便攜式VOCs檢測設備技術現狀分析

(1.北京海岸鴻蒙標準物質技術有限責任公司，北京 100037 ；2.鋼研納克檢測技術股份有限公司，北京 100081；3.阿米檢測技術有限公司，北京 100079)

揮發性有機物(VOCs)是指參與大氣光化學反應的有機化合物，包括非甲烷烴類、含氧有機物、含氯有機物、含氮有機物、含硫有機物等。VOCs是臭氧、二次有機顆粒物(SOA)生成的主要前體物，其既能與碳氫、氮氧化合物反應生成臭氧，又能與大氣中的顆粒物生成有機溶膠，對氣候變化也有深遠的影響。

自《大氣污染防治行動計劃》實施以來，全國二氧化硫、氮氧化物、煙粉塵排放控制取得明顯進展，但VOCs排放量仍呈增長趨勢，對大氣環境的影響日益突出。相對于顆粒物、二氧化硫、氮氧化物污染的控制，VOCs管理基礎薄弱，存在源頭控制力度不足、無組織排放問題突出、治污設施簡易低效等問題，VOCs已經成為改善環境空氣質量的重點監測因子。目前國家或者行業標準中關于VOCs的監測均采用傳統的實驗室氣相色譜法，傳統實驗室檢測周期需要幾個小時，無法保證數據的及時性；另外VOCs的濃度、化學成分隨時都在變化，樣品采集后送達實驗室檢測無法真實反映當時VOCs含量。環境空氣監測具有很強的時間性和空間性，迫切需要攜帶方便、檢測速度快、靈敏度高、分辨能力強的分析儀器。

目前，便攜式檢測技術均來源于實驗室離線技術，在使用相同技術原理的情況下，通過創新集成和優化技術，將原有重量和體積較大的離線設備轉變為便攜式的檢測設備。常用的VOCs檢測技術主要有氣相色譜檢測技術、催化檢測技術、光譜檢測技術、電化學傳感器檢測技術等。

1 氣相色譜檢測技術

便攜式氣相色譜儀將傳統意義上的氣相色譜儀微型化、便攜化，既保留了氣相色譜儀強大的分離和定量分析能力，又克服了傳統氣相色譜儀法采樣時間長、樣品運輸損失、檢測時效性差等缺陷，滿足現場、在線、快速分析的要求。

1.1 GC-FID檢測技術

FID是一種典型的質量型檢測器，以氫火焰為電離源，使有機物電離，產生微電流而獲得響應。FID檢測器的突出優點是幾乎對所有有機物均有響應，且與待測物質所含碳原子數成正比，而與其化學結構無關，便于定量分析。同時，FID檢測器對H2O、CO2和CS2等無機物不敏感，對氣體流速、壓力和溫度變化也不敏感，響應穩定可靠。

便攜式GC-FID氣相色譜儀內置采樣泵，采用雙色譜柱多通閥設計，利用機械多通閥切換采樣與進樣狀態，載氣將定量環中的樣品送至FID檢測器進行分析。張云等[1]通過考察氫氣、空氣、輔助氣和檢測器溫度等參數，將GC-FID技術應用于便攜式氣相色譜儀。便攜式氣相色譜不僅用于非甲烷總烴(NMHC)的監測，還適用于空氣中苯系物的現場快速監測[2，3]。便攜式GC-FID設備靈敏度高、線性好、測量范圍廣泛，是目前國內外VOCs檢測使用最廣泛方法。我國生態環境部發布的《HJ 1012環境空氣和廢氣便攜式總烴甲烷和非甲烷總烴監測儀技術要求及檢測方法》推薦使用該方法。目前市場上便攜GC-FID的主要生產商有聚光科技、上海森普、賽默飛、華電等。匯總公開發布的設備性能參數(如表1)，便攜式GC-FID氣相色譜儀將分析監測系統高度集成，將分析周期控制在2min以內，采用電池、氣源一體化設計，設備重量控制在15kg以內，便于輕松攜帶。不同生產廠商的電池持續供電時長以及氣瓶持續供氣時長存在差異。

