大氣環境中VOC的組成及其氣相色譜檢測方法研究

王帥

摘 要：揮發性有機物中包含了多類對人體有害的物質，長期暴露在含有VOC的環境中會對人體造成嚴重的傷害，輕者導致疾病發生，重者危及到生命健康安全。VOC成分復雜，種類繁多，本文就大氣環境中VOC的組成及其氣相色譜檢測作簡要闡述。

關鍵詞：大氣環境 VOC組成 氣相色譜檢測

中圖分類號：O657 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（c）-0109-03

Abstract：Volatile organic compounds contain a variety of harmful substances in the human body， long-term exposure to the environment containing VOC will cause serious harm to the human body. Light leads to disease， serious harm to the health and safety of life. VOC composition is complex， a wide variety. In this paper， the composition of VOC in atmosphere and its gas chromatographic detection are briefly introduced.

Key Words：Aatmospheric environment； Composition VOC； Gas chromatography

VOC不只是影響到人體健康，對大氣環境也有嚴重的影響。VOC中的某些化合物可以與大氣中的某些氣體反應，而且VOC能夠在對流層中存在時間較長、傳輸的距離遠、影響范圍大，其中的某些物質與大氣中的某些物質反應后，生成物可以破壞臭氧層，從而帶來一系列的問題。

1 VOC概述

關于VOC沒有準確的定義，不同的組織對其定義不同。比如世貿組織就將其定義為沸點在50℃～260℃范圍內，蒸氣壓超過了133.32Pa時，以蒸氣形式存在于空氣中的有機物。而美國聯邦環境調查署則將其定義為，除過一氧化碳，二氧化碳，金屬碳化物，金屬碳酸鹽之外，其他所有能夠參與到光化學反應的碳化合物。我國將其定義為通過采樣并利用非極性色譜柱進行分析，保留時間在正已烷與十六烷之間的有機化合物。

VOC的種類非常多，理化性質與化學結構都不一樣。但是其基本的共同點是易燃燒，不溶于水，揮發性與刺激性。VOC的來源非常廣，人類活動與自然都會產生VOC。相比較而言，人類活動所產生的VOC占到了總量的絕大部分。如車輛排放的尾氣，燃油后產生的氣體，油漆，涂料，溶劑使用等。除此之外，建材與家具等也會產生VOC氣體。

VOC造成的影響非常嚴重。由于VOC包含了多種化合物，其中許多都對人體健康有影響。并且某些成份的濃度要大于室外濃度。含有有機物的制品在施工安裝甚至是使用的過程中都會產生大量的VOC。人體長期暴露在污染物中，容易造成中毒。嚴重的可能會出現昏迷甚至是生命危險。慢性中毒的表現有身體無力，皮膚瘙癢，免疫與分泌功能會受損害，致癌的概率會大幅的增加。對于兒童而言主要是破壞神經系統，是造成后天疾病的重要原因。

VOC防治工作要從多個方面入手，由于形成VOC的條件是非常復雜的，防治工作要想取得效果，就必須要從形成VOC的因素入手，有針對性的采取措施。通常對VOC的治理是從源頭進行防治，也可以通過吸附劑，光氧化，化學氧化等方法進行處理。

2 VOC檢測

2.1 相關標準與規定限值

通過發揮性有機化合物總量方法對空氣中的VOC進行測定，而室內空氣質量標準對VOC的限定值作為相應的限定。

與國內相比，國外標準更加嚴格，并且對于空氣中的污染物規定更加細致。現行規定存在的另一個問題是測定組分過少。能夠準確定性測量的VOC較少，如苯，二甲苯，對，間二甲苯，苯乙烯，乙苯，十一烷，無法滿足實際檢測工作的需要。我國推薦的環境重點監測物質有82種，分類如表2所示。

