大氣環(huán)境中VOC的監(jiān)測分析

劉明清

（廣州廣電計量檢測股份有限公司，廣東 廣州 510000）

監(jiān)測大氣環(huán)境中的VOC狀態(tài)，對治理環(huán)境污染具有重要的參考價值。大氣環(huán)境中的VOC含量以及遷移轉(zhuǎn)化會受多種因素的影響，例如污染源分布、風力風速以及大氣穩(wěn)定程度等。而且不同監(jiān)測方法所適用的環(huán)境也有較大的差異，很多情況下只對某些特定地區(qū)以及特定空氣組分有效，這就決定了整個監(jiān)測工作實施的高難度。為提高監(jiān)測結(jié)果的可靠性，必須要從實際出發(fā)，綜合比選后確定適應(yīng)性最強的技術(shù)方法，并做好各種影響因素的控制，規(guī)范監(jiān)測流程和實施方法，切實掌握當?shù)卮髿猸h(huán)境中VOC的情況。

1 VOC特性概括

1.1 VOC特性

世界衛(wèi)生組織將VOC定義為揮發(fā)性有機化合物，沸點在50～260 ℃范圍內(nèi)、室溫條件下飽和蒸氣壓高于133.32 Pa、常溫下以蒸汽形式在大氣中彌漫存在。根據(jù)結(jié)構(gòu)特性，可將其分為烷類、芳烴類、鹵烴類、烯類、酯類、醛類、酮類以及其他化合物。我國對VOC的定義是參與大氣光化學反應(yīng)的有機化合物，或者可通過規(guī)范標準測量以及核算確定的有機化合物。目前大氣中監(jiān)測到的VOC達600種以上，具有活動性、濃度低等特點，對大氣環(huán)境以及人體健康均具有較大的危害。根據(jù)以往的監(jiān)測結(jié)果可以確定，VOC在大氣環(huán)境中具有非常強的活性，對大氣環(huán)境系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響比較大，可以轉(zhuǎn)化成光學性煙霧，非常不利于動植物的生長，且濃度過高的情況下還會損壞臭氧層[1]。另外，VOC本身就具有較強的毒性，會誘發(fā)人體發(fā)生癌變，對人體的危害還包括：①產(chǎn)生依賴性；②誘發(fā)急慢性疾?。虎蹖?dǎo)致NBS與SBS等。

1.2 VOC的監(jiān)測要求

在工業(yè)快速發(fā)展的背景下，大氣環(huán)境中的VOC含量也在日益增加。據(jù)統(tǒng)計，通過對空氣污染的治理，并未使臭氧濃度恢復(fù)提升，城市空氣質(zhì)量監(jiān)測中達標的比例降低。VOC對臭氧的生成有著較大影響，是重要的前體污染物，并且在紫外線照射下，VOC與氮氧化物之間會產(chǎn)生非線性反應(yīng)，造成對流層的臭氧濃度不斷增加，在陽光照射下形成城市光化學煙霧，這會在一定程度上加速氣候變暖[2]。為更好地解決臭氧問題，由于其生成過程是非常復(fù)雜的非線性反應(yīng)，需要同時對氮氧化物和VOC進行控制管理，從而更好地完成對城市空氣質(zhì)量的控制。另外，VOC所形成的二次氣溶膠在二次顆粒物中起到了非常重要的作用。在我國城市大氣質(zhì)量持續(xù)降低的情況下，必須要重視對VOC的控制，要采取合適的技術(shù)方法對其含量和組分進行精確地監(jiān)測，最終與各項監(jiān)測數(shù)據(jù)指標結(jié)合，制定科學可行的治理方法與計劃。