表1 便攜式GC-FID性能比較

1.2 GC-MS檢測技術

VOCs種類達數百萬種，性質復雜，僅僅通過非甲烷總烴的檢測數據無法精確鑒別特征污染物的種類以及精確排放量。便攜式氣相色譜質譜聯用儀(GC-MS)將傳統的氣相色譜和質譜集成一體，將氣相色譜的分離能力與質譜的高分辨定性能力相結合，實現對VOCs高效定性、定量分析，是國際上檢測VOCs的有效檢測手段之一。便攜式GC-MS應用于環境空氣污染應急監測，為污染源的快速排查和確定提供了有效證據，為政府進一步保護公眾身體和財產的安全提供了可靠的保障[4，5]。目前市場上便攜式GC-MS氣質聯用儀的主機重量均小于20kg，檢測速度可提高到實驗室GC-MS的4倍左右，大大提高了現場檢測效率。

1.3 GC-PID檢測技術

PID是一種非破壞性的檢測器，樣品前處理簡單，線性范圍寬、靈敏度高，對大多數有機物可產生響應信號，特別對芳烴和烯烴具有選擇性。PID傳感器技術主要應用于在線監測設備、手持式報警等領域，多用于泄露監測、報警監測。

便攜式GC-PID檢測儀，結合氣相色譜以及PID檢測器的優點，實現多種揮發性有機化合物的監測。與便攜式GC-FID檢測儀相比，GC-PID檢測儀結構更簡單，分析周期更短，運維成本也更低，是目前市面上常用的便攜式大氣環境質量監測設備。PID傳感器對溫度、濕度較為敏感，無法實現混合物質中單個物質的定量檢測，只能測定TVOC。另外PID對甲烷無響應，不能檢測甲烷和非甲烷總烴，只能檢測TVOC和特征組分，因此其應用領域相比于其它技術相對較窄。

2 催化檢測技術

2.1 催化+FID檢測技術

催化+FID檢測設備利用催化轉化原理，將待測氣體高溫轉化后采用FID檢測非甲烷總烴的濃度。催化-FID便攜設備需采用甲烷切割器，分別檢測總烴和甲烷濃度，通過計算才能得出非甲烷總烴的濃度。便攜催化-FID檢測周期僅為2秒，響應速度快，適用于不同工況的需求，尤其在監測高溫、高濕、高濃度或者復雜氣體時，催化-FID檢測技術相對于GC-FID擁有很大的優勢，成為目前市面上常用的便攜式固定污染源監測設備。鑒于催化-FID檢測技術的優勢，歐盟《固定源排放源煙氣總有機碳的測定-連續氫火焰離子檢測器法》(EU 12619:2013)、我國HJ 1012《環境空氣和廢氣總烴、甲烷和非甲烷總烴便攜式監測儀技術要求及檢測方法》、北京市地標DB11/T 1367《固定污染源廢氣甲烷-總烴-非甲烷總烴的測定便攜式氫火焰離子化檢測器法》均推薦使用該方法。

2.2 催化+NDIR檢測技術

非色散紅外傳感器(NDIR)是一種由紅外光源、光路、紅外探測器、電路和軟件算法組成的光學傳感器，適用于部分無機以及大多數有機化合物的檢測。NDIR傳感器具有穩定性優異，維護成本低等特點，廣泛應用于環境氣體分析監測領域[6]。

催化+NDIR是一種新興的分析方法，該方法通過間接分析有機物轉化成CO2的濃度反推空氣中有機物的濃度。ISO 13199:2012《固定源廢氣非燃燒工藝總VOCs的測定-非色散紅外結合催化轉化法》支持使用該原理檢測VOCs。采用催化+NDIR原理組成的設備小巧便攜，運維費用低、成本低廉，適用于園區環境空氣質量的監測。

