車內揮發(fā)性有機物來源解析研究

朱振宇，王雷，劉雪峰

車內揮發(fā)性有機物來源解析研究

朱振宇，王雷，劉雪峰

（中國汽車技術研究中心有限公司 數(shù)據(jù)資源中心，天津 300300）

為研究車內揮發(fā)性有機物（VOCs）的來源，本研究利用環(huán)境領域中成熟的化學質量平衡受體模型（CMB）對某量產車型的車內VOCs進行了來源解析研究。研究表明，該車型車內VOCs主要為烷烴、烯烴類和芳香烴類物質，醇酚類、醛酮類、酯類物質含量較少；各零部件中VOCs分布較分散，大部分VOCs的質量分數(shù)都處于5%以下；車內VOCs的主要來源為儀表板總成、線束總成、立柱總成、門板總成、副儀表板總成、前排座椅總成、后排座椅總成和頂棚總成等零部件。

揮發(fā)性有機物；化學質量平衡受體模型；來源解析

前言

隨著我國汽車保有量的提高和消費者健康意識的增強，車內空氣質量問題引起了社會各界的廣泛關注[1]。車內揮發(fā)性有機物（VOCs）具有散發(fā)周期長、毒性大、易受環(huán)境影響等特點，處理不當會嚴重威脅駕乘人員身體健康[2]。目前，我國已出臺了HJ/T 400-2007《車內揮發(fā)性有機物和醛酮類物質采樣測定方法》[3]和GB/T 27630《乘用車內空氣質量評價指南》[4]兩個車內VOCs相關標準，前者規(guī)定了車內VOCs的檢測方法，后者規(guī)定了車內苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛等八種VOCs濃度要求，其中GB/T 27630《乘用車內空氣質量評價指南》正修訂為強制性國家標準。

為有效管控車內VOCs，需要對車內VOCs的來源進行研究。目前，行業(yè)內主要憑經(jīng)驗確定車內VOCs的主要來源，尚未形成成熟的模型方法。在環(huán)境大氣VOCs來源解析領域，化學質量平衡受體模型（CMB）受到廣泛的應用[5]。在環(huán)境領域，將大氣環(huán)境定義為受體，將污染來源定義為源。化學質量平衡受體模型（CMB）是由一組線性方程構成的，表示每種化學組分的受體濃度等于各種排放源類的成分譜中這種化學組分的含量值和各種排放源類對受體的貢獻濃度值乘積的線性和。由于該模型物理意義明確，算法日趨成熟而成為目前最重要最實用的受體模型。本研究將車內空氣定義為受體，將散發(fā)VOCs的各零部件定義為源，利用環(huán)境領域中成熟的CMB模型對車內VOCs來源進行解析研究，得到各零部件對車內VOCs的貢獻率。

1 CMB模型原理

假設存在著對受體中的VOCs有貢獻的若干源類（j），并且（1）各源類所排放的VOCs的化學組成有明顯的差別；（2）各源類所排放的VOCs的化學組成相對穩(wěn)定；（3）各源類所排放的VOCs之間沒有相互作用。那么在受體上測量的總物質濃度就是每一源類貢獻濃度值的線性加和。

式中：為受體中VOCs的總質量濃度，μg/m3；S為每種源類貢獻的質量濃度，μg/m3；為源類的數(shù)目，=1,2……J。

如果受體中的化學組分的濃度為C，那么公式（1）可以寫成：

式中：C為受體中化學組分的濃度測量值，μg/m3；F為第類源散發(fā)的化學組分的含量測量值，g/g；S為第類源貢獻的濃度計算值，μg/m3；為源類的數(shù)目，=1,2……J；為化學組分的數(shù)目，=1,2……I。

