Фенол в атмосферном воздухе: откуда берется, чем опасен и как бороться?

Когда-то Парацельс сказал: «Все есть яд, и ничто не лишено ядовитости, одна лишь доза делает яд незаметным». И это правда.

Даже обычная поваренная соль может стать причиной смерти, если в организм попадет критическое количество – больше трех граммов на килограмм веса.

Но и наоборот, токсичные вещества при определенной дозировке и небольшой химической модификации могут принести пользу. Одно из таких веществ – фенол.

Игольчатые кристаллы вещества ядовиты и очень опасны. Поражения кожи, ожоги, расстройство нервной системы, нарушение работы легких – все это последствия контакта с фенолом. При этом именно с фенола началась эпоха антисептиков.

Чем опасен фенол для человека, сколько составляют нормы его ПДК, откуда он берется в воздухе и чем пахнет — эти и другие вопросы рассмотрим в данной статье.

Что за вещество?

Фенол – химическое органическое вещество. Другое название фенола – гидроксибензол. Вещество было открыто в 1771 году, но точный состав установлен лишь в 1842 Огюстом Лораном. Ученый определил кислотные свойства вещества, но отнес его к категории спиртов и предложил назвать фенолом.

К фенолам относятся производные ароматических углеводородов, в молекулах которых гидроксильные группы связаны с фенил радикалом.

Фенол дал название этой группе соединений, является самым простым ее представителем. Фенолы могут иметь одну или несколько гидроксильных групп OH.

По числу гидроксильных групп выделяют следующие виды фенолов:

1. Одноатомные фенолы (аренолы), например, фенол и его гомологи.
2. Двухатомные фенолы (арендиолы), в том числе, пирокатехин, резорцин, гидрохинон – соответственно, 1,2-, 1,3- и 1,4-дигидроксибензолы.
3. Трехатомные фенолы (арентриолы), включая пирогаллол, гидроксигидрохинон, флороглюцин – соответственно, 1,2,3-, 1,2,4- и 1,3,5-тригидроксибензолы.
4. Многоатомные фенолы.

Так как гидроксибензол содержит в составе две группы атомов, выделяют две группы химических свойств:

Температура плавления – 40,9 °С. Молярная масса – 94 г/моль.

В холодной воде малорастворим, при температуре выше 700 °С растворяется хорошо. Водный раствор фенола называется карболовой кислотой. Отлично растворяется в органических растворителях.

Химические формулы фенола – C₆H₆O, C₆H₅OH. За небольшими исключениями, все фенольные соединения — твердые прозрачные игольчатые кристаллы с едва заметным белым оттенком. При взаимодействии с кислородом окраска изменяется, кристаллы в результате окисления на воздухе становятся светло-розовыми, светло-желтыми, красными, пурпурными или коричневыми.

Фенолы являются слабыми кислотами (Ph = 9,98). Обладают высоким реакционным потенциалом в реакциях окисления, что оказалось востребованным при использовании фенольных соединений в биосинтезе – в качестве ингибиторов процессов автоокисления масел и жиров в биосинтезе природных фенольных соединений.

С металлами фенолы образуют соли. В небольшом количестве фенол содержится в каменноугольной смоле. Но потребности в веществе настолько велики, что этого источника недостаточно. Химическая промышленность производит гидроксибензол путем синтеза.

Разработаны разные способы получения фенола. У схемы C₆H₆ → C₆H₅Cl → C₆H₅OH недостатком являются жесткие условия замещения хлора на гидроксогруппу. Реакции приходится проводить при высоких показателях температуры и давления.

Для синтеза фенола также используют бензол и пропилен. Полученный при их взаимодействии кумол окисляют, получая фенол и ацетон.

Фенол используют для производства:

• полимеров;
• искусственных волокон (капрона, нейлона);
• лакокрасочной продукции;
• химикатов и пестицидов;
• фенолформальдегидных смол;
• взрывчатых веществ;
• красителей и другой продукции.

В нефтеперерабатывающей отрасли фенол незаменим для очистки масел, используемых в оборудовании буровых установок.

Гидроксибензол – вещество с антисептическими свойствами. Обладает бактерицидной активностью в отношении вегетативных форм бактерий (преимущественно, аэробных и грибов), оказывает дезинфицирующее действие.

При этом вещество раздражает, прижигает кожу и слизистые оболочки, легко всасывается и оказывает системное токсическое воздействие на человека. Поэтому карболовая кислота используется, главным образом, для дезинфекции помещений, инструментов, белья в виде 3-5 % раствора.

Фенол широко используется в фармацевтической промышленности. Вещество присутствует в составе антисептиков, обезболивающих препаратов, антиагрегантов (для разжижения крови), используется как консервант при производстве вакцин.

