Abstrait: Afin d'évaluer les risques d'exposition humaine liés au rejet de contaminants des conduites d'eau en polychlorure de vinyle (PVC), des expériences ont été menées en soumettant le matériau du tube en PVC à des conditions de combustion et de lixiviation, suivies d'une analyse des échantillons d'émission et de lixiviat. Les émissions des tuyaux en feu ont été analysées à la fois par spectrométrie infrarouge et chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse (GC-MS). Les résultats des émissions indiquent la présence de composants chlorés, notamment le dioxyde de chlore, le chlorure de méthyle, le chlorure de méthylène, le chlorure d'allyle, le chlorure de vinyle, le chlorure d'éthyle, le 1-chlorobutane, le tétrachloroéthylène, le chlorobenzène et le chlorure d'hydrogène ont été détectés dans les émissions de tuyaux en PVC en feu. De plus, les concentrations de benzène, de 1,3-butadiène, de méthacrylate de méthyle, de monoxyde de carbone, d'acroléine et de formaldéhyde ont été trouvées à des niveaux susceptibles de nuire à la santé humaine. L'analyse des lixiviats de tuyaux en PVC à l'aide de GC-MS montre qu'il y a 40 à 60 composés identifiés provisoirement, principalement des hydrocarbures à longue chaîne tels que le tétradécane, l'hexadécane, l'octadécane et le docosane, ont été libérés lorsque les matériaux de PVC brûlés ont été trempés dans de l'eau désionisée pendant une semaine. Une analyse quantitative montre que le 2-butoxyéthanol, le 2-éthyl-1-hexanol et le phtalate de diéthyle ont été trouvés dans le polymère de PVC brûlé aux niveaux moyens de 2.7, 14.0 et 3.1 microgrammes par gramme (mg / g) de matériau de tuyau. Cette étude a des implications importantes pour comprendre la contamination par le benzène de l'eau potable à la suite d'incendies de forêt qui ont brûlé des tuyaux en polymère en Californie.

Mots clés: contaminants dérivés de polymères; Incendies de PVC; analyse des émissions d'incendie; caractérisation des lixiviats polymères; Analyse GC-MS et FTIR des polluants gazeux

  1. Introduction

Les plastiques sont des polymères organiques non biodégradables de masse moléculaire élevée [1]. Ils sont largement utilisés dans les applications domestiques et municipales telles que les conduites d'eau et d'égout, et les équipements électriques et automobiles tels que les câbles et les réseaux de fils [2]. Le polyéthylène haute densité (PEHD), le polypropylène (PP) et le polychlorure de vinyle (PVC) sont les types de plastiques les plus couramment utilisés dans le commerce en raison de leur coût relativement plus bas et de leur température d'inflammation plus élevée [3]. Alors que le PVC est intrinsèquement plus résistant au feu en raison de la présence de chlore (un retardateur de flamme), le HDPE et le PP n'ont pas de propriétés ignifuges intrinsèques [3]. Cependant, compte tenu de la température de combustion extrêmement élevée des incendies de forêt, l'utilisation des trois types de tuyaux en plastique dans des endroits ou des bâtiments exposés aux risques d'incendie entraînera des impacts supplémentaires graves sur l'environnement, la santé publique et les infrastructures.

L'incendie de 2018 à Paradise, en Californie, a non seulement causé la perte de nombreuses vies, mais a également entraîné une contamination généralisée de l'approvisionnement en eau potable par du benzène cancérigène. La contamination de l'eau peut être attribuée à la formation de benzène lors de la combustion de la biomasse liée aux feux de forêt, mais la contribution du benzène provenant de la combustion de produits polymères utilisés dans les conduites d'eau municipales et les bâtiments résidentiels est une autre source probable qui est étudiée dans cette étude. La concentration moyenne de benzène trouvée dans l'eau potable de Paradise est de 31 parties par milliard (ppb), ce qui dépasse à la fois le niveau maximal autorisé en Californie de 1 ppb de benzène et la norme de niveau maximal de contaminant de l'Agence américaine de protection de l'environnement de 5 ppb pour le benzène. Le coût de la réparation et du remplacement des conduites d'eau est estimé à 300 millions de dollars et il a été conseillé aux résidents de ne pas boire, cuisiner et se baigner dans l'eau du robinet [4]. Un autre incendie de forêt s'est produit à Santa Rosa, en Californie, en octobre 2017. L'incendie a également endommagé tout le système de distribution d'eau souterrain de Fountain Grove, entraînant une contamination de l'eau potable par le benzène. Malgré le fait largement connu que différents types de tuyaux en polymère sont combustibles, les tuyaux en PVC sont toujours envisagés pour le remplacement des tuyaux brûlés car ils ont un faible seuil d'odeur pour l'eau et des propriétés ignifuges supérieures à celles du PEHD et du PP [5, 6]. Par conséquent, il est important d'étudier le rejet de benzène et d'autres contaminants dans l'eau potable à la suite de tuyaux en PVC brûlés.

Une température élevée persistante due à des incendies structurels de bâtiments ou à des incendies de biomasse en combustion entraîne une combustion incomplète des tuyaux en plastique souterrains [7]. Ces sous-produits de combustion, notamment le monoxyde de carbone, les composés volatils, les particules de suie et les cendres résiduelles solides, sont aspirés dans les tuyaux en raison du vide créé par l'utilisation intensive de l'eau pour supprimer les incendies de forêt. Par conséquent, les conduites souterraines fondues ou brûlées pourraient contaminer le sol environnant et le système de distribution d'eau avec des substances toxiques pendant et après les épisodes d'incendies de forêt. Ces polluants comprennent les composés organiques volatils (COV), les particules, les métaux lourds, les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), les polychlorodibenzofuranes et les dioxines [1, 2, 7]. Beaucoup de ces composés sont soit cancérogènes comme le benzène, le benzo (a) pyrène et le plomb, soit des perturbateurs endocriniens ayant des effets irréversibles sur la santé [7]. Les objectifs de cette étude visent principalement (i) la caractérisation des contaminants émis dans l'air lorsque la conduite d'eau en PVC est soumise à la combustion, (ii) l'identification et la détermination quantitative des contaminants lessivés dans l'eau à partir des tuyaux en PVC qui ont été endommagés après la combustion, et (iii) l'application d'une méthode analytique basée sur l'extraction en phase solide suivie d'une analyse GC-MS.