2.2 采樣方法

當污染程度比較高時，由于空氣中的VOC濃度高，可以采集少量的空氣開展測定工作。如果檢測的方法靈敏度較高，也可以直接采樣。直接采樣方法通常利用的是采樣袋與采樣罐。對于前者的要求是，材質不能與空氣中的VOC發生化學反應或者是吸附作用。密封性要好，不會滲漏。常用的材質有聚酯，聚乙烯等。為了避免內壁對VOC的吸附量產生影響，袋內壁通常會襯膜并且一般是金屬膜。

罐采樣需要注意到采樣罐的清潔與選擇。采樣工作要依據要求進行并且確保罐體的密封性。避免樣品污染或者是受到損失。利用罐采樣的方法可以避免吸附劑穿漏，吸附性，分解與解吸等問題，但是該方法前期投入較大、成本高，在國內使用較少。

在理想狀態下，吸附劑應該具備的特點有較大的吸附量，即安全采樣體積盡可能大，吸附是可逆的，容易脫附。VOC與吸附劑不會產生反應、對水的吸附能力低。熱穩定性與水熱穩定性較好。再生測能力強，可以重復性使用。吸附劑可以單獨使用也可以重復性使用。室內空氣質量標準對苯與VOC采樣有規定，二者需要分開進行。

2.3 測定方法

氣相色譜法簡稱GC，是色譜法的一種。色譜法中有兩個相，一個相是流動氣相，另一個相是固定相。如果用液體作流動相，就叫液相色譜，用氣體作流動相，就叫氣相色譜。氣相色譜法由于所用的固定相不同，可以分為兩種，用固體吸附劑作固定相的叫氣固色譜，用涂有固定液的單體作固定相的叫氣液色譜。按色譜分離原理來分，氣相色譜法亦可分為吸附色譜和分配色譜兩類，在氣固色譜中，固定相為吸附劑，氣固色譜屬于吸附色譜，氣液色譜屬于分配色譜。按色譜操作形式來分，氣相色譜屬于柱色譜，根據所使用的色譜柱粗細不同，可分為一般填充柱和毛細管柱兩類。一般填充柱是將固定相裝在一根玻璃或金屬的管中，管內徑為2～6mm。毛細管柱則又可分為空心毛細管柱和填充毛細管柱兩種。空心毛細管柱是將固定液直接涂在內徑只有0.1～0.5mm的玻璃或金屬毛細管的內壁上，填充毛細管柱是近幾年才發展起來的，它是將某些多孔性固體顆粒裝入厚壁玻管中，然后加熱拉制成毛細管，一般內徑為0.25～0.5mm。endprint

在實際工作中，氣相色譜法是以氣液色譜為主。利用物質的沸點，吸附性與極性存在的差異實現對混合物的分離，其特點體現在靈敏度高，選擇性高，應用的范圍廣，分析所需要的時間短，在多組分混合物分離中應用十分廣泛。

室內空氣質量標準中對苯的測量利用的是氣相色譜，檢測儀器是氫火焰離子化檢測器。工作場所的VOC測量，由于種類不同，色譜柱與條件柱也不一樣。

3 VOC色譜檢測方法

3.1 色譜柱填裝

前期的準備工作包括了儀器與試劑的準備，凝膠滲透色譜分子測定等。儀器主要有電子天平，循環水室真空泵，氣相色譜儀，色譜系統等。試劑包括了甲苯，甲醇，分子篩，對二甲苯，正十一烷，鄰二甲苯，乙酸正丁酯，間二甲苯，苯乙烯，乙酸乙酯，氮氣，正癸烷，乙醇正丙酯。