В косметической промышленности фенол входит в состав средств для химического пилинга. В генной инженерии с помощью фенола очищают ДНК, а также выделяют ее из клетки.

Фенолы вносят значительный вклад в индекс загрязнения атмосферы. Несмотря на то, что его удельный вес в общей структуре валового выброса невелик (до 3,5 %), вещество очень токсично, обладает выраженным канцерогенным и мутагенным эффектом, а при сочетании определенных погодных факторах трансформируется в более опасные соединения.

Откуда берется в воздухе?

Фенол имеет как природное, так и техногенное происхождение. Природные фенолы в различной концентрации присутствуют во всех растениях, определяя их цвет и аромат, а также защищая от вредных насекомых.

Полезный для человека фенол естественного происхождения содержится в:

• оливковом масле;
• зернах какао;
• фруктах;
• орехах.

При этом существуют и такие разновидности фенольных соединений, например, танин, которыми злоупотреблять опасно для здоровья.

Фенолы в естественных условиях образуются в процессах метаболизма водных организмов, при биохимическом распаде и трансформации органических веществ, присутствующих в природных водах и донных отложениях.

В воздушных миграционных потоках присутствуют фенолы, которые поступают с испарениями из водных поверхностей.

К природным источникам относится поступление фенола в воздух с частицами грунтовой и торфяной пыли. Фенолы выделяются в атмосферу древесными, травянистыми и низшими растениями. Существенное загрязнение атмосферы фенолами происходит при лесных пожарах.

Антропогенный фенол попадает в атмосферу, в основном в составе выбросов предприятий, выпускающих:

• фенолформальдегидные и эпоксидные смолы;
• некоторые строительные клеи;
• полимеры;
• линолеум;
• поликарбонат;
• толь;
• рубероид;
• пенопласты;
• минеральную вату;
• ДСП;
• фанеру и другую продукцию.

Кроме того, крупными источниками выделения техногенного фенола в окружающую среду являются металлургические заводы, кожевенная и мебельная промышленность. Фенол входит в состав выбросов, поступающих в атмосферу от источников нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

К числу наиболее крупных источников таких предприятий относятся:

• резервуары, в которых хранятся нефть, нефтепродукты, токсичные легкокипящие жидкости;
• очистные сооружения;
• технологические установки (АВТ(атмосферно-вакуумные трубчатки) для первичной переработки нефти методом многократного испарения, каталитический крекинг, производство битумов);
• факельные системы.

Мощными техногенными источниками выделения фенола являются выхлопные газы автомобилей, коксохимические и машиностроительные предприятия, а также те промышленные сферы, где фенол и его соединения включены в технологические процессы. Конденсаты дымовых газов обычно содержат большое число производных фенолов.

Нормы ПДК в атмосферном воздухе

Нормы для качества атмосферного воздуха установлены СанПиН 1.2.3685-21.

Так, для фенола предусмотрены следующие предельно допустимые концентрации (ПДК):

• ПДК максимально разовая (при воздействии в течение 20-30 минут) – 0,01 мг/м³;
• ПДК среднесуточная (при воздействии не менее 24 часов) – 0,006 мг/м³;
• ПДК среднегодовая (при хроническом (не менее 1 года) воздействии) – 0,003 мг/м³.

Чем пахнет?

Фенол – вещество с ярко выраженным специфическим ароматом. Так пахнет гуашь или карболка в медицинских учреждениях, когда ее используют для дезинфекции пола.

Подобный резкий запах также ощущается при горении выключателей и проводов в старых устройствах, в которых имеются детали из черной пластмассы, полученной из смолы – карболита.

Чем опасен для человека?

Фенол и его производные – крайне опасные для здоровья человека вещества. Соединение отнесено ко второму классу опасности. Фенол ядовит, способен вызвать тяжелое отравление.

Попадание фенола внутрь может привести к внутренним кровотечениям, атрофии мышц, язвенной болезни и даже к летальному исходу. Токсин выводится из организма за 24 часа, успевая за это время нанести серьезные повреждения, ощутимые в течение долгих лет.

Чем выше концентрация фенола в крови, тем сильнее его отрицательное воздействие. Продукты взаимодействия фенола с другими веществами, а также часть несвязанного фенола выводятся с мочой.

Воздействие фенола как токсикологического вещества проявляется:

• на клеточном уровне (нарушение дыхания, синтеза белков, барьерных функций мембран);
• на уровне организма (подавление роста и размножения у водорослей, нарушение рефлекса равновесия и дыхания, потеря двигательной активности у рыб).

Одноатомные фенолы проявляют свойства нервных ядов, действующих на центральную нервную систему. Могут стать причиной паралича дыхательного центра или возникновения онкологических заболеваний. На кожу оказывают сильное раздражающее и прижигающее и раздражающее воздействие.

Многоатомные фенолы опасны для крови, вызывая образование метгемоглобина, развитие гемолитической желтухи.