2 大氣環(huán)境中VOC的危害

2.1 形成光化學污染

VOC作為PM2.5的重要前體物，對光化學煙霧的形成有直接影響。當大氣環(huán)境中的臭氧濃度增大到一定程度后，出現(xiàn)霧霾天氣的概率也會增大，進而引發(fā)一系列的大氣環(huán)境問題，如果不能夠有效處理，還會危及人體健康。受陽光照射的影響，VOC會與大氣環(huán)境中存在的氮氧化物以及碳氫化合物等發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生很多高活性的自由基，最終形成光化學煙霧，造成對空氣環(huán)境的二次污染。臭氧不僅是大氣層的重要組成部分，現(xiàn)在還被廣泛地應(yīng)用于水體凈化、除臭殺菌等諸多方面，均取得了良好的應(yīng)用效果。但是與低濃度臭氧的廣泛應(yīng)用相比，高濃度的臭氧會對人體健康產(chǎn)生影響，例如會加速皮膚內(nèi)維生素的破壞，以及影響消化與呼吸系統(tǒng)，甚至還有可能導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)中毒，對人體免疫系統(tǒng)產(chǎn)生威脅[3]。如果長時間處于高濃度的臭氧環(huán)境中，人體健康以及植物生長均會受到較大的影響。另外還需要注意的是，特定環(huán)境條件下，VOC與大氣中的顆粒污染物融合后還會形成二次有機氣溶膠，產(chǎn)生光化學煙霧，并會造成酸沉降。受當?shù)貧夂驐l件以及污染源等因素的影響，一旦發(fā)生長距離的遷移和大范圍擴的散，不僅會威脅當?shù)氐拇髿猸h(huán)境，甚至會造成全國乃至全球范圍內(nèi)的環(huán)境污染。因此，必須要提高對VOC監(jiān)測工作的重視，掌握可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，用于對大氣污染的治理。

2.2 誘發(fā)火災(zāi)和爆炸

乙烯、丙烯和脂肪烴類VOC在石油化工生產(chǎn)中十分常見，當其處于正常條件下時僅存在微小的毒性，不會對環(huán)境及人體健康產(chǎn)生危害。但是當其劑量濃度比較大時，便產(chǎn)生了較大的危害，并且，此類VOC物質(zhì)具有易燃易爆的特點，假如在使用過程中儲存不專業(yè)，或者是操作不規(guī)范，就存在發(fā)生火災(zāi)甚至爆炸事故的可能性，一旦發(fā)生這些事故，勢必會產(chǎn)生巨大的損失，對環(huán)境以及人員的安全存在較大的威脅，所以必須要采取專業(yè)手段進行管理，將各項防護措施落實到位，從根源上預(yù)防問題的發(fā)生[4]。

2.3 危害人體健康

大氣環(huán)境中的VOC會以直接或者間接的方式對人體健康產(chǎn)生危害，例如通過散發(fā)氣味、感官刺激等威脅人體的諸多系統(tǒng)，誘發(fā)急慢性疾病，同時還具備基因毒性和致癌性特點。VOC中的很多類型均存在刺激性氣味，日常生活中受到家裝建材、家具、毛毯、復(fù)印機以及建筑涂料油漆的影響，甚至是護膚品以及一些噴霧內(nèi)也含有VOC，如果室內(nèi)通風不暢，多源頭散發(fā)的VOC始終存在于房間內(nèi)，便會形成一個相對密閉的污染環(huán)境，對人體健康產(chǎn)生的威脅更加嚴重。當大氣環(huán)境中VOC含量達到一定濃度后，人們就會出現(xiàn)頭疼、反胃、困乏、惡心想吐等癥狀，情況嚴重的還會導(dǎo)致暈厥，并對腎臟和肝臟功能造成損害。如果長時間處于VOC濃度超標的環(huán)境下，還有可能對大腦和神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響，造成記憶力衰退。目前已將苯類、甲醛等多種VOC列為致癌物，苯類VOC會損害到人體神經(jīng)中樞系統(tǒng)，嚴重時會造成神經(jīng)系統(tǒng)障礙，損害造血器官功能，最終表現(xiàn)為出血癥狀，甚至有可能感染敗血癥[5]。鹵代烴類VOC將會造成人體神經(jīng)衰弱，加速人體內(nèi)血小板數(shù)量的減少，影響正常肝功能，甚至會誘發(fā)癌癥。

3 大氣環(huán)境VOC監(jiān)測方法

3.1 監(jiān)測方法的原理

大氣環(huán)境VOC監(jiān)測常用方法主要為：①吸附管采樣法，然后進行熱脫附處理或者氣相色譜處理，最后應(yīng)用質(zhì)譜法分析；②罐采樣方法，然后在-160 ℃～-150 ℃條件下進行冷阱濃縮處理，或者是熱脫附處理，然后應(yīng)用氣相色譜-質(zhì)譜法分析；③采用氣袋采樣的方法，通過吸附管采集氣體，并進行熱脫附處理，最后應(yīng)用氣相色譜-質(zhì)譜法分析。