3 光譜檢測技術

3.1 FTIR檢測技術

傅里葉變換紅外光譜技術(FTIR)通過精準控制兩相干光光程差的干涉儀，測量得到光強隨光程差變化參數。將包含各種光譜信息的干涉圖進行傅立葉變換得到實際的吸收光。FTIR便攜式氣體分析儀工作原理是基于傅里葉變換紅外光譜技術，具有分析速度快，定性功能強，操作簡單，維護量小的特點，常用于環境空氣質量以及突發環境事件監測[7]。我國生態環境部發布的《環境空氣和廢氣VOCs組分便攜式傅里葉紅外監測儀技術要求及檢測方法》(HJ 1011-2018)，對使用該技術原理的檢測設備提出了明確的要求。FTIR技術成熟，可用于有機和無機物的檢測，特別針對一些特異性的氣體物質有非常好的響應，制作成便攜設備難度相對較低。但該儀器受光譜干擾影響，難以對復雜環境氣體準確定性定量。此外，樣品中如水分過高會對測試結果產生嚴重干擾，對于低濃度環境樣品的定性和定量準確性不高。

3.2 UV-DOAS檢測技術

UV-DOAS可同時對無機氣體和有機氣體進行定性和定量分析，測量精度高。同NDIR、FTIR方法相比，穩定性更高，抗干擾能力強，不受水分影響，目前已逐步在煙氣分析領域、環境監測領域特別是環境空氣質量監測領域應用，也是國外煙氣監測領域的推薦性技術[8]。如美國Cerex UV Hound便攜式多組分氣體分析儀，可對20多種氣體進行定量分析。目前該技術的進口設備為數不多，價格高，而國產設備目前還處于研發測試階段，主要應用于區域環境空氣質量監測。

4 電化學傳感器檢測技術

電化學氣體傳感器(ES)是一種化學傳感器，通過利用兩個電極間的化學電位差，確定測量物質的濃度。目前電化學傳感器技術已經非常成熟，具有響應時間快，成本低、體積小，可跟PID或多個電化學傳感器組合使用的特點，被廣泛應用于污染物監測方面，特別針對特異性污染物監測[9]。由于檢出限高，且受干擾影響較大，因此尚不能應用于對檢測結果要求較高的場合，多用于特征性污染物的報警。

5 便攜式VOCs檢測設備比較

綜上所述，不同工作原理的VOCs便攜式檢測設備具有不同的特性，適用于不同的工作環境。比較市面上便攜式VOCs檢測設備(表2)，便攜式GC-FID、催化-FID、GC-MS既適用于環境空氣監測，又適用于固定污染源監測。便攜式GC-FID、催化-FID均可以在2分鐘內快速完成VOCs的檢測，價格在30～50萬元左右。便攜式 GC-MS在 15 min 內能定性定量多種目標物，但是該設備運維成本高，設備價格也最高。光譜檢測技術原理設備適用于特征污染物的監測，具有檢測周期短，運維成本低、價格低廉等特點。光譜類設備容易受環境干擾，不適用于高溫、高濕等固定污染源VOCs的監測，常用于大氣泄露監測、手持式報警。UV-DOAS比FTIR檢測設備成本更低廉，因此常被應用到大氣檢測產品當中。ES多用于特征性污染物的報警。

表2 便攜式VOCs檢測設備比較

6 結論

目前VOCs的管控和治理仍將是我國環境污染治理的重點工作。便攜式VOCs檢測技術將在環境質量抽查、應急檢測、執法檢測中發揮重要的作用。在環境科學的推動下，各種工作原理的監測設備層出不窮。目前我國的便攜設備相關技術標準體系正逐步建立，輕巧便攜、操作簡單、數據精準可靠的便攜設備將成為未來VOCs檢測領域的重要方向。加快便攜式VOCs監測儀的應用研究和技術規范研究，提高監測數據的時效性、結果的準確性，提升設備的便攜性，將為環境空氣質量管控提供有力的技術支持。