环境空气中挥发性有机污染物特征研究

2023-01-11李法松

能源与环保 2022年12期

路杨，李法松

(1.安庆经济技术开发区管理委员会，安徽安庆 246000； 2.安庆师范大学资源环境学院,安徽安庆 246011)

空气是人们赖以生存的必要条件，虽然目前各个国家的环保措施不断提升[1-2]，但空气环境治理依然是环境保护的重中之重。由于乡村城市化不断扩张，城市工业类型繁多使空气中的挥发性有机污染物种类和体积分数不断增加[3-4]，人们生活环境的空气质量越来越差。挥发性有机污染物主要为烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃和卤代烃以及小部分其他类组成，而不同区域环境内的挥发性有机污染物成分和体积分数也不同[5-6]。

为了有针对性地治理环境空气污染问题，全面提升人们生活环境的空气质量，研究环境空气中挥发性有机污染物特征十分有必要。学者熊超等[7-8]分别研究了冬季重污染情况下空气内挥发性有机物污染特征和城市郊区空气内大气挥发性有机物污染特征，前者利用有机物监测系统分析城市冬季空气内有机污染物组成，但该方法使用的有机物监测系统对其测试环境要求较高，不具备普适性。而后者则持续6年针对城市郊区进行空气采样并分析空气内有机污染物主要成分，该方法分析结果虽然较为精准，但其时间跨度较长，且城市工业区扩张速度较慢。因此，该方法较为浪费人力物力资源。

针对上述方法中存在的不足，本文提出环境空气中挥发性有机污染物特征研究方法，使分析环境空气内挥发性有机污染物方法更为便捷且有效缩短分析时长。

1 环境空气中挥发性有机污染物特征研究

1.1 研究区概况

以我国西北部H省为研究对象。该省位于盆地北部，其地形四面环山呈凹陷分布。四周山体较高导致该省大气扩散条件较差，其大气污染物容易聚集。该省属于煤炭生产和使用大省，其煤炭工业较为发达，特殊的地理条件和工业条件使该省的大气污染极为严重。依据该省城市工业区分布情况，采样点设置在其中部位置，其工业分布如图1所示。

图1 H省工业区与采样点分布示意Fig.1 Distribution of industrial areas and sampling points in the H Province

1.2 空气样本采集过程与保存

在H省采样点处，每天13:00开始持续2.5 h的恒流采样。所采集的空气样本详情见表1。在气样本采样过程中，使用容量为3.2 L且内壁经硅烷化的苏玛罐保存空气样本。

表1 空气样本采集时间与数量Tab.1 Collection time and quantity of air samples

在样本采集前，使用氮气对苏玛罐进行清洗处理，并经过抽真空处理后[9-11]，使苏玛罐内真空度接近5.8 Pa后备用。

在空气样本采集过程中，卸掉苏玛罐开口螺丝帽并连接被动式硅烷化空气采样控制器。

然后在固定的采样时间开启被动式硅烷化空气采样控制器，并到采样结束时间关闭即可[12-13]。经过上述过程即完成每日空气样品采集。将采集到的空气样本置于存储库内存储备用。

1.3 空气中挥发性有机污染物分析方法

分析空气内挥发性有机污染物时，使用硅烷化苏玛罐—大气浓缩仪—气相色谱—质谱法的方法对采集到的空气样本进行挥发性有机污染物的检测分析。其操作步骤：抽取280 mL空气样本，输送至浓缩仪内，使用该浓缩仪去除空气样本内的H2O、CO2、和N2等杂质气体后，对空气样本进行加温使挥发性有机污染物解析后[14-15]，将高纯的He作为载气，利用载气将部分挥发性有机污染物传送到GC-MSD/FID分析系统内。使用规格为55 m×0.80 mm的毛细管色谱柱将解析后的挥发性有机污染物分离到PLOT-Q柱内，使用FID分析挥发性有机污染物内存在的C2-C3烃类物质。载气将另一部分挥发性有机污染物传送到玻璃柱内[16-18]，使用MSD分析C4-C12烃类化合物。其中,在MSD分析过程中，分析的初始温度设定为28 ℃，持续时间为5 min。然后使用4 ℃/min的升温方式，使挥发性有机污染物温度上升至128 ℃后，保持15 min，至此分析结束。使用臭氧前体物、挥发性有机物作为标准混合气体，使用稀释仪器将标准混合气体稀释1.3、1.0、2.0、5.0、12 ppbv后，绘制5种稀释后标准样和空白样的曲线，将空气样本和标准样进行对比后即可获得挥发性有机污染物成分以及浓度等数据。