2. Matériaux et méthodes

2.1 Analyse par spectrocopie infrarouge et thermogravimétrie des tuyaux en PVC

Un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier Thermo iS-50 (FTIR) avec un détecteur de sulfate de triglycine deutéré a été utilisé pour confirmer la composition du tuyau en PVC en utilisant un accessoire de réflectance totale atténuée (Thermo Fisher Scientific Inc., Waltham, Massachusetts, USA). La résolution du spectromètre FTIR de 4 cm-1 a été utilisée avec 32 balayages co-ajoutés. Le profil de dégradation thermique de l'échantillon de tuyau en PVC a été analysé par TA Instruments (New Castle, Delaware, USA) L'analyseur thermogravimétrique (TGA) modèle Q500 a été utilisé pour caractériser le taux de perte de masse en fonction de la température de 20 ° C à 1000 ° C.

2.2 Analyse des lixiviats des tuyaux en PVC brûlés par GC-MS

Des échantillons de tuyaux d'environ 2 pouces par 4 pouces de section ont été découpés à partir de tuyaux d'eau en PVC avec les spécifications ASTM F794. Ils ont été pesés avec une précision de ± 0.1 mg sur une balance analytique afin de permettre le calcul des concentrations de contaminants de l'eau en parties par million (ppm) unités ou milligramme (mg) d'analyte par kilogramme (kg) de PVC tuyau dans le test de lixiviation. Environ 10 à 15 grammes de chaque type de matériaux de tuyau ont été trempés dans les 300 ml d'eau désionisée de haute pureté pendant 1 semaine avec des temps de sonication de 30 minutes deux fois par jour. Un GC-MS Shimadzu QP2010 équipé d'un échantillonneur automatique a été utilisé pour analyser les lixiviats des tuyaux non brûlés et brûlés après avoir effectué une extraction en phase solide des contaminants avec du chlorure de méthylène et du méthanol. Les normes chimiques utilisées pour la quantification de certains contaminants lixiviés des tuyaux comprennent une série homologue de n-alcanes C10, C12, C14, C16, C18, C20, C22 et C24 ainsi que le 2-butoxyéthanol et le 2-éthyl-1 -hexanol acheté auprès de Sigma Aldrich (St. Louis, Missouri, USA), 7,9- di-tert-butyl-1-oxaspiro (4,5) déca-6,9-diène-2,8-dione (Toronto Chemical , Toronto, Canada) et la norme semi-volatile EPA 8270 (AccuStandard, New Haven, Connecticut, États-Unis).

Le GC-MS Shimadzu QP2010S a été utilisé dans un mode d'injection sans division pour analyser des extraits d'échantillons de 1.0 μL des filtres impacteurs en cascade avec différentes fractions de taille de la phase aérosol dans l'émission Ecig. La colonne GC était une colonne de silice fondue revêtue de polyimide Phenomenex ZB5-HT (Bellefonte, PA) 5% phényl / 95% diméthylpolysiloxane 30 mx 0.25 mm de diamètre intérieur, épaisseur de film 0.25 µm. Initialement, le four a été maintenu à 50 ° C pendant 3 min suivi de trois étapes de montée en température. Tout d'abord, la température a été augmentée de 50 ° C à 150 ° C à 5 ° C / min et maintenue pendant 1 min, puis à 220 ° C à 15 ° C / min et maintenue pendant 3 min, et enfin à 320 ° C à 25 ° C / min et maintenu pendant 5 min. La température d'entrée a été maintenue à 250 ° C et le débit d'hélium gazeux porteur a été réglé à 40 cm / s. Le spectromètre de masse a été mis en fonctionnement en mode balayage avec sa température d'interface GC réglée à 320 ° C et la température de la source d'ions MS maintenue à 200 ° C. Les spectres de masse ont été acquis dans la gamme de masse de 35 à 450 amu.

2.3 Analyse des émissions provenant de la combustion de tuyaux en PVC par GC-MS

Un tuyau en PVC conforme aux spécifications ASTM F794 a été coupé en morceaux pesant 15 à 20 grammes qui ont été utilisés à la fois pour les essais d'émissions de combustion et de lixiviation de l'eau. Une torche au propane a été utilisée pour démarrer la combustion du matériau du tuyau en PVC et, lorsque le feu sur le tuyau est devenu autonome, les gaz émis ont été collectés dans un sac TedlarÒ de 3 litres (SKC Inc., Eighty Four, Pennsylvania, USA ) via le Vac-UChamber (SKC Inc., Eighty Four, Pennsylvania, USA).

Les émissions des tuyaux ont été analysées en utilisant un chromatographe en phase gazeuse (GC) Agilent 6890 couplé à un spectromètre de masse quadripolaire Agilent 5973 (MS) (Agilent Technologies, Santa Clara, Californie, USA). Un échantillonneur automatique Nutech à 16 positions pour une analyse en mode séquentiel automatisé a été utilisé pour émettre des échantillons de 20.0 ml dans le GC-MS Agilent via le préconcentrateur Nutech 8900DS (GD Environmental Supplies, Inc., Richardson, Texas, USA). Le préconcentrateur dispose de trois pièges cryogéniques, le piège à billes de verre, le piège Tenax TA et le cryofocuser, pour un enrichissement sélectif des COV dans les échantillons d'émission en contrôlant les réglages de température et de temps de désorption. Un accessoire appelé GC ChaserÔ de Zip Scientific (Fast GC Technology, Goffstown, New Hampshire, USA) a été utilisé pour améliorer la ventilation du four GC pendant les cycles de refroidissement. Le préconcentrateur a été réglé pour préchauffer à 10 ° C, tandis que la température de refroidissement a été réglée à -150 ° C, la température de désorption à 20 ° C avec un temps de préchauffage de 2 s et un débit de désorption à 15 ml / min avec un temps de désorption de 2 min. La séparation GC a été réalisée en utilisant la colonne capillaire Rxi-1ms (Restek, Bellefonte, Pennsylvanie, USA) avec la phase stationnaire de 100% polydiméthylsiloxane et des paramètres de colonne de 60 mx 0.32 mm id et une épaisseur de film de 1.00 μm. Initialement, le four GC a été réglé à 30 ° C pendant 3 min avant de subir trois rampes de température séquentielles sans aucun maintien, de 30 ° C à 100 ° C à 5 ° C / min, de 100 ° C à 150 ° C à 12 ° C / min, et de 150 ° C à 200 ° C à 15 ° C / min. La température finale de 200 ° C a été maintenue pendant 4 minutes pour une durée totale de fonctionnement du GC de 28.50 minutes. La température d'entrée du GC a été maintenue à 320 ° C et le débit de gaz porteur d'hélium a été réglé à 28 cm / s. Le spectromètre de masse a été utilisé dans les modes de balayage complet simultané et de surveillance des ions sélectionnés (SIM). L'ionisation par impact électronique a été opérée avec une énergie électronique de 70 eV. La température d'interface a été réglée à 320 ° C et les spectres de masse ont été enregistrés dans la gamme m / z de 35 à 350 uma.