聚鄰苯二甲酸二醇酯制備時，將相關的物質添加到3口燒瓶反應系統中，添加比例為1∶1，經過加熱回流等一系列反應后，干燥。

取適量的擔體于燒杯中，加入蒸餾水，標準為蒸餾水淹沒擔體為宜。用玻璃棒翻動并靜默置，直到顆粒物下沉而粉末懸浮，將上層水利用傾析法倒出，經過重復性洗滌，當燒杯中的水透明時則可以停止。洗滌過程中需要注意的是防止擔體破碎，將洗凈的擔體去除水分。色譜柱在填充的時候，在管尾塞入不銹鋼絲小球，將尾端與循環水式真空泵相連接并連接塑料漏斗，開啟真空泵將固定相倒入漏斗并做好標記工作，裝填好的柱子在使用之前需要將固定液中的雜質去除。

3.2 不同固定相對VOC的保留特性

VOC在柱上保留在時間會隨著溫度的上升而變短，柱的溫度越高，則VOC容量因子就越小。容量因子隨溫度上升而出現的變化會由于VOC的種類不同而存在差異。烷烴類的容量因子受溫度變化的情況較小，而芳香烴類則受溫度的影響較大。

在色相譜生條件相同的情況下，物質的分離程度與分配系數之間存在著聯系。分配系數越接近，物質分離的難度就越大，如乙苯與二甲苯，由于系數相近，在色柱上分離的難度就非常大并且二者變化與溫度上升的幅度是保持一致的。某些溫度范圍內某些物質分離工作存有一定困難，當將溫度持續升高，達到一定程度時，分離工作就會變得很容易。不同物分離時需要的溫度不同，而保留指數則是定性指標的一種參數。保留值標準用于定義分析中，在國際應用的范圍十分的廣泛。

分子在運動過程中會產生安空間位組，由于自身扭動造成了分子變形。兩種作用會導致瞬間偶極產生，當分子移動到偶極之間時，就會產生引力。無論是極性物質或者是非極性的物質，都會產生色散力，并且色散力的變化會隨著碳鍵增長與分子量增大而變化，碳鍵越長，分子量越大，物質在色柱上保留的時間就會越長。

3.3 單一固定相對難分離物質的選擇性

氣相色譜中用分離度來表示相鄰色峰的分離程度。R與α是正比關系，但是從圖1中斜率來看，α對R的影響更加顯著。α大小與待分離的分離物的性質有關，只需要將α的增大跨度進行微調就可以提高分離度。當其數值接近于1的時候，其分離的難度最大。要完成分離工作就必須要延長柱長。在盡可能縮短時間的前提下對VOC中的成分進行分離，最好的方法就是改變選擇因子大小。選擇因子提升的方法有以下幾個方面：改變柱溫、改變流動相、改變固定相的組成。在所有方法中，固定相組成與柱溫改變其效果最為顯著。當流動相與固定相確定時。可以將一對物質的選擇因子看作是溫度的函數。而選擇因子通常將其定義為，在一定分離條件下，保留時間大的組分與時間小的組分調整保留時間的比值。

3.4 單一固定相對乙苯、間二甲苯選擇性

在所有的固定相上，乙苯與間二甲苯的分離難度是最大的，由于沸點與極性非常接近。在不同色譜柱柱溫下，選擇因子值基本上比較低。在柱溫降低的過程中，選擇因子值會出現增大的趨勢。相比較而言，乙苯與間二甲苯的分離難度是最小的。由于兩種物質均為同分異構體，極性大小上存在差異，但是差異比較小，因此在分離的過程中難度較大。在所有固定相上對二甲苯與間二甲苯分離的難度都非常大。而在聚酯上間、對二甲苯與乙苯分離難度大的問題則可以有效地解決。提升乙苯與間、對二甲苯選擇因子，可以通過降低柱溫的方式，但是該方法會延長分析時間，鑒于此可以考慮通過改變固定相組成的方法來提高選擇因子。

4 結語

VOC的形成既有人類社會活動的原因也有自然原因，但是前者帶來的影響要明顯大于后者。空氣中VOC的濃度過高，會給環境造成巨大影響。最為重要的是對人體健康造成危害。就VOC形成的原因而言，涉及到人類活動的多個方面，因此VOC防治工作難度較大、涉及的面廣、需要的時間周期長。

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