只有當≥時，方程組（2）有解。源類的貢獻率為：

2 試驗部分

2.1 整車樣品采集及處理

試驗所用車輛為某量產車型，為使研究結果與車輛實際使用狀態(tài)接近，將該車型的試驗條件定為65℃加熱2 h。具體測試程序如下：

（1）車輛在試驗前均除去內部構件表面覆蓋物（如出廠時為保護座椅、地毯等而使用的塑料膜），依據(jù)HJ/T 400-2007《車內揮發(fā)性有機物和醛酮類物質采樣測定方法》[3]，將試驗車輛推入環(huán)境艙中，打開試驗車的門窗通風6h。

（2）將聚四氟乙烯采樣管通過車門的最上邊縫隙伸入車內，固定在采樣點位置，封好車窗。參考ISO 12219-1《Whole vehicle test chamber-Specification and method for the determina -tion of volatile organic compounds in cabin interiors》[6]方法對整車進行加熱，待采樣點溫度達到65℃時保持2h，然后進行采樣。

（3）采樣方法依據(jù)HJ/T 400-2007《車內揮發(fā)性有機物和醛酮類物質采樣測定方法》[3]進行。

（4）將得到的總離子流色譜圖與NIST 05標準譜圖進行匹配檢索（檢索相似度大于85%），結合色譜保留時間對VOCs進行定性分析。采用外標法對VOCs進行定量分析，以目標化合物的含量為橫坐標，以扣除空白響應后的峰面積的平均值為縱坐標繪制標準曲線，對正己烷到十六烷之間物質濃度超過5μg/m3的盡可能多的峰面積進行積分，以甲苯的響應系數(shù)計算。

2.2 零部件樣品采集及處理

試驗所用的零部件全部為與試驗車輛對應的量產零部件，包括儀表板總成、副儀表板總成、地毯總成、隔音墊總成、立柱總成、門板總成、頂棚總成、遮陽板總成、前排座椅總成、后排座椅總成、遮物簾總成、線束總成、空調總成、方向盤總成、安全帶總成共15種。按照行業(yè)常用的袋子法對零部件進行檢測分析，為與整車試驗條件一致，將試驗條件定為65℃加熱2h。具體測試程序如下：

（1）將零部件放入符合要求的采樣袋中，在25℃環(huán)境下準確充入50±5%采樣袋體積的氮氣。

（2）將準備好的裝有零部件的采樣袋放入恒溫箱中，在65℃條件下進行散發(fā)試驗2h。散發(fā)試驗結束后，保持恒溫箱溫度65℃。

（3）輕拍采樣袋使其中氣體混勻，連接恒流氣體采樣泵，采樣管，進行氣體樣品的采集。

（4）對采集到的采樣管，將得到的總離子流色譜圖與NIST 05標準譜圖進行匹配檢索（檢索相似度大于85%），結合色譜保留時間對VOCs進行定性分析。采用外標法對VOCs進行定量分析，以目標化合物的含量為橫坐標，以扣除空白響應后的峰面積的平均值為縱坐標繪制標準曲線，對正己烷到正十六烷之間物質濃度超過5μg/m3的盡可能多的峰面積進行積分，以甲苯的響應系數(shù)計算。

3 結果與討論

3.1 整車VOCs成分特征分析

整車VOCs檢出物質共計101種，該試驗車輛車內VOCs首要為烷烴和烯烴類物質，占比達69.1%；其次為芳香烴類物質，占比達14.5%；醇酚類、醛酮類、酯類物質占比較小，分別為8.7%、4.3%、2.1%；此外，還包含少量苯并噻唑、乙酸、N，N-二甲基甲酰胺等物質。烷烴類和烯烴類物質主要來源于車內各種塑料件、橡膠件等材料的揮發(fā)。芳香烴類物質主要來源于內飾材料中含有的有機溶劑、助劑和添加劑等揮發(fā)性成分在使用中的釋放。此外在該試驗車輛中檢出了N，N-二甲基甲酰胺，該物質主要用作聚氨酯、聚丙烯腈、聚氯乙烯等的有機溶劑。

