Ein Frostschutzmittel ist ein Zusatzstoff, der den Gefrierpunkt einer Flüssigkeit auf Wasserbasis herabsetzt. Eine Frostschutzmittelmischung wird verwendet, um den Gefrierpunkt in kalten Umgebungen zu senken und den Siedepunkt zu erhöhen, um eine höhere Kühlmitteltemperatur zu ermöglichen. Gefrier- und Siedepunkt sind kolligative Eigenschaften einer Lösung, die von der Konzentration der gelösten Substanz abhängen. Da Wasser gute Eigenschaften als Kühlmittel hat, wird es zusammen mit Frostschutzmittel in Verbrennungsmotoren und anderen Wärmeübertragungsanwendungen eingesetzt. Das Frostschutzmittel soll verhindern, dass ein starres Gehäuse aufgrund der Ausdehnung beim Gefrieren von Wasser platzt. Im Handel werden sowohl der Zusatzstoff (reines Konzentrat) als auch das Gemisch (verdünnte Lösung) als Frostschutzmittel bezeichnet, je nach Kontext. Durch die sorgfältige Auswahl eines Frostschutzmittels kann ein breiter Temperaturbereich abgedeckt werden, in dem das Gemisch in der flüssigen Phase verbleibt, was für eine effiziente Wärmeübertragung und das ordnungsgemäße Funktionieren von Wärmetauschern von entscheidender Bedeutung ist.
Ethylenglykollösungen kamen 1926 auf den Markt und wurden als „Dauerfrostschutzmittel“ vermarktet, da die höheren Siedepunkte Vorteile für die Verwendung im Sommer und bei kaltem Wetter boten. Sie werden heute für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet, darunter auch für Kraftfahrzeuge, werden aber aufgrund ihrer geringeren Toxizität allmählich durch Propylenglykol ersetzt.
Wenn Ethylenglykol in einem System verwendet wird, kann es zu fünf organischen Säuren oxidiert werden (Ameisen-, Oxal-, Glykol-, Glyoxalsäure und Essigsäure). Inhibierte Ethylenglykol-Frostschutzmischungen sind mit Zusätzen erhältlich, die den pH-Wert puffern und die Alkalinität der Lösung erhalten, um die Oxidation von Ethylenglykol und die Bildung dieser Säuren zu verhindern. Nitrite, Silikate, Theodin, Borate und Azole können ebenfalls verwendet werden, um den korrosiven Angriff auf Metall zu verhindern.
Ethylenglykol ist für Menschen und andere Tiere giftig und sollte daher vorsichtig gehandhabt und ordnungsgemäß entsorgt werden. Sein süßer Geschmack kann zum versehentlichen Verschlucken führen oder den vorsätzlichen Einsatz als Mordwaffe ermöglichen. Ethylenglykol ist im Körper schwer nachweisbar und verursacht Symptome wie Vergiftung, schweren Durchfall und Erbrechen, die mit anderen Krankheiten verwechselt werden können. Im Stoffwechsel entsteht Kalziumoxalat, das im Gehirn, im Herzen, in der Lunge und in den Nieren auskristallisiert und diese schädigt. Je nach Höhe der Exposition kann die Anhäufung des Giftes im Körper Wochen oder Monate dauern, bevor es zum Tod führt, aber der Tod durch akutes Nierenversagen kann innerhalb von 72 Stunden eintreten, wenn die Person keine angemessene medizinische Behandlung für die Vergiftung erhält. Einige Ethylenglykol-Frostschutzmittelmischungen enthalten einen Bitterstoff wie Denatonium, um vom versehentlichen oder absichtlichen Verzehr abzuschrecken.
Der toxische Mechanismus der Ethylenglykol-Vergiftung ist hauptsächlich auf die Metaboliten von Ethylenglykol zurückzuführen. Zunächst wird es durch Alkohol-Dehydrogenase zu Glykolaldehyd verstoffwechselt, das dann zu Glykolsäure oxidiert wird. Der Anstieg der Metaboliten kann eine Enzephalopathie oder ein Hirnödem verursachen. Die metabolischen Auswirkungen treten 12 bis 36 Stunden nach der Einnahme auf und verursachen in erster Linie eine metabolische Azidose, die hauptsächlich auf die akkumulierte Glykolsäure zurückzuführen ist. Zusätzlich kommt es als Nebenwirkung der ersten beiden Stoffwechselschritte zu einem Anstieg der Milchsäurekonzentration im Blut, was zu einer Laktatazidose führt. Die Bildung saurer Metaboliten führt auch zur Hemmung anderer Stoffwechselwege, wie der oxidativen Phosphorylierung.
Die Nierentoxizität von Ethylenglykol tritt 24 bis 72 Stunden nach der Einnahme auf und wird durch eine direkte zytotoxische Wirkung der Glykolsäure verursacht. Die Glykolsäure wird dann zu Glyoxylsäure und schließlich zu Oxalsäure metabolisiert. Oxalsäure verbindet sich mit Kalzium und bildet Kalziumoxalatkristalle, die sich ablagern und viele Bereiche des Körpers schädigen können, darunter Gehirn, Herz, Nieren und Lunge. Die wichtigste Auswirkung ist die Ansammlung von Kalziumoxalatkristallen in den Nieren, die Nierenschäden verursachen, die zu oligurischem oder anurischem akutem Nierenversagen führen. Der ratenbegrenzende Schritt in dieser Kaskade ist die Umwandlung von Glykolsäure in Glyoxylsäure. Die Akkumulation von Glykolsäure im Körper ist hauptsächlich für die Toxizität verantwortlich.