Les procédures analytiques pour la détermination des COV étaient similaires à celles de la méthode USEPA TO-15 décrite dans le Compendium of Air Toxics. Les limites de détection de 0.1 à 3 parties par milliard en volume (ppbv) ont été atteintes pour les 72 composés cibles de la méthode TO-15 ainsi que pour tous les autres composés trouvés dans les émissions de tuyaux de polymère en feu ou de vapeur d'espace de tête de matériaux polymères brûlés. Des bouteilles d'échantillonnage sous vide ont été utilisées pour contenir les morceaux brûlés avant d'être connectées à un échantillonneur automatique à 16 positions pour le pré-concentrateur. L'identification des COV était basée sur le logiciel Agilent ChemStation avec la base de données spectrale de masse 2017 développée par le National Institute of Standards and Technology (NIST, Gaithersburg, Maryland, USA). L'identification des composés a été effectuée à la fois par recherche spectrale de masse avec des indices de correspondance supérieurs à 70 et une fenêtre d'indice de rétention de ± 50 unités. La quantification était basée sur une analyse de régression linéaire des réponses analytiques des standards à 4-7 niveaux. Pour le tétradécane et l'hexadécane, une fonction polynomiale a été utilisée pour l'étalonnage quantitatif.

2.4 Analyse des émissions des tuyaux en PVC brûlés par spectrométrie infrarouge

Pour l'analyse des émissions de tuyaux de composés très volatils, généralement des gaz de masse moléculaire inférieure à 50 amu, un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier Varian 7000 (FTIR) avec un détecteur de mercure-cadmium-tellurure refroidi par l'azote liquide a été utilisé. Une cellule à gaz Tornado de 10 mètres (Specac, Orpington, Royaume-Uni) avec des miroirs revêtus d'or a été utilisée pour atteindre une longueur de trajet optique de 10 mètres via de multiples réflexions du faisceau infrarouge à travers les échantillons de gaz d'émission de tuyau. Les spectres infrarouges ont été acquis avec la fonction d'apodisation Happ-Genzel et la résolution du spectromètre de 0.5 cm-1 pour 32 balayages co-ajoutés. L'analyse quantitative a été réalisée par l'approche univariée de comparaison des spectres d'échantillon avec les spectres de référence standard de la base de données spectrale infrarouge achetée auprès d'Infrared Analysis (Anaheim, Californie, USA). Les valeurs de concentration moyennes déterminées à 3-5 régions de nombre d'onde différentes des spectres FTIR. La détermination était basée sur les zones de pic lorsque le chevauchement spectral était minimal, mais reposait sur la hauteur du pic lorsque le chevauchement spectral était suspecté. Les composés analysés par la méthode FTIR comprennent l'éthylène, l'acétylène, le formaldéhyde, le méthane, l'éthane, le monoxyde de carbone, le dioxyde de chlore et le chlorure d'hydrogène.

3. Résultats

Les résultats de cette étude visent à caractériser le profil des contaminants pouvant être libérés lors de la combustion des tuyaux en PVC avec les spécifications ASTM F794. Ce matériau, analysé à la fois par FTIR et TGA, partage de nombreuses caractéristiques chimiques avec les tuyaux en PVC ménagers ou municipaux courants qui peuvent être brûlés lors d'incendies de structure ou de forêt. Les substances toxiques produites lors des incendies de forêt ont des effets néfastes sur la santé humaine via deux voies d'exposition. La voie d'ingestion peut être attribuée à la lixiviation des contaminants des tuyaux en PVC brûlés et thermiquement dégradés. Les contaminants peuvent rester dans le réseau d'eau pendant des mois et présenter des risques pour la santé des résidents qui utilisent l'eau pour boire, cuisiner et se laver. L'inhalation directe de substances toxiques provenant de la combustion des tuyaux en PVC est associée aux effets respiratoires néfastes de l'asthme, de la bronchite et des étourdissements en raison d'une exposition à court terme aux émissions des incendies de forêt. Ces effets indésirables de l'inhalation deviennent moins graves dans les jours suivants à la suite de l'incendie de forêt, car les polluants atmosphériques sont rapidement dilués dans l'atmosphère. Ces deux voies d'exposition sont décrites ci-dessous.

