沥青VOCs排放特征及不同抑制剂减排效果探究

续竞台

（中建路桥集团有限公司，河北 石家庄 050011）

0 引言

沥青路面是道路建设的主要路面类型，是道路基础设施的重要组成部分，在建养和运维全周期均会产生不同程度的“挥发性有机物（Volatile organic compounds，简称VOCs）”，对环境造成负面影响[1]。曹佳慧等[2]利用GC-MS定量分析了沥青VOC中多环芳烃类16种有毒化合物。Luo等[3]通过分析热拌沥青混凝土施工现场的VOCs排放，发现苯并芘含量约为空气许可含量的111倍，比强致癌标准的浓度高11.7倍；Long等[4]研究了活性炭对沥青VOCs排放的抑制效果和机理。Li等[5]研究了有机化蒙脱土对沥青VOCs释放量及老化的影响，结果表明有机化蒙脱土能有效抑制沥青VOCs排放。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取某市城郊道路建设所用70号基质沥青（A）作为研究对象，针对不同种类抑制剂（活性炭、膨胀石墨和镁铝水滑石）探究其对沥青VOCs的减排效果，沥青材料和抑制剂的具体信息如表1所示。

表1 沥青材料的基本信息

1.2 试验方法

在实验室内模拟沥青VOCs的排放，试验设备如图1所示。沥青VOCs具体收集方法如下：取50g沥青材料置于三颈烧瓶中，加热沥青至流动状态开启搅拌器，搅拌速率设置为400r/min，并根据每种沥青施工差异，将沥青材料进一步加热至现场拌和温度（如表1所示），开启采样泵，泵速设置为1.2L/min。在保温10min后，用特氟龙气袋或苏玛罐采气，采气时长为30s。

图1 实验室内沥青VOCs采样装置

图2 VOCs组分趋势

1.3 沥青VOCs检测方法

沥青VOCs种类复杂，主要包括烷烃、芳香烃、烯烃、酮类等组分[6]。本文参照美国EPA推荐TO-15技术方法分析沥青VOCs中的物种，利用色谱质谱联用仪（GC-MS）对沥青VOCs物种开展定量分析。色谱柱升温程序为：35℃，保持9min；以10℃/min升至100℃，保持1min；再以5℃/min升至150℃；最后以12℃/min升温至220℃。

1.4 VOCs环境影响分析

为表征所选抑制剂制备的VOCs抑制型沥青减排对环境负荷减轻的效果，选用最大反应性（MIR）和二次有机气溶胶生成潜势方法计算各类VOCs抑制型沥青材料VOCs的OFP和SOAFP[7]，公式如下：

式中：OFP—沥青VOCs总臭氧生成潜势，mg/m3；SOAFP—沥青VOCs总二次有机气溶胶生成潜势，mg/m3；OFPi—沥青VOCs中第i个物质臭氧生成潜势，mg/m3；SOAFPi—沥青VOCs中第i个物质二次有机气溶胶生成潜势，mg/m3；VOCsi—沥青VOCs中第i个物质的质量浓度，mg/m3；MIRi—沥青VOCs中第i个物质对应的臭氧生成系数，无量纲；FACi—沥青VOCs中第i个物质对应的二次有机气溶胶生成系数[8-9]，无量纲。

1.5 抑制效果评价

定义抑制型沥青的VOCs抑制效率ηi为：

式中：ηi—抑制型沥青的VOCs抑制率，%；Ni1—基质沥青的VOCs排放及其环境影响情况；Ni2—抑制型沥青的VOCs排放及其环境影响情况，其中i为1、2、3分别代表VOCs排放浓度、臭氧生成潜势、二次有机气溶胶生成潜势。

2 结果与讨论

2.1 沥青VOCs排放特征

实验室内沥青VOCs测试结果表明，70号基质沥青VOCs排放浓度为：24.134mg/m3。沥青VOCs中烷烃、烯烃、芳香烃、OVOCs、卤代烃及其他组分浓度依次是12.115mg/m3、0.907mg/m3、3.747mg/m3、7.323mg/m3、0.040mg/m3和0.002mg/m3。进一步将各组分的臭氧生成潜势和二次有机气溶胶生成潜势结果汇总于表2，可以看出该沥青VOCs的臭氧生成潜势为69.242mg/m3，二次有机气溶胶生成潜势为35.078mg/m3。

