VOC专题 | 环境空气中挥发性有机物(VOCs)来源解析的研究进展

导 读
 
       天然源最重要的排放物是异戊二烯和单萜烯;交通运输是全球最大的VOCs人为排放源,溶剂使用是第二大排放源;通过交通干道研究、隧道研究、实验室转鼓和台架实验研究,掌握了机动车不同车型尾气的VOCs组成特征;运用CMB和PMF模型得出VOCs的主要排放源有机动车尾气、燃料挥发(LPG、NG和汽油)、石油化工和涂料/溶剂的使用等,为进一步开展VOCs源解析研究提供参考。
 
       基于国内外关于大气中挥发性有机物(VOCs)排放源研究的调查,阐述了环境空气中VOCs排放源以及来源解析的研究现状。研究结果表明:天然源最重要的排放物是异戊二烯和单萜烯;交通运输是全球最大的VOCs人为排放源,溶剂使用是第二大排放源;通过交通干道研究、隧道研究、实验室转鼓和台架实验研究,掌握了机动车不同车型尾气的VOCs组成特征;运用CMB和PMF模型得出VOCs的主要排放源有机动车尾气、燃料挥发(LPG、NG和汽油)、石油化工和涂料/溶剂的使用等,为进一步开展VOCs源解析研究提供参考。
 
引 言
 
       挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)是空气中普遍存在且组成复杂的一类有机污染物,其污染主要表现在两个方面,一方面是多数VOCs本身具有毒理特性,危害人体健康;另一方面是一些VOCs物种具有较强的光化学反应活性,能在环境中进行二次转化。其光化学反应主导着光化学烟雾的进程,对城市和区域臭氧的生成至关重要,也是导致灰霾天气的重要前体物之一。总之,挥发性有机物(VOCs)对复合型大气污染的形成具有十分重要的促进作用。
 
       我国环境保护部颁布的首部大气污染防治综合性规划-《重点区域大气污染防治“十二五”规划》明确指出,挥发性有机物(VOCs)为下一阶段大气污染控制的重点污染物之一。可见,VOCs污染问题已经引起了我国的高度关注,掌握VOCs的主要排放源及其排放特征是控制VOCs污染的基本前提。为此,本文基于国内外研究现状调查,对环境空气中VOCs的排放源以及VOCs的来源解析研究现状进行了详细论述,为VOCs的污染控制提供科学依据。
 
环境空气中VOCs的排放源研究
 
       VOCs的来源主要有人为源和天然源,就全球尺度而言,天然源对VOCs的贡献超过了人为源。天然源包括植物释放、火山喷发、森林草原火灾等,其中最重要的排放源是森林和灌木林,最重要的排放物是异戊二烯和单萜烯。
 
       人为源可分为固定源、流动源和无组织排放源三类,其中固定源包括化石燃料燃烧、溶剂(涂料、油漆)的使用、废弃物燃烧、石油存储和转运以及石油化工、钢铁工业、金属冶炼的排放;流动源包括机动车、飞机和轮船等交通工具的排放,以及非道路排放源的排放;无组织源包括生物质燃烧以及汽油、油漆等溶剂挥发。交通运输是全球最大的VOCs人为排放源,溶剂使用是第二大排放源。目前国内外对VOCs的天然源和人为源研究比较广泛。
 
2.1 VOCs的天然源研究
 
       植物源作为VOCs天然源最重要的排放源,国内外的研究主要包括植物VOCs排放速率、排放量估算以及不同类型植被的VOCs排放特征等。研究发现,白杨树和西黄松异戊二烯和单萜烯的排放速率均较高,但是白杨树甲酸、乙酸、甲醛和乙醛的排放速率高于西黄松,且总排放量是西黄松的4倍。
 