3.1 Caractérisation thermogravimétrique des tuyaux en PVC

Il a été confirmé que le matériau du tube était principalement du PVC en comparant les spectres infrarouges des échantillons de tube avec les spectres des bibliothèques spectrales infrarouges du commerce. L'indice de correspondance de 91.72 sur le maximum de 100 a été atteint pour un spectre de référence de tuyau en PVC dans la bibliothèque de matériaux communs, mais l'indice de correspondance pour le spectre infrarouge PVC de haute pureté dans la bibliothèque Hummel Sadtler n'est que de 75.41 sur 100. Cela indique que il existe des quantités importantes de charges ou d'additifs utilisés dans la formulation des tuyaux en PVC. La caractérisation TGA des échantillons de tuyaux en PVC montre qu'il y a quatre étapes distinctes de perte de masse lorsque l'échantillon de tuyau en PVC est chauffé à partir de 20 ºC dans une atmosphère d'azote, passant à l'air à 50 ºC et continuant à chauffer dans l'air à 1000 ºC. La première étape de dégradation thermique du PVC s'est produite à 210-245 ºC et était associée à 39.98% (p / p) de perte de masse due à la réaction de déshydrochloration. La deuxième étape de 18.33% de perte de masse (245-300 ºC), presque considérée comme une continuation de la première étape, est probablement due à la déshydrochloration au niveau de la partie réticulée et stériquement empêchée du polymère parce que la perte de HCl du ( CH3Cl) n représente 58.4% en poids, ce qui est presque égal à la somme des pourcentages de perte de poids des deux premières étapes de dégradation thermique. La perte de masse de 18.31% s'est produite consécutivement jusqu'à 450 ºC, la dernière étape de 19.25% de perte de masse se terminant à environ 700 ºC. Ces deux dernières étapes de perte sont liées à l'évolution des hydrocarbures à longue chaîne, des siloxanes et du CO2. Le résidu laissé à 1000 XNUMX ºC a été déterminé par FTIR comme étant un mélange de carbonate de calcium et de silicates qui avait été utilisé comme charge pour la production de tuyaux en PVC.

3.2. Analyse des lixiviats pour les tuyaux en polymère

Les données GC-MS montrent que près de 100 composés sont lixiviés des tuyaux en polymère PVC dans l'eau pendant le test de lixiviation. L'analyse spectrale de masse par correspondance spectrale avec la base de données NIST permet d'identifier de manière provisoire environ 40 à 60 composés via l'utilisation d'indices de correspondance MS et d'indices de rétention GC. Le nombre de composés dans chaque classe de composés organiques suit la tendance des alcanes »alcènes> aromatiques> additifs oxygénés> cycloalcanes et cycloalcènes> composés halogénés. Les composés quantifiés dans le lixiviat des tuyaux en polymère sont indiqués dans le tableau 1 ci-dessous. La plupart des composés détectés ne sont pas disponibles comme étalons pour leur détermination quantitative dans les échantillons de lixiviat ou sont d'un coût prohibitif.

Tableau 1. Concentrations de contaminants dans les lixiviats des tuyaux en polymère PVC brûlés et imbrûlés, exprimées en unités de «ppm» ou «mg d'analyte par gramme de matériau de tuyau».

* Les données pour le 2-butoxyéthanol étaient basées sur l'extraction en phase solide du lixiviat des tuyaux à l'aide de méthanol, tandis que d'autres données étaient basées sur l'extraction au chlorure de méthylène.

** «Constituant Irganox 1010» se réfère à la 7,9-di-tert-butyl-1-oxaspiro [4,5] déca-6,9-diène-2,8-dione.

*** "

Les composés de lixiviat les plus préoccupants sur le plan toxicologique sont les esters de phtalate, qui comprennent le phtalate de diéthyle trouvé au niveau de 2.4 mg / g et le phtalate de diisooctyle à 3.0 mg / g pour le tuyau en PVC non brûlé. Les deux esters de phtalate sont des perturbateurs endocriniens qui interfèrent avec le système endocrinien du corps et produisent des effets néfastes sur le développement, la reproduction, la neurologie et le système immunitaire chez les humains et les animaux sauvages. Le rejet de perturbateurs endocriniens par les tuyaux en polymère utilisés pour la distribution d'eau potable est potentiellement nocif pour la santé humaine en raison de l'exposition quotidienne à de faibles doses. Les effets néfastes sur la santé observés comprennent une baisse du taux de fertilité, une incidence accrue de l'endométriose et certaines formes de cancers [8-11]. La 7,9-di-tert-butyl-1-oxaspiro (4,5) déca-6,9-diène-2,8-dione est un autre produit chimique potentiellement nocif mais qui a reçu beaucoup moins d'attention. Ce composé a été étudié comme contaminant dans le sirop d'érable [12], le produit pharmaceutique ophtalmique [13] et l'eau de la rivière Prut à la frontière roumaine et moldave [14]. Dans les trois cas, les sources de ce contaminant étaient respectivement liées aux conduits en plastique pour l'écoulement du sirop d'érable des arbres au récipient collecteur, au contenant en plastique pour les solutions ophtalmiques et aux déchets plastiques rejetés dans la rivière Prut. Il n'y a pas d'information toxicologique publiée ou en ligne relative au 7,9-di-tert-butyl-1-oxaspiro (4,5) déca-6,9-diène-2,8-dione mais il a été signalé comme produit de transformation de Irganox 1010, qui est couramment utilisé comme additif antioxydant dans les tuyaux en polymère utilisés dans la distribution d'eau [15].

Le 2-butoxyéthanol a été trouvé dans les lixiviats de polymère PVC à des concentrations de 2.7 mg / g et 2.8 mg / g dans des tuyaux brûlés et non brûlés. Il peut pénétrer dans notre corps par inhalation ou absorption par notre estomac et nos intestins lors de la consommation d'aliments ou d'eau contaminés. L'effet nocif le plus souvent rapporté chez les animaux exposés au 2-butoxyéthanol est la destruction des globules rouges qui entraîne la libération d'hémoglobine, appelée hémolyse. Les effets liés à l'hémolyse comprennent une augmentation des taux d'hémoglobine dans l'urine, du sang dans l'urine et l'accumulation d'hémoglobine et de globules rouges détruits dans des organes tels que les reins, la rate et le foie [16]. Du 2-éthylhexanol a été trouvé dans l'haleine expirée et le tissu adipeux en raison de son utilisation répandue dans le nitrate de 2-éthylhexyle comme améliorant de cétane et dans le phtalate de diéthylhexyle comme additif plastifiant. Il a été trouvé dans les échantillons de lixiviat de PVC à 11.6 mg / g et 14.0 mg / g pour les tuyaux non brûlés et brûlés. C'est un proliférateur de peroxysome et un métabolite du phtalate de diéthylhexyle, qui provoque la prolifération des peroxysomes dans les études animales et les tumeurs hépatiques. Des tumeurs hépatiques ont été produites avec le 2-éthylhexanol chez des souris femelles qui avaient reçu plus que la dose maximale tolérée de 750 mg / kg de poids corporel [17]. Les alcanes à chaîne droite comprenant le tétradécane, l'hexadécane, l'octadécane et le docosane ont été rapportés dans le tableau 1 ci-dessous. Leurs teneurs vont de 1.1 mg / g pour l'octadécane à 27.8 mg / g pour le tétradécane pour le PVC brûlé. Ces alcanes ne sont généralement pas trop nocifs pour la santé humaine et n'ont pas été beaucoup étudiés.