3.2 監(jiān)測流程與方法

3.2.1 樣品采集

對大氣環(huán)境VOC的含量以及組分進行監(jiān)測時，因為其成分比較復(fù)雜，同時還存在著易揮發(fā)、含量低等特點，采樣難度比較大，如果采樣不規(guī)范將會對最終的監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生影響，為確保結(jié)果精確，必須要重視采樣環(huán)節(jié)的管理。常用的采樣方法包括吸附采樣和全量真空采樣。

3.2.1.1 吸附采樣

吸附采樣適用于濃度較低的VOC監(jiān)測，利用固體吸附劑來吸附樣品。在選擇吸附劑時，不僅要考慮吸附化合物的特性，同時還要保證其具有較大的吸附容量、化學性質(zhì)穩(wěn)定以及收集效率高等特點。比較常用的吸附劑包括聚合物式與碳吸附式，且后者成本優(yōu)勢大，應(yīng)用更廣泛，如石墨碳、多孔碳以及活性炭等。無論選用哪種吸附劑，均要保證其化學以及物理性質(zhì)穩(wěn)定，且操作簡單，不會隨著吸附而發(fā)生體積變化。我國現(xiàn)行監(jiān)測標準中，應(yīng)用吸附管取樣雖然易操作，但是要注意避免外部環(huán)境產(chǎn)生的影響，所適用的化合物種類受限較大，尤其是揮發(fā)性低以及易于吸附的物質(zhì)解析難度大，甚至會存在穿透問題，對監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生一定影響[6]。在實際作業(yè)中，單一的吸附劑并不能夠完全滿足使用需求，EPA可將混合吸附劑作為標準方法富集濃縮VOC，可做到最初層到最終層的依次吸附，所有極性化合物均可以按照順序全部吸附到吸附劑上，且解析的難度較小，實用性更強。

3.2.1.2 全量空氣采樣

全量空氣采樣就是現(xiàn)場直接對氣體進行采集，然后將其進行濃縮處理，使得有機物的濃度以及密度進一步提升，為后續(xù)的樣本分析打好基礎(chǔ)。該方法對中低碳氫化合物以及鹵代烴化合物的適應(yīng)性更強，可實現(xiàn)高質(zhì)量的重現(xiàn)分析，且結(jié)果可靠性高，大大降低了采樣體積以及采樣效率等因素帶來的不利影響。現(xiàn)場作業(yè)時應(yīng)用不銹鋼采樣罐、聚合物袋以及玻璃容器等來對樣品進行捕集，表1為不同采樣器的優(yōu)缺點對比。

表1 樣本收集容器優(yōu)缺點對比

3.2.2 樣品預(yù)處理

常用的樣品預(yù)處理方法如熱脫附法、溶劑解析法、液上空間法、臨界流體萃取法以及固相萃取法等。其中，溶劑解吸法是比較傳統(tǒng)的處理方法，是以CS2為解析溶液，選擇遠超過分析樣品體積的溶液進行解析，但是靈敏度較低，甚至會存在溶劑峰掩蓋待測組分峰的情況，不可避免的會存在較大的誤差。而熱脫附法則具有較高的靈敏度，同時重復(fù)性、回收率均比較高，且檢測限與定量限較低，較大程度上規(guī)避了溶劑對分析樣品定性定量產(chǎn)生的干擾。但同時也存在著回收率較低的缺陷，且無法重復(fù)分析[7]。

3.2.3 樣品儀器分析

儀器分析是樣品檢測的最后一項，常用方法如高效液相色譜法、氣相色譜法、熒光分光光度法以及氣相色譜-質(zhì)譜法。氣相色譜法具有較高的靈敏度和檢測效率，對不同樣品條件具有較強的適應(yīng)性，分析處理過程快，整體效率高，對于異構(gòu)體以及多組分混合物更有著較高的分析效率，可滿足定性、定量分析條件。另外，氣相色譜法-質(zhì)譜法的應(yīng)用優(yōu)勢也比較明顯，尤其是分離能力以及定型鑒定能力突出，對于尚未分離的色譜峰也有著較高的檢測效果，可保證高靈敏度和高精確性，用于VOC監(jiān)測效果良好。