2.2 VOCs的人为源研究
 
       目前,交通运输是全球最大的VOCs人为排放源,关于流动源机动车的研究较为广泛,主要包括交通干道研究、隧道研究、实验室转鼓和台架实验研究。
 
       交通干道VOCs的研究主要讨论城市交通干道两侧及路口大气VOCs的物种组成特征,并分析机动车尾气对大气VOCs的影响。美国、日本、爱尔兰、香港、北京、上海、广州、南京等国家和地区均对交通干道VOCs进行了研究。研究发现,高速路周围的VOCs浓度是远离高速路位置的2倍,主要物种依次为乙烯、丙烷、乙烷、异戊烷、甲苯和正丁烷。日本神奈川县交通干道两侧大气VOCs中前十种物种依次为甲苯、乙烷、丙烷、异戊烷、正丁烷、乙炔、异丁烷、异丁烯、3-甲基戊烷和苯。北京机动车排放的VOCs中以丙烷、异戊烷、1-丁烯、苯、甲苯、二甲苯等化合物为主,且随着无铅汽油的使用,芳香烃的含量有较大程度的增加。南京交通干道大气VOCs的主要物种为苯、甲苯、乙苯、二甲苯、1,2,4-三甲苯、1,3,5-三甲苯、四氯化碳、三氯乙烯和四氯乙烷,且15m高度处受机动车影响影响显著,VOCs的浓度最高。
 
       溶剂的使用作为VOCs人为源第二大排放源。来源于溶剂的NMVOC占总排放量的1/3。对涂料和印刷行业的VOCs成分谱进行研究,结果表明甲苯和C8芳香烃是涂料VOCs中含量最丰富的物种,长链烷烃和芳香烃是印刷VOCs中含量最高的物种。研究发现,醇酸涂料释放出的乙醛和己醛会严重危害人体健康。目前,国内外对溶剂、涂料挥发产生的VOCs研究比较少,对不同种类溶剂挥发出的VOCs组成特征尚不清楚。
 
环境空气中VOCs的来源解析研究
 
       环境空气中VOCs的来源、污染源的排放量以及对环境空气的贡献研究是控制大气VOCs的基础性研究。
 
       国外大气VOCs的源解析研究起步较早,20世纪70年代起,美国EPA就发行了CMB10版本的应用软件,源解析研究取得了较大发展。
 
       我国的源解析研究起步较晚,20世纪80年代后期才开始进行源解析的相关研究,但也取得了一定的成绩。研究结果发现同一地区在不同的时间段大气VOCs的来源也有所差异,但其主要源仍是机动车尾气。对上海市城区夏季和秋季进行了大气VOCs源解析研究,得出夏季VOCs的主要来源为机动车尾气排放34%、燃料挥发(LPG、NG和汽油挥发)24%、溶剂使用16%、工业生产和生物质燃烧14%、海洋源12%;而秋季上海市大气VOCs的来源主要有汽车尾气24%、不完全燃烧17%、燃料挥发16%、LPG/NG泄露15%、石油化工14%、涂料/溶剂的使用13%。可见上海市与北京市大气VOCs的主要来源均是机动车尾气,但上海的贡献率低于北京市。
 
 
       综上所述,国内外已经广泛开展了环境空气中VOCs的来源研究,尤其是近年来国内VOCs的源解析研究发展迅速,获得了不同城市和地区的污染源特征。
 
结 语
       挥发性有机物(VOCs)污染问题已经引起了国内外学者的广泛关注,本文综述了国内外VOCs污染源的研究现状,结果表明,天然源最重要的排放物是异戊二烯和单萜烯;交通运输是全球最大的VOCs人为排放源,溶剂使用是第二大排放源,由于地区差异,各排放源对环境空气的贡献有所不同。深入掌握大气VOCs的排放源情况以及来源贡献,对确定大气VOCs的防控重点行业以及提出完善的VOCs控制措施具有重要的指导意义。但是,国内关于VOCs的研究主要集中在京津冀、长三角和珠三角地区,其他城市和地区的研究成果还比较少,因此我国应加快环境空气VOCs来源研究的步伐,为复合型大气污染的研究与控制提供科技支撑。