3.2 Analyse des émissions des tuyaux en polymère brûlant

Bien que les tests montrent la détection de plus de 100 contaminants dans différents scénarios de traitement, seuls les contaminants sélectionnés avec des effets toxicologiques connus et ceux qui sont réglementés par l'Occupational Safety and Health Administration (OSHA) et l'US Environmental Protection Agency (USEPA) sont présentés dans le tableau 2. au dessous de. Les limites d'exposition admissibles (PEL) du tableau 2 sont des normes OSHA destinées à protéger la santé des travailleurs dans les milieux industriels. Dans le contexte des menaces sanitaires posées par les incendies de forêt, les valeurs PEL sont d'une grande importance pour la protection de la santé des pompiers et des autres premiers intervenants dans la gestion des urgences en cas d'incendie. Le risque cible de cancer et l'indice de risque non lié au cancer sont des niveaux de dépistage fondés sur la santé pour l'évaluation des risques d'exposition aux substances toxiques pour la population générale ou les résidents touchés par les incendies de forêt. La valeur de risque de cancer cible de 1 x 10-6 se réfère à la concentration de toxique atmosphérique qui entraînerait le risque excessif d'une personne sur un million également exposée de contracter le cancer si elle était exposée en continu (24 heures par jour) à la concentration spécifique sur 70 ans. . L'indice de risque non lié au cancer est le rapport entre la concentration d'exposition dans l'air et la concentration de référence pour la santé établie par l'EPA. Lorsque les concentrations de substances toxiques sont significativement plus élevées que les concentrations tabulées pour l'indice de risque non cancérigène de 1, elles sont plus susceptibles de provoquer des effets néfastes non cancéreux sur la santé pendant toute la durée de l'exposition. Le tableau 2 montre que les niveaux de benzène et de 1-butadiène sont supérieurs aux valeurs PEL et sont au moins 3 fois plus élevés que les valeurs de risque cible de cancer ou d'indice de risque non cancéreux. Bien que l'acétaldéhyde et le chlorométhane n'aient pas été trouvés à des niveaux plus élevés que les PEL, ils étaient plus élevés que les niveaux de dépistage de l'EPA basés sur le risque de cancer et l'indice de risque non cancéreux. Les niveaux détectés de monoxyde de carbone (CO) à la concentration moyenne de 100 ppmv (c'est-à-dire parties par million en volume) étaient supérieurs au PEL de 33.8 ppmv ainsi qu'aux normes nationales de qualité de l'air ambiant de 25 ppmv pour une période de 9 heures et 8 ppmv pendant 35 heure. La respiration de CO peut provoquer des maux de tête, des étourdissements, des vomissements et des nausées. L'exposition à des niveaux élevés de CO peut entraîner une perte de conscience ou la mort, tandis qu'une exposition à des niveaux de CO modérés à élevés pendant de longues périodes a été associée à un risque accru de maladie cardiaque.

La combustion de conduites d'eau en PVC a produit des émissions contenant un grand nombre de contaminants en suspension dans l'air, en particulier les composés organochlorés et organosiliciés potentiellement nocifs pour la santé humaine. Comme le montrent la figure 1 et le tableau 2, les émissions de PVC contenaient des concentrations extrêmement élevées de composés toxiques tels que le 1-butène, le 1-butadiène et le benzène. Les tuyaux en PVC en feu ont produit ces trois contaminants à des niveaux de concentration nettement supérieurs à leurs niveaux de dépistage recommandés pour le risque cible de cancer et l'indice de risque non cancéreux. Pour les émissions de PVC, le chlorure d'hydrogène, le chlorométhane, le chloroéthène (chlorure de vinyle), le 3-butadiène et le benzène sont les principaux contaminants préoccupants dans les émissions des tuyaux en PVC. D'autres contaminants à base de PVC, notamment le 1-chlorobutane, le dichloroéthyne, le 3-chloropropyne, le chlorobenzène, le thirane, le tétrachlorure de carbone et l'éther 1-bis (triméthylsilyl) diméthylhydroquinone ont également été détectés mais non quantifiés en raison du manque d'étalons. Composés contenant du silicium comprenant la 3- [(triméthylsilyl) oxy] -2,3- {2 [(triméthylsilyl) oxy] phényl} -éthaneamine, le bis (triméthylsilyl) éther de 2-diméthylhydroquinone et le bis (triméthylsilyl) -4 L'alcool 2,3-dihydroxybenzylique a été provisoirement identifié dans les émissions des tuyaux de PVC en feu, mais ces composés n'ont jamais été étudiés pour les risques toxicologiques. La formation de ces composés est probablement liée à la dégradation des siloxanes et à leur réaction ultérieure avec d'autres sous-produits de combustion du PVC à la température extrêmement élevée des incendies de forêt supérieure à 3,4 ° C [500]. Cela a fourni les groupements triméthylsilyle pour la substitution sur le cycle phényle du benzène et d'autres alkylaromatiques. La figure 18 fournit également une comparaison côte à côte des chromatogrammes GC-MS pour les émissions de PVC brûlant et la combustion de la biomasse cellulosique des feuilles, des brindilles et des pommes de pin. Dans les données sur les émissions de PVC, le benzène est le composant le plus abondant représentant 1% des signaux GC-MS mesurés parmi les 54 COV détectés. En comparaison, les émissions cellulosiques montrent que le benzène ne représente que 88% du profil d'émission très complexe avec environ 4.8 COV détectés. La comparaison des profils de contaminants dérivés du feu provenant de la combustion de tuyaux en PVC et de biomasse serait utile pour déterminer leur degré relatif de contribution à la contamination de l'eau potable. La présence de HCl, ClO184, d'hydrocarbures chlorés et de composés siloxane est caractéristique des émissions de tuyaux en PVC, tandis que la présence de terpènes leurs composés de dégradation, notamment le limonène, le 2-carène, l'a-pinène, l'isoprène, le 3, 1-butadiène, 3, 1- la pentadiène acroléine, la méthacroléine, la butanedione et le 3-butén-1,3-ol indiquent les émissions de biomasse dues aux incendies de forêt.