表1 零部件VOCs質量百分比

3.2 零部件VOCs成分特征分析

對試驗得到的零部件VOCs成分進行分析，將各零部件VOCs組分的濃度百分含量(Fij)按1%≤Fij＜5%，5%≤Fij＜10%，10%≤Fij＜20%，F(xiàn)ij≥20%劃分四檔，忽略Fij＜1%的物質，那么“落入”各檔中的化學組分如表1所示。

由表1可知，各零部件中VOCs分布較分散，大部分物質的質量分數(shù)都處于5%以下。

3.3 CMB來源解析結果

本研究使用南開大學開發(fā)的NKCMB3.0軟件進行源解析計算，將各源類的成分譜和受體成分譜納入NKCMB3.0模型，用NKCMB3.0軟件進行計算，得到各源類對車內空氣中TVOC的貢獻率，結果見圖1。

圖1 車內VOCs來源解析結果

由圖1可知，儀表板總成對整車VOCs貢獻率最高，達14%；其次為線束總成、立柱總成和門板總成，貢獻率均為13%；副儀表板總成的貢獻率為9%，前排座椅總成和后排座椅總成的貢獻率均為6%，頂棚總成的貢獻率為5%。由上圖可知，對整車VOCs貢獻較大的零部件為儀表板總成、線束總成、立柱總成、門板總成、副儀表板總成、前排座椅總成、后排座椅總成和頂棚總成等。

4 結論

（1）車內VOCs主要為烷烴、烯烴類和芳香烴類物質，醇酚類、醛酮類、酯類物質含量較少。

（2）各零部件中VOCs分布較分散，大部分VOCs的質量分數(shù)都處于5%以下。

（3）車內VOCs的主要來源為儀表板總成、線束總成、立柱總成、門板總成、副儀表板總成、前排座椅總成、后排座椅總成和頂棚總成等零部件。

[1] 朱振宇,劉雪峰,劉偉.關于車內氣味問題治理途徑探討[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展,2017,42(06):88-90.

[2] 陳小開,程赫明,馮莉莉.轎車內苯系物的健康風險評價[J].環(huán)境科學研究,2014,27(11):1331-1337.

[3] HJ/T 400-2007.車內揮發(fā)性有機物和醛酮類物質采樣測定方法[S].

[4] GB/T 27630-2011乘用車內空氣質量評價指南[S].

[5] John G. Watson, Judith C. Chow, et al., Review of volatile organic compound source apportionment by chemical mass balance [J]. Atmospheric Environment, 2001, 35: 1567~1584.

[6] ISO 12219-1.Whole vehicle test chamber-Specification and method for the determination of volatile organic compounds in cabin interi -ors[S].

Study on Source Analysis of Volatile Organic Compounds in Vehicles

Zhu Zhenyu, Wang Lei, Liu Xuefeng

（Automotive Data Center, China Automotive Technology and Research Center Co., Ltd., Tianjin 300300）

In order to study the source of volatile organic compounds (VOCs) in vehicles, this study analyzed the source of VOCs in a vehicle by using the mature chemical mass balance receptor model (CMB) in the field of environment. Studies show that VOCs in this vehicle mainly consist of alkanes, alkenes and aromatic hydrocarbons, while the contents of alcohol phenols, aldehydes, ketones and esters are relatively low. Among the components, VOCs are scattered, and the quality fraction of most VOCs is below 5%.The main sources of VOCs in this vehicle are instrument panel assembly, wiring harness assembly, column assembly, door panel assembly, sub-instrument panel assembly, front seat assembly, back seat assembly and ceiling assembly.

Volatile organic compounds; Chemical mass balance receptor model; Source analysis

A

1671-7988(2019)21-208-03

O741

A

1671-7988(2019)21-208-03

朱振宇，就職于中國汽車技術研究中心有限公司數(shù)據(jù)資源中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.074

CLC NO.: O741