Het Strategic Environmental Research and Development Program (SERDP) en Environmental Security Technology Certification Program (ESTCP) Weapons Systems and Platforms Program Area heeft een strategie ontwikkeld om het gebruik van cadmium (Cd) en zeswaardig chroom (Cr6+) in onderhoudsdepots van het ministerie van Defensie (DoD) in de komende vijf jaar met 90% of meer terug te dringen. De strategie omvat doelstellingen, maatstaven en acties om aan te tonen hoe deze vermindering kan worden bereikt. De strategie maakt gebruik van demonstraties op locatie en maakt gebruik van DoD-middelen om processen in de hele DoD-depotgemeenschap te repliceren. De strategie omvat ook een aanbevolen route voor succes in de toekomst op het gebied van geavanceerde coatings.
De term “zeswaardig chroom” is een verkorte aanduiding voor chemische verbindingen die het element chroom in de positieve valentietoestand 6 bevatten. Metallisch chroom bevindt zich in de valentietoestand nul en natuurlijk voorkomend chroomoxide bevat chroom in de positieve valentietoestand drie, ook driewaardig chroom of Cr(III) genoemd. Het is belangrijk dit onderscheid te maken, omdat Cr(VI) aanzienlijk giftiger is dan de andere vormen van chroom
Hexavalent chroom is een bekend carcinogeen, waarbij de belangrijkste blootstellingsroute via de inademing van dampen of stof is. Het belangrijkste gezondheidsrisico van blootstelling aan Cr(VI) is een verhoogde kans op het ontwikkelen van longkanker. Andere mogelijke gezondheidsrisico’s zijn astma, verzwering en perforatie van de neusschelpen, en dermatitis. In 2006 heeft de Occupational Safety and Health Administration (OSHA) de toelaatbare blootstellingslimiet vertienvoudigd van 52 tot 5 microgram per kubieke meter, waardoor het een van de strengst gereguleerde materialen is die worden gebruikt bij productie- en onderhoudswerkzaamheden.
De toelaatbare blootstellingslimiet (Permissible Exposure Limit, PEL) is de maximale concentratie van een chemische stof waaraan een werknemer mag worden blootgesteld en is gewoonlijk gebaseerd op een gemiddelde waarde in de loop van een 8-urige werkploeg.
Ondanks zijn giftigheid heeft Cr(VI) een aantal gewenste eigenschappen, en het wordt al meer dan 50 jaar gebruikt in coatings en afwerkingen op materialen zoals aluminiumlegeringen, staal, magnesiumlegeringen, en andere. Wanneer Cr(VI) in de vorm van chromaatverbindingen in coatings wordt verwerkt, biedt het een uitstekende corrosiebescherming voor bijna alle metalen in een breed scala van omgevingen. Wanneer een coating beschadigd raakt, bijvoorbeeld door een kras waardoor het basismateriaal bloot komt te liggen, kunnen de chromaten door hun oplosbaarheid naar het blootliggende gebied migreren en corrosie tegengaan. Chromaten worden gebruikt in een verscheidenheid van militaire toepassingen voor metaalafwerking, waaronder:
- Conversie coatings op aluminium, magnesium, en titaniumlegeringen
- Corrosieremmers in primers
- Afdichting van geanodiseerde coatings
- Nabehandeling op opofferingscorrosiebestendige coatings zoals cadmium
- Voorbehandeling van stalen oppervlakken vóór coating
- Hechtgebonden primers
Veel chromaten worden gebruikt om corrosiebestendigheid te geven in wat coating-“stapelingen” worden genoemd.” De meeste vliegtuigrompen zijn bijvoorbeeld vervaardigd van aluminiumlegeringen, die gevoelig zijn voor corrosie. De coatingstapeling kan bestaan uit een dunne chromaatomzettingscoating die enige corrosieweerstand biedt en de hechting van de daaropvolgende coatings verbetert, gevolgd door een primer die een chromaatverbinding bevat en een polyurethaan topcoat.
De meeste potentiële blootstellingen en emissies in verband met chromaten doen zich voor tijdens het verwijderen van coatings, zoals parelstralen, schuren/slijpen en strippen van metalen afwerkingen en/of coatings. Bijkomende blootstelling kan optreden tijdens het aanbrengen van oppervlaktebehandelingen en coatings waarbij dampen vrijkomen die Cr(VI) bevatten.
In andere toepassingen worden onderdelen van wapensystemen in tanks geplaatst die chroomzuuroplossingen bevatten, waarin het chroom zeswaardig is, hetzij voor anodisatie, hetzij voor hardverchroming. Deze toepassingen zijn meer gericht op slijtvastheid en, in het geval van hardverchromen, op het herstellen van maattoleranties op vele soorten onderdelen. Bij deze processen zit er geen Cr(VI) in het eindproduct, maar bevatten de dampen die door de tanks worden uitgestoten Cr(VI) en daarom moet er veel moeite worden gedaan om ervoor te zorgen dat de blootstelling van de werknemers onder de PEL blijft.