L'évaluation toxicologique du potentiel œstrogénique, androgénique et progestatif de l'octaméthylcyclotétrasiloxane a montré qu'il pouvait se lier au récepteur œstrogénique (ERa) et activer le gène rapporteur à 10 mM. Dans les tests RUA et Hershberger réalisés pour l'inhalation d'octaméthylcyclotétrasiloxane pendant 16 h / jour, une légère mais significative augmentation du poids utérin humide et buvard ainsi que des augmentations de la hauteur des cellules épithéliales luminales et glandulaires ont été observées chez Sprague Dawley et Fischer. 344 rats [19]. Les taux sériques d'estradiol ont diminué de manière dose-dépendante après une exposition de 100 mg / kg à 1000 mg / kg d'octaméthylcyclotétrasiloxane. L'activité de la peroxydase utérine, un marqueur de l'activité œstrogénique, a également été significativement augmentée chez les souris exposées à l'octaméthylcyclotétrasiloxane mais pas chez les souris exposées aux autres siloxanes [20].

Figure 1. Chromatogrammes GC-MS superposés des émissions provenant de la combustion de biomasse par rapport à la combustion de tuyaux en PVC. Notez que l'échelle des émissions de PVC est multipliée par 85 pour montrer la présence d'environ XNUMX COV détectés à l'état de traces. La figure en médaillon montre les mêmes chromatogrammes sur une échelle commune et la présence d'environ six composants principaux dans les émissions de PVC brûlant.

Tableau 2. Concentrations des principaux polluants atmosphériques mesurées dans les émissions de tuyaux en PVC en feu par GC-MS et leur comparaison avec les normes réglementaires de l'OSHA pour les niveaux d'exposition admissibles (PEL) et les niveaux de dépistage de la santé de l'EPA basés sur un risque de cancer excessif = 1 x 10-6 et indice de danger = 1

* PEL et STEL font référence aux limites d'exposition permises et aux limites d'exposition à court terme destinées à protéger la sécurité des travailleurs et sont des normes réglementaires promulguées par l'Occupational Safety and Health Administration (OSHA); 1 ppmv = 1000 ppbv.

** Les niveaux de dépistage CTR et NCHI sont obtenus à partir de la base de données du Système intégré d'information sur les risques (IRIS) de l'EPA; les valeurs CTR et NCHI sont indiquées en unités «mg / m3» et «ppbv» pour les contaminants mesurés par GC-MS.

*** Indisponible

Il est important de noter que dans le tableau 2, les niveaux de contaminants atmosphériques observés de benzène (10.5 ppmv) et de 1-butadiène (3 ppmv) trouvés dans les émissions de tuyaux en PVC enflammés dépassent les normes réglementaires de l'OSHA en matière de sécurité au travail. Ces normes OSHA visent à empêcher l'exposition par inhalation nocive des travailleurs tels que les pompiers qui tentent de supprimer les incendies de forêt, le personnel d'intervention d'urgence chargé d'évacuer les résidents et les opérateurs de déchets dangereux qui retirent les tuyaux en PVC brûlés. Cependant, ces deux composés sont au-dessus des niveaux de dépistage du risque cible de cancer (CTR) et de l'indice de risque non lié au cancer (NCHI) rapportés dans la base de données du système intégré d'information sur les risques de l'USEPA (IRIS). Pour les émissions des tuyaux en PVC brûlant, le chloroéthylène ou le chlorure de vinyle et l'éthylbenzène sont également au-dessus du niveau de criblage CTR. Les émissions de PVC incluent également un niveau très élevé de 2.4 ppbv de chlorométhane par rapport à son niveau de criblage NCHI de 3007 ppbv. D'autres composés tels que le 45.5-chlorobutane, le 1-butène et le 1-diméthylhydroquinone, bis (triméthylsilyl) éther ont également été trouvés à des niveaux très élevés mais n'ont pas été quantifiés car il n'y a pas d'informations toxicologiques ou de normes réglementaires.

La méthode FTIR a été utilisée pour l'analyse des composés très volatils dans les émissions des tuyaux en PVC qui ne se prêtent pas à l'analyse GC-MS. Les exemples de données pour le tuyau en PVC sont présentés dans le tableau 3 ci-dessous. La concentration de CO est de 33.8 ppmv, ce qui dépasse à la fois les normes nationales de qualité de l'air ambiant (NAAQS) de CO à 9 ppmv et 35 ppmv pour des périodes de moyenne de 8 heures et 1 heure, respectivement. Bien que les niveaux relativement élevés d'éthylène (3.1 ppmv) et d'acétylène (2.0 ppmv) ne soient pas particulièrement préoccupants en termes d'effets sur la santé, ils jouent un rôle clé dans la formation de composés nocifs et cancérigènes comme le benzène, le formaldéhyde, l'acétaldéhyde, comme ainsi que le 1-butadiène. Il a été déterminé que le chlorure d'hydrogène, un irritant sensoriel et pulmonaire, était présent à 3 ± 2.3 ppmv dans les émissions des tuyaux en PVC en feu. La réaction de déshydrochloration du tuyau en PVC brûlant à 0.1-200 ºC est responsable de la libération de chlorure d'hydrogène. Les composés de siloxane, qui ont été identifiés par GC-MS comme l'hexaméthylcyclotrisiloxane, l'octaméthylcyclotétrasiloxane et le décaméthylcyclopentasiloxane trouvés dans les émissions de tuyaux en PVC, ont été quantifiés comme 300 ± 0.462 ppmv d'octaméthylcyclotétrasiloxane par analyse FTIR. Parmi les composés mesurés par FTIR, le formaldéhyde (0.051 ppmv) et le chlorure d'hydrogène (0.049 ppmv) ont une grande probabilité de contaminer l'approvisionnement en eau en raison de leurs valeurs de solubilité élevées, comme indiqué dans le tableau 2.3. Cependant, les deux n'ont pas été mesurés dans l'étude de lixiviation car les deux la cartouche d'extraction en phase solide et l'analyse GC-MS basée sur la phase stationnaire relativement non polaire de la colonne ne conviennent pas pour l'analyse du chlorure d'hydrogène. De plus, la limite inférieure du scan de masse GC-MS à partir de 3 amu n'est pas applicable pour l'analyse du formaldéhyde avec une masse molaire de 35 amu. Étant donné que le formaldéhyde est classé dans le groupe 30 ou cancérogène pour l'homme par le Centre international de recherche sur le cancer, des travaux futurs pour modifier la méthode analytique pour détecter le formaldéhyde dans l'eau sont nécessaires. En fonction des conditions réelles de combustion, du dioxyde de chlore a également été détecté dans les émissions à une concentration élevée. L'inhalation de dioxyde de chlore peut être potentiellement nocive car c'est un oxydant puissant et peut perturber les processus physiologiques chez l'homme une fois qu'il est absorbé dans la circulation sanguine via le tissu alvéolaire des poumons.

