařízením a obvykle je to velmi nákladné. Proto všechny běžné domácí či kancelářské systémy kvality vzduchu měřící VOC již měří onu celkovou směs všech nebezpečných těkavých látek TVOC. Tím se mimo jiné na straně senzoru "zlikviduje" onen problém vzájemné křížové reference a senzory tak mohou být výrazně levnější.

TVOC lze měřit v mikrogramech na metr krychlový (μg / m³) vzduchu, miligramech na metr krychlový (mg / m³), počet molekul na milion (ppm) nebo počet molekul na miliardu (ppb). A hned u přepočtu koncentrace je problém.

Přepočet z mg / m³ na ppm (či ppb) je totiž závislý na molekulární hmotnosti dané látky. Bohužel jednotlivé VOC látky mají molární hmotnosti i velmi odlišné, např. Formaldehyd = 30,03 g/mol, Aceton = 58,00 g/mol, Benzen = 78,12 g/mol, Toluen = 92,15 g/mol, Tetrachlorethylen = 169,87 g/mol, apod. Celkový přepočet pro jejich sloučeninu TVOC tedy závisí na tom, jaké konkrétní VOC plyny se v rámci TVOC měří, tedy jaká je průměrná hodnota molární hmotnosti celého vzorku TVOC. A aby to nebylo jednoduché, senzory některých výrobců měří a jsou kalibrovány na koncentraci v ppb a některé zase v mg / m³ .

Obecně se však obvykle uvádí následující univerzální přepočet pro TVOC: 1 000 μg / m³ = 1 mg / m³ = 310 ppb = 0,310 ppm (to odpovídá průměrné hmotnosti molekul 78,95 g/mol).

Ale jen například pro samotný přepočet VOC látky formaldehyd je již zcela odlišný 1 mg / m³ = 814 ppb, protože již má jinou molární hmotnost 30,03 g/mol (viz například přepočítávací web https://www.teesing.com/en/page/library/tools/ppm-mg3-converter).

Doporučené / limitní koncentrace TVOC

Z výše uvedeného tedy patrné, jak moc velký vliv má složení směsi VOC látek v celkovou hodnotu koncentrace TVOC. S tím je pak spojený také praktický problém ve stanovení bezpečných / nebezpečných limitů. Ty se na rozdíl od poměrně přesně definovaných limitů účinků jiných měřených plynů ve vzduchu, např. u CO₂ (viz článek Kvalita vzduchu v uzavřených místnostech - 7. CO2) , tak mohou v definicích různých výrobců toho či onoho TVOC senzoru i výrazně lišit. Hlavně v hladinách nižších koncentrací TVOC pro rozlišení, zda ještě reprezentují kvalitní vzduch nebo zda již se stávají nežádoucí.

Příklad různého definování vlivu koncentrace TVOC různými výzkumnými organizacemi různých zemí způsobené rozdílným konceptem toho, co se zahrnuje do označení TVOC.

V praxi to funguje tak, že senzor TVOC obvykle může současně reagovat na mnoho tisíc VOC látek, ale jeho signálový výstup výrobce nastavuje / kalibruje tak, aby výstup hodnoty koncentrace v mg / m³ či ppb byl mapován na jím definovanou směs plynů. A podle toho, jak se senzor chová vůči tomuto typickému IAQ Mixu, je možné přesně definovat účinky na zdraví a definovat „bezpečné úrovně“ pro různé koncentrace TVOC. Protože je odezva senzoru TVOC namapována na známou směs IAQ, může odezva senzoru poskytnout indikaci bezpečné úrovně TVOC.