表2 沥青VOCs排放情况汇总

进一步将各组分VOCs排放对排放浓度、臭氧生成潜势、二次有机气溶胶生成潜势的贡献汇总如图所示2。可以看出，沥青VOCs中烷烃、OVOCs和芳香烃3个组分对于排放浓度贡献较大，烯烃贡献较小，卤代烃和其他组分的贡献程度可以忽略不计；对于臭氧生成潜势，OVOCs和芳香烃两个组分贡献较大，烷烃和烯烃的贡献略低于OVOCs和芳香烃，卤代烃和其他组分的贡献可以忽略不计；对于二次有机气溶胶生成潜势，烷烃和芳香烃组分是其全部来源（99.99%），烯烃、OVOCs、卤代烃和其他等组分对二次有机气溶胶生成潜势基本无贡献。

综上所述，沥青VOCs中，烷烃组分对VOCs浓度和二次有机气溶胶生成潜势贡献突出，对臭氧生成潜势贡献减弱；OVOCs对VOCs浓度和臭氧生成潜势贡献大，对二次有机气溶胶组分贡献虽低于烷烃组分，但其对臭氧生成潜势的贡献远大于烷烃，这主要是因为不同组分内的物质反应活性不同；芳香烃在VOCs浓度中贡献远低于烷烃和OVOCs，但其对臭氧生成潜势和二次有机气溶胶的贡献较大。这进一步说明了沥青VOCs中各组分排放对生态环境具有差异性的影响。

2.2 不同种类抑制剂减排效果对比

前文分析了70号基质沥青的VOCs排放情况，可以看出，沥青VOCs不同组分排放对臭氧和二次有机气溶胶的生成具有差异性影响，需要进一步对比分析不同种类抑制剂对沥青VOCs的减排效果。

图3汇总了不同种类抑制剂对沥青VOCs排放情况影响的对比结果。可以看出，A-Y1-5%抑制剂掺入后沥青VOCs浓度、二次有机气溶胶生成潜势、臭氧生成潜势降低最明显。抑制剂掺入后VOCs浓度和臭氧生成潜势均呈现降低趋势，但二次有机气溶胶生成潜势却并非均呈现降低趋势。

图3 70号基质沥青及其VOCs抑制型沥青的VOCs排放情况比较

为了进一步明晰抑制剂掺入后VOCs排放降低情况，将抑制剂掺入后沥青VOCs各组分浓度抑制率、臭氧生成潜势抑制率、二次有机气溶胶生成潜势抑制率汇总如图4～图6所示。

图4 VOCs各组分排放浓度抑制率（a）3 %掺量（b）5 %掺量

由图4可以看出，3%掺量下，Y1和Y2抑制剂对烯烃和OVOCs组分浓度减排效果明显，Y3抑制剂对烯烃、芳香烃、OVOCs和卤代烃组分浓度减排效果明显；随着掺量的增加，仅Y1抑制剂对各组分浓度抑制率均有增加。

由图5可以看出，3%掺量下，Y1抑制剂对烯烃、OVOCs、卤代烃组分的臭氧生成潜势减排效果明显，Y2抑制剂仅对烯烃和OVOCs组分的臭氧生成潜势减排效果明显，Y3抑制剂对各组分的臭氧生成潜势均存在明显的减排效果；随着掺量的增加，仅Y1抑制剂对各组分浓度抑制率明显增加。

图5 VOCs各组分臭氧生成潜势抑制率（a）3%掺量（b）5%掺量

由图6可以看出，3%掺量下，Y1和Y2抑制剂对各组分的二次有机气溶胶生成潜势均未起到明显减排效果，Y3抑制剂对芳香烃组分的二次有机气溶胶生成潜势有轻微减排效果；随着掺量的增加，Y1抑制剂对烷烃和芳香烃组分的二次有机气溶胶生成潜势减排效果增强。

图6 VOCs各组分二次有机气溶胶生成潜势抑制率（a）3 %掺量（b）5 %掺量

综上所述，抑制剂掺入后的总体浓度降低并不等同于各组分浓度同时降低，这说明抑制剂对VOCs组分具有选择吸附性；同时VOCs浓度的降低也不等同于其对生态环境影响的减弱，这主要是因为VOCs组分反应活性不同与抑制剂的选择吸附性。

3 结束语

烷烃、OVOCs及芳香烃是沥青VOCs排放浓度的主要贡献组分，OVOCs和芳香烃组分对沥青VOCs的臭氧生成潜势贡献较大；烷烃和芳香烃组分对沥青VOCs的二次有机气溶胶生成贡献较大，A-Y1-5%抑制剂对沥青VOCs排放的生态环境具有最优的净化作用，抑制剂具有选择吸附性，沥青VOCs总浓度的降低并不等同于各组分浓度同时降低；各组分的反应活性不同，沥青VOCs浓度降低并不等同于其生态环境影响的减低。因此，在研究VOCs抑制型沥青减排效果时，需要更全面地关注其对生态环境具体影响情况的改善。