Tableau 3. Concentrations (ppmv) de composés très volatils dans les émissions de tuyaux en PVC en feu analysées par spectrométrie infrarouge

* Toutes les données FTIR sont rapportées comme la moyenne de 3-5 mesures avec ± 1 écart type.

** Les valeurs de solubilité et de pression de vapeur sont basées sur les températures de 20-25 C et sont obtenues sur Wikipedia.

4. Discussion

Une étude antérieure sur la lixiviation ou la migration de composés des tuyaux en polymère dans l'eau montre que le PVC confère le seuil d'odeur le plus bas et produit le moins de COV par rapport au PEHD et aux tuyaux en polyéthylène réticulé (PEX) [21]. Bien que la popularité des tuyaux en PVC puisse être attribuée à ces caractéristiques souhaitables, ce n'est peut-être pas le meilleur choix pour la distribution de l'eau compte tenu des récents épisodes d'incendies de forêt qui pourraient entraîner une contamination généralisée de la qualité de l'eau potable dans les communautés touchées. Les résultats présentés dans cette étude pour les tuyaux en PVC en feu jettent un doute sur leur capacité à résister à la dégradation thermique des incendies de forêt qui entraîneraient la libération de près de 100 composés. Il s'agit notamment de quatre cancérogènes humains connus du CIRC du groupe 1, notamment le chlorure de vinyle, le formaldéhyde, le 1,3-butadiène et le benzène [22]. Les tests d'émissions montrent également trois cancérogènes probables du groupe 2A, notamment le chlorure de méthylène, le tétrachloroéthylène et le styrène, et quatre cancérogènes possibles du groupe 2B, notamment le chloroforme, le tétrachlorure de carbone, l'acétaldéhyde et l'éthylbenzène. Les trihalométhanes tels que le chloroforme ont été associés à un risque accru de développer un cancer de la vessie [23]. Bien qu'il soit discutable de savoir si le PVC devrait être le tuyau de choix pour la distribution de l'eau dans les régions sujettes aux incendies de forêt, cette étude soulève la question importante de savoir s'il existe un autre matériau de tuyau qui est plus ignifuge et pose donc le moins menace pour la santé des polluants dérivés du feu. Les matériaux à base de ciment utilisés pour transporter l'eau potable comprennent les tuyaux en béton armé, les revêtements en mortier de ciment et les tuyaux en amiante-ciment (AC). Les tuyaux sous pression AC ont gagné en popularité en tant que système de canalisation d'eau potable en raison de nombreux avantages comparables au PVC - léger, fort et faible frottement hydraulique. De plus, les tuyaux sous pression CA sont résistants à la chaleur et au feu ainsi que sans corrosion [24]. En raison de l'utilisation de fibres d'amiante, les réglementations ont limité le remplacement des tuyaux de courant alternatif en raison des dangers de la fibre d'amiante pour les travailleurs et des remplacements de fibres modernes sont disponibles. Les tuyaux à base de ciment n'ont pas les problèmes de toxicité que leurs homologues ont et sont notés dans une étude de 2002 de l'EPA comme ayant seulement 1% des incidents américains concernant la perméation et la lixiviation de substances toxiques [25]. Il existe des alternatives approuvées pour fabriquer des systèmes de tuyaux à base de ciment pour les applications d'eau potable.

Cette étude de recherche a confirmé que le benzène est le contaminant le plus important à prendre en compte en termes de sa toxicité par inhalation ou ingestion et son abondance parmi tous les contaminants. Les résultats du GC-MS montrent que l'intensité du signal du benzène représente 47.6% de tous les composés détectés dans les émissions des tuyaux en PVC. Une autre étude menée par Huggett et Levin à l'ancien Bureau national des normes a également démontré la présence de benzène et d'autres hydrocarbures chlorés [26]. Cependant, il n'y a pas de données quantitatives sur les concentrations relatives et le nombre de composés détectés est inférieur au nombre rapporté pour cette étude, probablement en raison de la plus grande sensibilité analytique de la méthode utilisée. Bien qu'il soit acceptable d'utiliser les concentrations de benzène dans les approvisionnements en eau contaminée comme indication de l'efficacité des efforts d'assainissement, des recherches plus poussées devraient viser l'application de méthodes analytiques très sensibles capables de mesurer des composés hautement toxiques avec de grandes constantes de la loi d'Henry qui facilitent leur partition dans l'eau potable ou augmentent les solubilités. Les dioxines, bien que peu solubles dans l'eau, sont hautement toxiques et ont tendance à se répartir sur des particules inhalables qui pourraient entrer dans la chaîne alimentaire humaine et se bioaccumuler dans les tissus adipeux. Le niveau maximal de contaminant (MCL) promulgué par l'EPA est de 30 parties par quadrillion (ppq), ce qui est environ 167,000 5 fois inférieur au MCL du benzène à XNUMX ppb. À la connaissance des auteurs, aucune étude n'a été publiée sur l'analyse des dioxines dans des échantillons d'eau prélevés à la suite d'incendies de forêt à Paradise ou à Santa Rosa en Californie. Il y a une forte probabilité que des dioxines soient produites par la combustion d'incendies de forêt à l'interface forêt-ville, où le PVC est courant dans les produits ménagers, les matériaux de construction et les tuyaux en polymère pour la distribution de l'eau potable, des eaux pluviales et des eaux usées. Ceci est corroboré par un article de synthèse récent qui décrit les différentes façons dont le PVC a été impliqué dans la production de dioxines hautement toxiques [27]. Celles-ci comprennent les dioxines produites dans l'incinérateur de déchets municipaux, les incendies de maison ou de structure, les incendies de décharge et le brûlage dans la cour parce que les matériaux en PVC sont omniprésents. L'incidence généralisée de la contamination par la dioxine pendant les processus de combustion est en partie due à la conversion rapide du PVC en HCl gazeux à une température de traitement thermique inférieure à celle d'autres polymères. L'observation de l'apparition de la perte de masse pour l'échantillon de tuyau en PVC à 210-245 ° C dans nos données TGA est cohérente avec les données TGA rapportées par Bhaskar et al. qui montrent que la décomposition ou le début de la perte de masse du PVC a lieu à environ 250 ° C alors que le PP et le HDPE présentent une décomposition initiale à 350 ° C et 460 ° C, respectivement [28]. L'émission de HCl joue un rôle majeur dans la génération de nombreux congénères de dioxines avec différents nombres de substituants chlore dans les polychlorodibenzodioxines (PCDD) et les polychlorodibenzofuranes (PCDF).