Pokud však výrobce / dodavatel konkrétního TVOC senzoru neudává jinak, tak se lze obecně řídit následujícími úrovněmi koncentrací (hranice je tedy nutné brát spíše orientačně, k přepočtu jednotek ppb na mg/m³ byla použita molární hmotnost 78,95 g/mol):

0 až 300 ppb (tj. cca 0 až 1 mg/m³) = nízká úroveň koncentrace = dobrá kvalita vzduchu,
300 až 600 ppb (tj. cca 1 až 2 mg/m³) = ještě vyhovující kvalita vzduchu / koncentrace,
600 až 1 000 ppb (tj. cca 2 až 3 mg/m³) = zvýšená koncentrace = zhoršená kvalita vzduchu = může zhoršovat komfort pobytu,
1 000 až 3 000 ppb (tj. cca 3 až 10 mg/m³) = špatná kvalita vzduchu = již vysoká koncentrace = může ovlivňovat kvalitu dýchání a bolesti hlavy,
3 000 až 10 000 ppb (tj. cca 10 až 32 mg/m³) = nezdravá kvalita vzduchu = velmi vysoká koncentrace = může již způsobit zdravotní problémy,
nad 10 000 ppb (tj. nad cca 32 mg/m³) = nebezpečný vzduch = extrémní koncentrace = může již rychle způsobit významné problémy.

U TVOC navíc hraje významnou roli i doba působící koncentrace. Obvyklým problémem jsou hlavně dlouhodobě vysoké koncentrace trvající několik měsíců. Obecně se říká, že pokud se dlouhodobě pravidelně každý den koncentrace TVOC blíží hodnotě 1 000 ppm, tak je dobré zejména zlepšit větrání. Pokud však pravidelně koncentrace stoupá výrazně přes 1 000 ppb, tak by se již zdroj TVOC měl začít hledat a pokusit se eliminovat - např. zda nejsou v místnosti uloženy nějaké barvy či čistící prostředky uskladněné v netěsných nebo v otevřených obalech, zkusit pokusně dočasně přesunout nové bytové předměty / dekorace, vyčistit obydlí domácích zvířátek apod. a sledovat vývoj či změnu koncentrace TVOC.

Zde bych ale znovu upozornil, že jde o hranice/limity pro TVOC, tedy pro "standardní" směs VOC látek. Povolené zdravotní koncentrace pro některé samostatné VOC látky mohou být i výrazně nižší, např. pro formaldehyd se uvádí, že již dlouhodobě přítomná koncentrace na úrovni 100 ppb může způsobovat rakovinu dýchacích cest.

Příklad porovnání 3 tabulek limitů: od vládní organizace German Federal Environmental Agency (tabulka vlevo nahoře), od výrobce Integrated Device Technology (tabulka vpravo nahoře) a doporučení od Světové zdravotnické organizace WHO (tabulka uprostřed dole). Pozn.: "Německá tabulka" využívá pro přepočet jednotky mg/m³na ppb molární hmotnost 111 g/mol.

Závěr 10. dílu

Na závěr by tedy problematiku měření organických těkavých látek VOC v uzavřených místnostech šlo shrnout následovně:

Protože je měření přítomnosti a koncentrace jednotlivých VOC látek ve vzduchu příliš technicky i finančně náročné, pro běžné průběžné monitorovací účely se provádí měření celkové koncetrace směsi mnoha látek, tzv. TVOC. Fyziognomické účinky naměřené koncentrace však závisí na tom, na jakou konkrétní směs TVOC plynů (tzv. IAQ mix) byl senzor výrobce kalibrován. Proto se mezi senzory různých výrobců mohou lišit udávané hladiny koncentrací ještě kvalitního vzduchu (zelená hladina "OK vzduch") a již nekvalitního či nebezpečného vzduchu (žlutá hladina "nekvalitní vzduch nebo červená hladina "nebezpečná koncentrace"). Nejlépe je tedy se řídit popisem / návodem daného výrobce senzoru či měřícího zařízení. V obecné rovině však bývá jako hlavní hladina dlouhodobě vyhovujícího vs. špatného vzduchu uvažována koncentrace 1 000 ppb.

Naopak případné zájemce o podrobnou problematiku analýzy TVOC ve vzduchu v uzavřených místnostech odkazuji na velmi podrobnou studii ECA Report 19: "Total Volatile Organic Compounds (TVOC) in Indoor Air Quality Investigations" .