2 实验结果分析

使用第1节的空气样本采样方法和挥发性有机污染物分析方法，得到H省4个季度的空气常规挥发性有机污染物污染因子浓度水平，结果见表2。

表2 H省4个季度的空气常规挥发性有机污染物污染因子浓度水平Tab.2 Concentration levels of air conventional volatile organic pollutants in four quarters of H Province

分析表2可知，该省PM2.5和PM10在秋季和冬季的平均浓度和最大浓度较高，春季和夏季PM2.5和PM10的平均浓度和最大浓度较低，但该数值依然远高于国家规定浓度数值，说明该省常年PM2.5和PM10处于中度和重度超标状态。该省的二氧化硫在春季、夏季和秋季平均浓度较低，而在冬季均国家规定数值(60 μg/m3)高95.36 μg/m3，说明该省冬季环境空气中挥发性有机污染物内二氧化硫浓度占比较大。同样一氧化碳的平均浓度与最大浓度数值分布情况与二氧化硫相差不大。而二氧化氮则在秋季时平均数值较大，在冬季时的最大数值较高，说明在冬季时其污染天数较少，而在秋季时污染天数较多。8 h臭氧浓度平均值在春季、夏季和秋季的平均数值和最大数值均较高，冬季反而出现下降趋势，其说明臭氧受季节温度和太阳光照影响较大，在温度较高的季节对环境空气污染情况更加严重。综上所述，该省总体在秋冬季节污染较为严重，环境空气中的挥发性有机污染物浓度均较高，而冬季受臭氧污染情况有所降低。

表2给出H省常规挥发性有机污染物污染因子浓度水平，下面给出该省挥发性有机污染物单体浓度水平详情，见表3。分析表3可知，该省环境空气中挥发性有机污染物依据其化学构成可分为5类，分别是：烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃和卤代烃。不同化学构成类别内单体有机污染物化学物质分别有12种、6种、1种、9种和8种。

表3 H省挥发性有机污染物单体浓度Tab.3 Monomer concentration of volatile organic pollutants in H Province

从上述5种有机污染物化学构成成分的浓度占比来看，乙烷、丙烷、正丁烷、异戊烷、甲基环己烷、丙烯、乙烯、反-2-丁烯、乙炔、苯、甲苯、1,2,3-三甲苯、二氯甲烷和四氯乙烯的浓度占比均较高。因此，该省环境空气中挥发性有机污染物比重排序分别为烷烃>烯烃>炔烃>芳香烃>卤代烃。烷烃、烯烃和炔烃为该省环境空气内的主要挥发性有机污染物。

以该省环境空气内浓度占比较高的挥发性有机污染物：乙烯、乙炔、乙烷、丙烯、丙烷、正丁烯、异戊烷、甲苯、苯和乙苯为主要研究对象，分析上述几种挥发性有机污染物的污染成分在不同季节时的浓度变化情况，结果如图2所示。

由图2可知，上述10种主要挥发性有机污染物均在冬季浓度较高(丙烷除外)。大多数挥发性有机污染物在夏季浓度最低，原因是冬季该省室外草木凋零，无法进行光合作用吸收污染物。该省地理位置凹陷，冬季温度低，空气冷却收缩后密度增大导致气压升高，易形成热岛效应，使空气内挥发性有机污染物扩散范围增加。因此该省冬季环境空气内有机污染物浓度较高。从四季看，该省夏季环境空气质量较佳，其次是春季和秋季。综上分析，该省空气中挥发性有机污染物呈现的季节特征较明显。

图2 主要挥发性有机污染物成分不同季节浓度变化情况Fig.2 Concentration changes of main volatile organic pollutants in different seasons

以上从季节角度分析了空气内的挥发性有机污染物浓度变化情况，下面从环境温度、湿度和风速角度分析不同种类的挥发性有机污染物体积变化情况，结果如图3所示。分析图3可知，该省环境空气内挥发性有机污染物受当前环境温度、湿度和风速影响较大，但烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃和卤代烃的成分占比相差不大。其中上述5类挥发性有机污染物在环境空气中体积占比趋势与环境温度和风速趋势完全相反，即环境温度和风速数值越大，则5类挥发性有机污染物在环境空气中体积占比较小。而5类挥发性有机污染物在环境空气中体积占比趋势则与湿度曲线成正相关关系，当环境内湿度越大时，空气内的挥发性有机污染物体积分数越大。上述原因在于在下午时间段内，受太阳辐射作用影响，该省环境温度逐渐增加，一部分挥发性有机污染物被光合作用消耗掉。而风速越大时，该省的气流的边界层高度不断增加，使空气内的有机污染物扩散速度越大。因此，当环境中温度和风速越大时，环境空气中的挥发性有机污染物体积分数越小。而空气中湿度越大，空气中水珠越多其吸附挥发性有机污染物的能力越强，因此当环境湿度数值越大时，环境空气内的挥发性有机污染物体积分数越大。