Первые симптомы отравления фенолом:

• жжение во рту и глотке;
• чихание и кашель;
• головокружение;
• затрудненное дыхание;
• мышечная слабость;
• нарушение координации.

Тяжелое отравление проявляется:

• бессознательным состоянием;
• синюшностью кожи;
• затрудненным дыханием;
• участившимся, едва ощутимым пульсом;
• холодным потом;
• судорогами.

Внутренние органы серьезно страдают в случае контакта с фенолом. При попадании через дыхательные пути вещество их раздражает, может нанести ожоги. При контакте с кожей также образуются ожоги, которые могут перерасти в язвы. В случае площади ожога от 25 % и выше вероятно наступление смерти.

Острое отравление фенолом наступает при вдыхании паров, при попадании вещества на кожу или внутрь. В быту отравиться парами фенола практически невозможно, обычно это происходит на производстве.

Достаточно одного вдоха, чтобы появился постоянный кашель – результат раздражения легких, сильная головная боль, слабость и ломота в теле, чрезмерная возбудимость.

При попадании токсиканта внутрь появляется общее недомогание и следующие симптомы:

• боль в горле и внутренних органах;
• неприятный запах изо рта;
• пятна в ротовой полости;
• рвота;
• повышенная потливость;
• изменившийся цвет мочи.

При отравлении большими дозами возможен летальный исход.

В случае постоянного воздействия фенола на организм малыми дозами развивается хроническое отравление, которое сопровождается:

• сильной головной болью;
• слабостью мышц;
• плохим сном;
• отсутствием аппетита;
• снижением настроения;
• апатией.

Очистка воздуха

Органический загрязнитель атмосферного воздуха фенол можно обезвредить самыми различными способами.

Перечислим основные:

1. Абсорбция – процесс растворения газообразных компонентов в жидком растворителе. Наиболее часто используются насадочные (поверхностные) и барботажные тарельчатые абсорберы. Минусы абсорбционных методов – громоздкая аппаратура и неизбежное образование жидких стоков.
2. Адсорбция – очистка выбросов с помощью адсорбентов (активированных углей, сложных оксидов, сорбентов). Главный недостаток – большая энергоемкость стадий десорбции и последующего разделения. Для многокомпонентных выбросов адсорбционный метод практически не подходит.
3. Термическое дожигание – обезвреживание газов путем термического окисления примесей, в том числе и органических, как фенол, в безопасные компоненты, преимущественно углекислый газ и воду. Минус способа – образование вторичных загрязнителей (оксидов азота и серы, хлора). Установки дожигания компактны, отличаются низким энергопотреблением. Метод особенно эффективен для дожигания многокомпонентных и запыленных газовоздушных смесей.
4. Термокаталитические методы – связанные с нанесением слоя катализатора на поверхность высокопористых ячеистых материалов с высокой аэро- и гидропроницаемостью, выдерживающие высокие температуры и воздействие агрессивных сред. Для концентраций загрязнителей < 1 г/м³ и больших объемов очищаемых газовых смесей метод нецелесообразен, так как требует высоких энергозатрат и большого количества катализатора.
5. Плазмохимические методы – основанные на пропускании газовоздушной смеси с вредными примесями через высоковольтный разряд. Для этих целей используются озонаторы на основе барьерных, коронных или скользящих разрядов, а также импульсные высокочастотные разряды на электрофильтрах. Недостатки плазмохимических технологий — недостаточно эффективное разложение примесей до воды и углекислого газа, наличие остаточного озона, требующего разложения.
6. Плазмокаталитический метод. Очистка протекает по принципам плазмохимического и каталитического способов. Установки состоят из двух ступеней — плазмохимического реактора (озонатора) и каталитического реактора. Газообразные компоненты, проходя зону высоковольтного разряда в газоразрядных ячейках, взаимодействуя с продуктами электросинтеза разрушаются, образуя безвредные соединения. Минусы способа — необходимость предварительной очистки выбросов до концентрации пылевидных компонентов не выше 3-5 мг/м³. Поэтому при высоких концентрациях примесей (> 1 г/м³) стоимость оборудования и эксплуатационные расходы превышают соответствующие затраты в сравнении с термокаталитической очисткой.
7. Фотокаталитический метод. Способ окисления органики основан на использовании катализаторов из оксида титана, которые облучаются ультрафиолетом. Минус метода – быстрое засорение катализатора продуктами реакции. Введение в очищаемый поток озона частично решает проблему, но эта технология применима для ограниченного состава органических примесей и только в малых концентрациях.
8. Биохимические методы. Основаны на способности микроорганизмов разрушать и трансформировать различные вещества, в том числе и фенол. Разложение компонентов происходит под действием ферментов, вырабатываемых микроорганизмами в среде очищаемых газов. При изменяющемся составе газовой смеси микроорганизмы не успевают адаптироваться для выработки новых ферментов, поэтому уровень обезвреживания вредных примесей становится невысоким. Соответственно, биохимические системы эффективны для очистки смесей постоянного состава.