Een laatste mogelijkheid voor blootstelling van werknemers aan Cr(VI) is de verwerking van chroomhoudende materialen bij hoge temperaturen, zoals lassen en hardsolderen, waarbij dampen kunnen vrijkomen die Cr(VI) bevatten.
Het ministerie van Defensie heeft zich ertoe verbonden het gebruik van Cr(VI)-houdende materialen en processen te verminderen. Dit kwam tot uiting in een memorandum van de staatssecretaris van Defensie voor Aankoop, Technologie en Logistiek van 8 april 2009, getiteld: “Minimalisering van het gebruik van zeswaardig chroom”. Daarin verklaarde de staatssecretaris: “Vanwege de ernstige risico’s voor de menselijke gezondheid en het milieu van het gebruik van Cr(VI), nemen de nationale en internationale beperkingen en controles toe. Deze beperkingen zullen de regelgevingslast en de levenscycluskosten voor het DoD blijven doen toenemen en de beschikbaarheid van materieel verminderen.” Verder verklaarde hij: “Dit is een buitengewone situatie die van het DoD vereist dat het verder gaat dan de gevestigde processen voor het beheer van gevaarlijke materialen.” Hij droeg de militaire departementen op:
- Investeer in onderzoek naar en ontwikkeling van vervangende stoffen
- Zorg voor financiering van tests om alternatieve materialen en processen te kwalificeren
- Goedkeuring van het gebruik van alternatieven waar ze adequaat kunnen presteren
- Update alle relevante technische documenten en specificaties om het gebruik van gekwalificeerde alternatieven toe te staan
- Documenteer systeemspecifieke Cr(VI) risico’s en inspanningen om alternatieven te kwalificeren in de Programmatische omgeving, veiligheids- en gezondheidsevaluatie voor het systeem
- Deel kennis die is verkregen uit onderzoek, ontwikkeling, testen en evaluatie van alternatieven
- Eis van het Program Executive Office (PEO) of gelijkwaardig niveau dat het verklaart dat er geen aanvaardbaar alternatief is wanneer Cr(VI) wordt gebruikt in een nieuw systeem
Deze beleidsnotitie zal worden geformaliseerd in een nieuw Defense Federal Acquisition Regulation Supplement (DFARS) dat in 2011 zal worden uitgegeven. In het memorandum wordt ook de rol van SERDP genoemd als bron van informatie over alternatieven.
SERDP en ESTCP hebben de afgelopen 15 jaar grote investeringen gedaan op het gebied van
Cr(VI). Gezien het brede scala van toepassingen en het langdurige gebruik van Cr(VI) zijn investeringen nodig geweest die uiteenlopen van fundamenteel onderzoek via geavanceerde ontwikkeling tot tests en evaluaties voor de aanvaarding van alternatieven. Fundamenteel onderzoek heeft zich toegespitst op het begrijpen van de corrosieremmende mechanismen van Cr(VI)-houdende verbindingen en alternatieve remmers. Bij de geavanceerde ontwikkeling is voortgebouwd op fundamenteel onderzoek om nieuwe materialen, nieuwe testprocedures en nieuwe coatingtechnologieën te ontwikkelen. Bij demonstraties zijn valideringsgegevens verzameld voor alternatieve coatings op talrijke onderdelen van wapensystemen. Deze investeringen werden begeleid door talrijke workshops die werden gesponsord door SERDP en ESTCP en hebben geleid tot een wijdverspreide implementatie van Cr(VI)-alternatieven in de depots van het DoD en bij de fabrikanten van originele apparatuur.
Als voorbeeld heeft ESTCP eind jaren negentig het Hard Chrome Alternatives Team (HCAT) gesponsord, dat materiaaldeskundigen en eindgebruikers van het DoD, fabrikanten van wapensystemen en verkopers van coatings bijeenbracht om Cr en verkopers van coatings samenbracht om HVOF (high-velocity oxygen-fuel) thermisch gespoten keramische/metallische coatings te demonstreren en te valideren als alternatief voor hardverchroming, voornamelijk op vliegtuigonderdelen zoals landingsgestellen, hydraulische actuatoren en gasturbinemotoronderdelen. Dit resulteerde in de toepassing van HVOF-coatings op onderdelen van vele soorten militaire vliegtuigen. Het werk van de HCAT heeft, samen met aanvullende kwalificatiestudies van de industrie, geleid tot de toepassing van HVOF-coatings op landingsgestellen van alle nieuwe commerciële vliegtuigen.
Nog recenter hebben SERDP en ESTCP Advanced Surface Engineering Technologies for a Sustainable Defense (ASETSDefense) in het leven geroepen, een initiatief dat alternatieven voor
Cr(VI) en andere milieugevaarlijke materialen in de oppervlaktetechniek bevordert door middel van periodieke workshops en een website. De ASETSDefense-website ( www.asetsdefense.org) omvat een databank voor oppervlaktetechniek die onderzoekers en eindgebruikers toegang geeft tot laboratorium- en veldtestgegevens, vergunningen en implementaties van alternatieven voor gevaarlijke materialen en processen, waaronder Cr(VI).