3.3 監(jiān)測方法的優(yōu)化

3.3.1 拓展技術(shù)應(yīng)用空間

為避免監(jiān)測過程中造成的樣品損失，提高監(jiān)測結(jié)果的精確性，就需要不斷地進行技術(shù)研究，爭取進一步拓展技術(shù)可應(yīng)用空間。一方面是實現(xiàn)采樣與預(yù)處理工藝的優(yōu)化，綜合應(yīng)用多種離線監(jiān)測法，并進一步研究在線監(jiān)測方法的應(yīng)用，對整個樣品采集和預(yù)處理工作進行動態(tài)監(jiān)測，保證所用設(shè)備的靈敏性與靈活性，實時掌握VOC的濃度參數(shù)[8]。另一方面要加強監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)研究，實現(xiàn)產(chǎn)學研聯(lián)合，推進VOC監(jiān)測技術(shù)的研發(fā)。另外，還要建立完善的監(jiān)管機制，出臺相應(yīng)的管理制度與技術(shù)檢驗規(guī)范，為監(jiān)測工作的規(guī)范進行提供依據(jù)和支持。

3.3.2 完善監(jiān)測標準

大氣環(huán)境VOC監(jiān)測具有較強的技術(shù)性，對每個環(huán)節(jié)的執(zhí)行都有十分嚴格的要求，任何一個細節(jié)處理得不規(guī)范，都會影響最終的監(jiān)測結(jié)果，導(dǎo)致監(jiān)測工作失去參考價值。我國比較成熟的VOC監(jiān)測技術(shù)包括吸附管采樣法、氣袋采樣法以及蘇瑪罐采樣法，都是以質(zhì)譜監(jiān)測技術(shù)為基礎(chǔ)，對氣相色譜及濃度進行分析，促使VOC熱脫附的順利進行。

4 大氣環(huán)境VOC治理方法

4.1 活力吸附法

為實現(xiàn)對大氣環(huán)境VOC的有效治理，活力吸附法具有比較突出的應(yīng)用效果，以活性炭、沸石、硅藻土等為吸附劑，對工業(yè)廢氣進行針對性治理，可以大大降低VOC的濃度值，并達到我國有機廢氣的排放標準。另外，經(jīng)過吸附處理的氣體，解析后的收集物還可以回收用于生產(chǎn)。

4.2 燃燒法

VOC作為有機化學揮發(fā)物具有較高的可燃性，可在常溫條件下或者利用催化反應(yīng)實現(xiàn)點燃處理，也可利用引風管道將氣體通入到加熱爐或者垃圾焚燒爐內(nèi)點燃，能夠更加徹底地將VOC轉(zhuǎn)換成CO2與H2O。

4.3 消化吸收法

VOC對于柴油機或200#車用汽油等有機溶液具有較高的溶解性，因此可選擇此類有機溶劑對VOC進行吸收處理，并且吸附處理后的有機溶劑依然可以用于燃料或者油漆稀釋劑，不會造成浪費。與其他方法相比，此種方法處理VOC不僅可以保證良好的處理效果，而且操作簡單、成本低。但要注意消化吸收后還會殘留部分蒸發(fā)氣體，這主要是因為有機溶液本身具有較高的揮發(fā)性，無法將VOC完全處理干凈，尤其是在高溫條件下，消化率會受到更大影響。

5 結(jié)語

化工行業(yè)的快速發(fā)展，伴隨而來的是更加嚴重的大氣污染問題，無論是對自然環(huán)境還是人體健康都會產(chǎn)生較大的威脅。對大氣環(huán)境中的VOC進行監(jiān)測，基于污染源、氣候條件等因素來選擇合適的方法進行樣品采集、預(yù)處理以及分析，掌握精確的VOC含量和組分，能夠為后續(xù)治理方案的制定提供支持，爭取以更少的資源來達到更好的處理效果，進一步降低VOC帶來的危害。