環境空氣中揮發性有機污染物特征研究

路 楊，李法松

(1.安慶經濟技術開發區管理委員會，安徽 安慶 246000； 2.安慶師范大學 資源環境學院,安徽 安慶 246011)

空氣是人們賴以生存的必要條件，雖然目前各個國家的環保措施不斷提升[1-2]，但空氣環境治理依然是環境保護的重中之重。由于鄉村城市化不斷擴張，城市工業類型繁多使空氣中的揮發性有機污染物種類和體積分數不斷增加[3-4]，人們生活環境的空氣質量越來越差。揮發性有機污染物主要為烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴和鹵代烴以及小部分其他類組成，而不同區域環境內的揮發性有機污染物成分和體積分數也不同[5-6]。

為了有針對性地治理環境空氣污染問題，全面提升人們生活環境的空氣質量，研究環境空氣中揮發性有機污染物特征十分有必要。學者熊超等[7-8]分別研究了冬季重污染情況下空氣內揮發性有機物污染特征和城市郊區空氣內大氣揮發性有機物污染特征，前者利用有機物監測系統分析城市冬季空氣內有機污染物組成，但該方法使用的有機物監測系統對其測試環境要求較高，不具備普適性。而后者則持續6年針對城市郊區進行空氣采樣并分析空氣內有機污染物主要成分，該方法分析結果雖然較為精準，但其時間跨度較長，且城市工業區擴張速度較慢。因此，該方法較為浪費人力物力資源。

針對上述方法中存在的不足，本文提出環境空氣中揮發性有機污染物特征研究方法，使分析環境空氣內揮發性有機污染物方法更為便捷且有效縮短分析時長。

1 環境空氣中揮發性有機污染物特征研究

1.1 研究區概況

以我國西北部H省為研究對象。該省位于盆地北部，其地形四面環山呈凹陷分布。四周山體較高導致該省大氣擴散條件較差，其大氣污染物容易聚集。該省屬于煤炭生產和使用大省，其煤炭工業較為發達，特殊的地理條件和工業條件使該省的大氣污染極為嚴重。依據該省城市工業區分布情況，采樣點設置在其中部位置，其工業分布如圖1所示。

圖1 H省工業區與采樣點分布示意Fig.1 Distribution of industrial areas and sampling points in the H Province

1.2 空氣樣本采集過程與保存

在H省采樣點處，每天13:00開始持續2.5 h的恒流采樣。所采集的空氣樣本詳情見表1。在氣樣本采樣過程中，使用容量為3.2 L且內壁經硅烷化的蘇瑪罐保存空氣樣本。

表1 空氣樣本采集時間與數量Tab.1 Collection time and quantity of air samples

在樣本采集前，使用氮氣對蘇瑪罐進行清洗處理，并經過抽真空處理后[9-11]，使蘇瑪罐內真空度接近5.8 Pa后備用。

在空氣樣本采集過程中，卸掉蘇瑪罐開口螺絲帽并連接被動式硅烷化空氣采樣控制器。

然后在固定的采樣時間開啟被動式硅烷化空氣采樣控制器，并到采樣結束時間關閉即可[12-13]。經過上述過程即完成每日空氣樣品采集。將采集到的空氣樣本置于存儲庫內存儲備用。

1.3 空氣中揮發性有機污染物分析方法

分析空氣內揮發性有機污染物時，使用硅烷化蘇瑪罐—大氣濃縮儀—氣相色譜—質譜法的方法對采集到的空氣樣本進行揮發性有機污染物的檢測分析。其操作步驟： 抽取280 mL空氣樣本，輸送至濃縮儀內，使用該濃縮儀去除空氣樣本內的H2O、CO2、和N2等雜質氣體后，對空氣樣本進行加溫使揮發性有機污染物解析后[14-15]，將高純的He作為載氣，利用載氣將部分揮發性有機污染物傳送到GC-MSD/FID分析系統內。使用規格為55 m×0.80 mm的毛細管色譜柱將解析后的揮發性有機污染物分離到PLOT-Q柱內，使用FID分析揮發性有機污染物內存在的C2-C3烴類物質。載氣將另一部分揮發性有機污染物傳送到玻璃柱內[16-18]，使用MSD分析C4-C12烴類化合物。其中,在MSD分析過程中，分析的初始溫度設定為28 ℃，持續時間為5 min。然后使用4 ℃/min的升溫方式，使揮發性有機污染物溫度上升至128 ℃后，保持15 min，至此分析結束。使用臭氧前體物、揮發性有機物作為標準混合氣體，使用稀釋儀器將標準混合氣體稀釋1.3、1.0、2.0、5.0、12 ppbv后，繪制5種稀釋后標準樣和空白樣的曲線，將空氣樣本和標準樣進行對比后即可獲得揮發性有機污染物成分以及濃度等數據。

2 實驗結果分析

使用第1節的空氣樣本采樣方法和揮發性有機污染物分析方法，得到H省4個季度的空氣常規揮發性有機污染物污染因子濃度水平，結果見表2。

表2 H省4個季度的空氣常規揮發性有機污 染物污染因子濃度水平Tab.2 Concentration levels of air conventional volatile organic pollutants in four quarters of H Province