Биохимическая обработка проводится в биофильтрах (биореакторах) или в биоскрубберах. В биофильтрах газовая смесь пропускается через слой насадки, орошаемый водой для поддержания жизнедеятельности микроорганизмов.

Поверхность насадки покрыта биологически активной биопленкой из микроорганизмов. Микроорганизмы поглощают и разрушают содержащиеся в газовой среде вещества, в результате происходит рост их массы.

К минусам биохимических методов следует отнести:

• низкую скорость биохимических реакций;
• большие габариты оборудования;
• высокую избирательность штаммов микроорганизмов, что осложняет обработку многокомпонентных смесей;
• трудоемкость обработки потоков с переменным составом.

Рассмотрим, как функционирует один из представителей оборудования для биохимического воздействия – биофильтр производства компании Сфера-Саратов.

Принцип работы биореактора

Технология основана на разложении микроорганизмами вредных органических компонентов газовоздушной смеси, которые становятся источником энергии для биомассы. Органика разлагается на углекислый газ и воду.

Суммарная концентрация углеводородов в очищаемой среде должна соответствовать значениям от 400 до 7000 мг/м³, при запыленности выбросов > 5 мг/м³ требуется предварительная очистка от пыли.

Установка состоит из:

• модуля биореактора;
• накопительной емкости;
• электронасоса;
• блока управления.

Модуль биореактора включает в себя рабочую зону с ярусами носителя биомассы, форсунками системы орошения носителя биомассы, а также емкость минерального раствора с носителем биомассы и раздаточными трубами сжатого воздуха, верхнюю крышку с выходным патрубком.

Метод эффективен для удаления, помимо фенола:

• формальдегида;
• аммиака;
• метанола;
• этанола;
• стирола;
• ацетона;
• уайт-спирита и других органических веществ.

Уровень очистки смеси от фенола составляет 85 %.

Как происходит очистка воздуха биореактором? Вытяжной вентилятор создает в системе воздуховодов установки разрежение для преодоления аэродинамического сопротивления биофильтра, обеспечивает необходимый расход воздуха через установку.

Поток загрязненного воздуха попадает в рабочую зону биофильтра через патрубок. В результате контакта с разбрызгиваемым в объеме рабочей зоны и стекающим по отбойному листу питательным раствором газовоздушная смесь увлажняется.

Питательный раствор стекает по отбойному листу и попадает в накопительный резервуар с питательной смесью. В форсунки раствор подается электронасосным агрегатом системы увлажнения. Крупные конгломераты биомассы задерживаются сетчатым фильтром.

В случае необходимости загрязненный воздух подогревается водяным паром или в электрокалориферах.

Воздух последовательно проходит ярусы носителей бактерий, которые орошаются питательным раствором из форсунок, на поверхности носителя происходит биодеструкция органических компонентов.

Обезвреженный воздух через каплеуловитель поступает в выходной патрубок. Поток очищенного воздуха направляется в атмосферу через воздуховод.

Метод эффективен для обезвреживания, помимо фенола:

• формальдегида;
• аммиака;
• метанола;
• этанола;
• стирола;
• ацетона;
• уайт-спирита и других органических веществ.

Общая эффективность удаления загрязнений – не менее 70-85 %. Уровень очистки смеси от фенола составляет 85 %.

Видео о фенолах

Предлагаем вашему вниманию видео ролик о свойствах фенолов:

Заключение

Фенолы – кислородсодержащие ароматические соединения, в молекулах которых содержится одна или несколько гидроксильных групп. Наиболее известным и простым представителем этого класса органических соединений является фенол.

Биогенные источники фенола – мир растений и микроорганизмы, антропогенные – источники выбросов от предприятий. Представляют опасность и вторичные фенолы, которые образуются в атмосферном воздухе из выхлопных газов автотранспорта. Фенолы вносят значительный вклад в индекс загрязнения атмосферы, хотя количество их выбросов от техногенных источников невелико.

Пары вещества раздражают слизистую и дыхательные пути, а растворы вызывают сильные ожоги. При вдыхании воздуха с парами фенола большая часть вещества быстро поступает в легкие. Фенол вызывает чихание, кашель, головокружение, головную боль.

Длительное вдыхание оборачивается отравлением, серьезными расстройствами нервной системы, нарушением работы органов дыхательных органов и даже их параличом. Высокие дозы способны привести к летальному исходу.

Очистка воздуха от фенола может осуществляться с помощью биореактора. Уровень биохимического обезвреживания по этому веществу составляет не менее 85 %.