Cet article est probablement le premier consacré à l'étude des contaminants dérivés du feu dans les lixiviats d'eau et les émissions de combustion des tuyaux en PVC. Les recherches futures seront ciblées sur le développement de méthodes analytiques plus polyvalentes capables d'analyser un large éventail de composés avec différentes polarités ou solubilités dans l'eau à des niveaux inférieurs à la ppb. On ne sait pas à ce stade quelles méthodes EPA, autres que la méthode EPA 524, sont utilisées pour l'analyse de l'eau potable par les agences de l'eau californiennes ou les sociétés locales de distribution d'eau après les incendies de forêt. Si les méthodes utilisées sont basées sur les méthodes EPA 524.2 ou 524.3 impliquant la technique de purge et piégeage avec analyse GC-MS, alors la gamme d'analytes pouvant être analysés sera limitée par les volatilités des composés et leurs compatibilités avec les types de sorbants utilisés dans le piège. Idéalement, l'analyse MS après séparation par chromatographie liquide (LC-MS) des composés les plus polaires et les moins volatils devrait être utilisée pour la détermination des composés semi-volatils ou non volatils qui peuvent également être trouvés dans l'eau potable. La méthode utilisée dans la présente étude implique une extraction en phase solide avec la phase sorbante octadécyle qui peut capturer un large éventail de composés comme l'atteste la présence de près de 100 pics GC, même si seuls 40-60 peuvent être provisoirement identifiés avec une correspondance relativement bonne indices en recherchant dans la base de données spectrale de masse du NIST 2017. Différents types de matériaux sorbants peuvent être utilisés à la fois avec une extraction en phase solide et une microextraction en phase solide pour déterminer leur aptitude à atteindre des limites de détection inférieures à ppb de différents groupes de composés. Les techniques d'analyse des particules en suspension dans l'air produites par les incendies de forêt devraient être évaluées à la fois pour la microscopie électronique à balayage avec microanalyse aux rayons X à dispersion d'énergie des éléments traces, la microscopie FTIR et Raman, ainsi que l'analyse MS des extraits SPE des fractions granulométriques de moins de 1.0 micron qui pourrait être inhalé et déposé dans les tissus alvéolaires pulmonaires. Ces fractions de particules ultrafines pourraient également être ingérées car elles peuvent être dispersées dans l'eau potable et passer à travers les filtres à eau domestiques. L'ingestion de particules ultrafines dans l'eau du robinet a rarement été examinée malgré la disponibilité de méthodes d'imagerie basées sur la microscopie infrarouge et Raman, la microscopie électronique à balayage avec microanalyse des rayons X à dispersion d'énergie et les techniques de diffusion laser permettant de mesurer la densité des particules à l'échelle nanométrique . Dans un article de synthèse récent, seules deux études sur 31 sont liées aux microplastiques dans l'eau du robinet, tandis que la majorité des études se concentrent sur les eaux de surface et les eaux usées [XNUMX].

5. Conclusions

Cette étude est opportune compte tenu de l'augmentation récente de la fréquence et de la gravité des incendies de forêt en Californie et dans d'autres États de l'ouest qui ont causé le brûlage et l'endommagement des conduites d'eau pluviale et d'eau potable. Cela a conduit à des problèmes sans précédent de pollution de l'air et de l'eau qui pourraient avoir des effets néfastes sur la santé humaine par l'inhalation de fumée et la consommation d'eau. Ce projet a fourni des données et des résultats d'essais qui seront utiles aux scientifiques, aux ingénieurs et au public pour comprendre les risques toxicologiques potentiels qui pourraient être causés par l'endommagement des conduites d'eau lors d'incendies de forêt. En outre, la lixiviabilité des tuyaux en polymère provoque la libération d'esters de phtalate et d'autres composés qui peuvent contribuer à la bioaccumulation de perturbateurs endocriniens, de cancérogènes ou d'autres substances toxiques ayant un impact sur la santé reproductive, neurologique, immunologique et développementale. En plus de fournir des données complémentaires pour la biosurveillance et les études environnementales des esters de phtalate par des agences telles que les Centers for Disease Control and Prevention ainsi que l'Environmental Protection Agency aux États-Unis, les résultats de cette étude élucident le profil des contaminants associés aux polymères à base de polymères. conduites d'eau et peut encourager les fabricants de tuyaux à développer des tuyaux plus sûrs et plus respectueux de l'environnement. La conception de tuyaux en polymère ignifuge ou en d'autres matériaux sera essentielle pour réduire l'exposition humaine aux polluants ayant des effets néfastes sur la santé. L'utilisation de matériaux polymères thermiquement stables et non lixiviables, de fonte ductile, de cuivre ou de béton sera hautement souhaitable. Le choix d'un type de canalisation d'eau adapté qui ne posera pas en toutes circonstances des conséquences indésirables sur l'environnement ou la santé humaine, avec ou sans incendies de forêt, est de la plus haute importance pour la santé et la sécurité publiques.