城市內(nèi)揮發(fā)性有機化合物（VOCs）的成份分析及其來源識別

陳 亮

（山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司，山西 太原 030024）

引言

大城市的車輛排放物是產(chǎn)生O3、PM2.5的氮氧化物（NOx）和揮發(fā)性有機化合物（VOCs）的主要來源[1]。揮發(fā)性有機化合物從各種自然和人為來源排放到大氣中，一些揮發(fā)性有機化合物對健康造成不利影響。揮發(fā)性有機化合物以氣體的形式從各種液體或固體源中釋放出來。鑒于測量揮發(fā)性有機化合物混合比的固有困難，準確估計長期揮發(fā)性有機化合物種類的混合比至關(guān)重要。本文利用統(tǒng)計方法確定主要的揮發(fā)性有機化合物來源，目的是為指導(dǎo)政策實施提供信息。

1 方法

主成分分析（PCA）是一種用于降低多元數(shù)據(jù)維數(shù)的統(tǒng)計方法[2]。在這項研究中，使用此方法對兩年內(nèi)55 種揮發(fā)性有機化合物的測量結(jié)果進行了主成分分析。期間50%以上檢測到的揮發(fā)性有機化合物種類包括在內(nèi)。條件概率函數(shù)（CPF）估計測量濃度超過給定風(fēng)區(qū)固定閾值標準的概率[3]。使用混合單粒子拉格朗日積分軌道模型和全球數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)[4]，對氣團軌跡進行聚類分析。輪廓系數(shù)用于確定集群的數(shù)量。

2 結(jié)果和討論

2.1 揮發(fā)性有機化合物的物種特定混合比

2018 年至2019 年間，城市平均總揮發(fā)性有機化合物（TVOC）混合比為185 ppbC，其中包括28 種烷烴、16 種芳烴、10 種烯烴和1 種炔烴。其中，揮發(fā)性有機化合物含量最高的是乙烷（10×10-9），其次是丙烷（6.8×10-9）?？紤]碳混合比，甲苯代表最高水平（31.6×10-9），包括苯、甲苯、乙苯和二甲苯異構(gòu)體（BTEX），其中包括88.6%的TVOC。表1 總結(jié)了15 種最豐富的揮發(fā)性有機物的測量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，平均而言，烷烴、芳烴、烯烴和炔烴分別占總揮發(fā)性有機物的57.5%（101×10-9）、31.5%（58.3×10-9）、9.42%（17.4×10-9）和1.48%（2.73×10-9）。

表1 2018-2019 年測量VOC（×10-9）

2.2 來源識別

基于兩年的VOC 混合比測量，使用PCA 確定了VOC 的來源。以50%或更高的檢測率和0.5 或更高的公共性值過濾VOC 混合比測量數(shù)據(jù)，并將低于檢測限的混合比替換為其一半。最終對27 種揮發(fā)性有機化合物、NO2和CO 進行了PCA，提取了5 種成分（表2）。PCA 結(jié)果區(qū)分了五種來源類別：液化天然氣（LNG）、液化石油氣（LPG）和汽油燃料汽車；柴油輕型車輛；工業(yè)溶劑使用；車輛和家庭燃燒產(chǎn)生的混合排放物；以及油漆中使用的溶劑。表明主要VOC 源是車輛和溶劑的排放，分別占總變化的40.9%和20.5%。根據(jù)每個成分的因子得分討論了五個成分的源特征結(jié)果如下：

表2 揮發(fā)性有機物的主成分分析結(jié)果

組分1 代表液化天然氣、液化石油氣和汽油燃料車輛的排放量，占總變化的18.1%，以及測定了C≤5烷烴、乙烯、丙烯、NO2和CO。NO2和CO 主要通過化石燃料燃燒從車輛中排放，乙烯和丙烯來自車輛內(nèi)燃機燃燒，而C4-C5 烷烴來自未燃燒的車輛排放物。C≤5 輕烷烴、乙烷和丙烷是液化天然氣的主要成分，液化石油氣的丙烷和丁烷以及汽油的戊烷異構(gòu)體。

組分2 被確定為輕型柴油車輛的排放物，占總變化的15.8%。重正構(gòu)烷烴（壬烷、正癸烷和正十一烷）是柴油蒸發(fā)的著名示蹤劑，而輕型柴油車的燃料具有高烯烴比。此外，與汽油車相比，柴油車的排氣中富含丙烯。丙烯中的因子負荷較高，C≥8 重正構(gòu)烷烴和C≥8 種芳烴。

組分3 被確定為工業(yè)溶劑使用的排放物，占總變化的14.6%。甲苯、正己烷、正庚烷及其異構(gòu)體的因子負荷較高。研究表明，制造廠中的甲苯含量豐富。

對于組分4，乙炔、苯、NO2和CO 的因子得分較高。乙炔和苯是在汽車尾氣和家用燃料（如木材和天然氣）的燃燒中排放的。尤其是NO2和CO 的負荷明顯高于組分1。據(jù)觀察，空氣中的CO 增加，苯與城市的區(qū)域運輸有關(guān)。表明排放源于加熱燃燒的增加。因此，組分4 對應(yīng)于車輛排氣和家用燃料燃燒的混合排放，占總變化的10.0%。

最后，組分5 代表油漆溶劑的使用量，占總變化量的8.7%。乙苯、間/對二甲苯和鄰二甲苯中的因子負荷較高。二甲苯異構(gòu)體與乙苯一起用于各種工業(yè)領(lǐng)域（如建筑、家具、家居用品和汽車），作為溶劑型涂料和柴油的主要成分。當(dāng)風(fēng)速較低時，在中心附近發(fā)現(xiàn)所有交通相關(guān)組件的高CBPF 值（≤2 m/s）；這一發(fā)現(xiàn)表明，它們的存在主要與當(dāng)?shù)氐呐欧庞嘘P(guān)。相比之下，溶劑相關(guān)組分主要與更快的西南風(fēng)有關(guān)，尤其是組分3。

3 結(jié)論

在整個研究期間，最豐富的揮發(fā)性有機物是乙烷、丙烷、甲苯、正丁烷和乙烯。交通相關(guān)源占主導(dǎo)地位，其次是溶劑相關(guān)源，并確定了以下五種主要源成分：液化天然氣、液化石油氣和汽油燃料，以C≤5 烷烴為代表，如丁烷；柴油；甲苯代表的工業(yè)溶劑使用；車輛和家用燃燒；二甲苯異構(gòu)體代表的油漆溶劑。研究結(jié)果表明，其含量與鄰近城市的交通有關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)對于降低O3和PM2.5水平的城市政策制定尤其重要。