分析表2可知，該省PM2.5和PM10在秋季和冬季的平均濃度和最大濃度較高，春季和夏季PM2.5和PM10的平均濃度和最大濃度較低，但該數值依然遠高于國家規定濃度數值，說明該省常年PM2.5和PM10處于中度和重度超標狀態。該省的二氧化硫在春季、夏季和秋季平均濃度較低，而在冬季均國家規定數值(60 μg/m3)高95.36 μg/m3，說明該省冬季環境空氣中揮發性有機污染物內二氧化硫濃度占比較大。同樣一氧化碳的平均濃度與最大濃度數值分布情況與二氧化硫相差不大。而二氧化氮則在秋季時平均數值較大，在冬季時的最大數值較高，說明在冬季時其污染天數較少，而在秋季時污染天數較多。8 h臭氧濃度平均值在春季、夏季和秋季的平均數值和最大數值均較高，冬季反而出現下降趨勢，其說明臭氧受季節溫度和太陽光照影響較大，在溫度較高的季節對環境空氣污染情況更加嚴重。綜上所述，該省總體在秋冬季節污染較為嚴重，環境空氣中的揮發性有機污染物濃度均較高，而冬季受臭氧污染情況有所降低。

表2給出H省常規揮發性有機污染物污染因子濃度水平，下面給出該省揮發性有機污染物單體濃度水平詳情，見表3。分析表3可知，該省環境空氣中揮發性有機污染物依據其化學構成可分為5類，分別是：烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴和鹵代烴。不同化學構成類別內單體有機污染物化學物質分別有12種、6種、1種、9種和8種。

表3 H省揮發性有機污染物單體濃度Tab.3 Monomer concentration of volatile organic pollutants in H Province

從上述5種有機污染物化學構成成分的濃度占比來看，乙烷、丙烷、正丁烷、異戊烷、甲基環己烷、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濃度占比均較高。因此，該省環境空氣中揮發性有機污染物比重排序分別為烷烴>烯烴>炔烴>芳香烴>鹵代烴。烷烴、烯烴和炔烴為該省環境空氣內的主要揮發性有機污染物。

以該省環境空氣內濃度占比較高的揮發性有機污染物：乙烯、乙炔、乙烷、丙烯、丙烷、正丁烯、異戊烷、甲苯、苯和乙苯為主要研究對象，分析上述幾種揮發性有機污染物的污染成分在不同季節時的濃度變化情況，結果如圖2所示。

由圖2可知，上述10種主要揮發性有機污染物均在冬季濃度較高(丙烷除外)。大多數揮發性有機污染物在夏季濃度最低，原因是冬季該省室外草木凋零，無法進行光合作用吸收污染物。該省地理位置凹陷，冬季溫度低，空氣冷卻收縮后密度增大導致氣壓升高，易形成熱島效應，使空氣內揮發性有機污染物擴散范圍增加。因此該省冬季環境空氣內有機污染物濃度較高。從四季看，該省夏季環境空氣質量較佳，其次是春季和秋季。綜上分析，該省空氣中揮發性有機污染物呈現的季節特征較明顯。

圖2 主要揮發性有機污染物成分不同季節 濃度變化情況Fig.2 Concentration changes of main volatile organic pollutants in different seasons

以上從季節角度分析了空氣內的揮發性有機污染物濃度變化情況，下面從環境溫度、濕度和風速角度分析不同種類的揮發性有機污染物體積變化情況，結果如圖3所示。分析圖3可知，該省環境空氣內揮發性有機污染物受當前環境溫度、濕度和風速影響較大，但烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴和鹵代烴的成分占比相差不大。其中上述5類揮發性有機污染物在環境空氣中體積占比趨勢與環境溫度和風速趨勢完全相反，即環境溫度和風速數值越大，則5類揮發性有機污染物在環境空氣中體積占比較小。而5類揮發性有機污染物在環境空氣中體積占比趨勢則與濕度曲線成正相關關系，當環境內濕度越大時，空氣內的揮發性有機污染物體積分數越大。上述原因在于在下午時間段內，受太陽輻射作用影響，該省環境溫度逐漸增加，一部分揮發性有機污染物被光合作用消耗掉。而風速越大時，該省的氣流的邊界層高度不斷增加，使空氣內的有機污染物擴散速度越大。因此，當環境中溫度和風速越大時，環境空氣中的揮發性有機污染物體積分數越小。而空氣中濕度越大，空氣中水珠越多其吸附揮發性有機污染物的能力越強，因此當環境濕度數值越大時，環境空氣內的揮發性有機污染物體積分數越大。

圖3 不同環境溫度、濕度和風速情況下揮發性有機污染物體積變化情況Fig.3 Volume change of volatile organic pollutants under different ambient temperature,humidity and wind speed

3 結語

本文以某省為研究對象，研究該省環境空氣內的揮發性有機污染物特征。

(1)從成分角度看，該省環境空氣內主要揮發性有機污染物為乙烷、丙烷、正丁烷、異戊烷、甲基環己烷、丙烯、乙烯、反-2-丁烯、乙炔、苯、甲苯、1,2,3-三甲苯、二氯甲烷等。其中，涵蓋烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴和鹵代烴5種類別。

(2)從季節角度看，該省冬季環境空氣內的揮發性有機污染物濃度和體積分數比重較大，夏季則較小，春季和秋季相差不大。