水性工業(yè)涂料VOCs排放特征及其對環(huán)境的影響

黃雪松

（江蘇省地質局第五地質大隊，江蘇南京 210001）

在環(huán)保意識逐漸深入人心的背景下，我國大多數(shù)地區(qū)都開展了環(huán)境保護工作，在一定程度上改變了環(huán)境質量，但大多數(shù)地區(qū)的PM2.5濃度仍然比較高。而VOCs會促進臭氧與二次有機氣溶膠的生成，且工業(yè)涂料會排放一定的VOCs，所以需要深入研究水性工業(yè)涂料的VOCs排放特征及其對環(huán)境的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

在實驗前根據(jù)《涂料產品分類和命名》（GB/T 2705—2003）等國家標準采集了80種水性工業(yè)涂料樣品，包括不同的水性內墻涂料、水性外墻涂料、水性防水涂料、水性地坪涂料、水性防腐涂料以及水性防火涂料[1]。

1.2 樣品分析

在實驗過程中根據(jù)《色漆和清漆揮發(fā)性有機化合物（VOC）含量的測定 氣相色譜法》（GB/T 23986—2009）等標準利用GC/MS系統(tǒng)對樣品進行了定性定量分析。

（1）先稱取1.0g涂料樣品并將樣品放置在試管中，添加10mL乙腈，在渦旋10min后進行萃取處理。

（2）將萃取后的樣品混合液放置在離心機中進行5min的離心處理，將處理后的上清液放置在GC/MS系統(tǒng)中進行分離和定量。

（3）控制色譜條件，即將VF-624 MS弱極性柱當作色譜柱；將GC柱箱的初始溫度控制在40℃，在8min后以10℃/min的速度將溫度調整為230℃，再以15℃/min將溫度提升至270℃并保持2min；將進樣口溫度控制在250℃；將高純氦氣當作載氣；將柱流速度控制在1mL/min；分流比設置為10∶1[2]。

（4）控制質譜條件，即利用電子轟擊電離為質譜檢測器提供離子源并將電離能量設置為70eV、離子源溫度設置為200℃、色譜-質譜接口溫度設置為230℃、全掃描范圍設置為14~500u。

（5）通過外標法進行定量分析，之后通過比較質譜圖、色譜峰停留時間掌握VOCs物種定性。在這一過程中需要構建混合VOC化合物的校準工作曲線并分析標準曲線的相關系數(shù)，且需要對每個樣品都進行兩次平行測定。

1.3 源成分譜建立

不同類型水性工業(yè)涂料的源成分譜不同，且VOCs物種種類與濃度也不同，所以需要構建能夠反映一類水性工業(yè)涂料的成分譜并對各個樣品的VOCs組分濃度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。在這一過程中可以利用式（1）計算每種水性工業(yè)涂料VOCs成分譜（各種VOCs組分質量與所測得的總揮發(fā)性有機物質量的百分比）。

式（1）中Fij為水性工業(yè)涂料類型j中組分i的質量分數(shù)；Cij為水性工業(yè)涂料類型j某一樣品中組分i的質量濃度，單位為g/L；VOCsj為水性工業(yè)涂料類型j某一樣品的總揮發(fā)性有機物質量濃度，單位為g/L；Qj為水性工業(yè)涂料類型j樣品數(shù)量[3]。

1.4 VOCs對臭氧影響的分析

不同VOCs組分具有不同的光化學反應活性，會對臭氧生成產生不同的影響，一般會利用臭氧生成潛勢反映VOCs對臭氧生成的影響，從而明確對臭氧生成影響最大的VOCs物種與關鍵污染源。在實驗過程中利用最大增量反應活性因子與式（2）計算水性工業(yè)涂料中VOCs的臭氧生成潛勢。同時，利用式（3）計算VOCs污染源反應活性，即計算污染源排放單位質量VOCs的臭氧生成潛勢。

式（2）中：OFPij為水性工業(yè)涂料類型j中組分i的臭氧生成潛勢，單位為g/L；MIRi為組分i的最大增量反應活性，單位為g/g。

式（3）中：SR1j為水性工業(yè)涂料類型j排放1gVOCs生成的臭氧量，單位為g/g。

1.5 VOCs對二次有機氣溶膠影響的分析

二次有機氣溶膠是對環(huán)境影響較大的污染物，而VOCs排放對二次有機氣溶膠的生成有較大影響，所以需要根據(jù)煙霧箱實驗數(shù)據(jù)以及式（4）計算VOCs的氣溶膠生成潛勢，利用式（5）計算VOCs污染源反應活性。

式（4）中：SOAij為水性工業(yè)涂料類型j中組分i的SOA生成潛勢，單位為g/L；FACi為組分i的氣溶膠生成系數(shù)，單位為%。

式（5）中：SR1j為水性工業(yè)涂料類型j排放1gVOCs生成的SOA量，單位為g/g。

2 實驗結果與討論

2.1 VOCs濃度水平

在實驗過程中對80種不同的水性工業(yè)涂料進行了VOCs濃度檢測，發(fā)現(xiàn)在類型、功能以及成膜物質等因素的影響下，不同水性工業(yè)涂料的VOCs濃度有較大的差異。其中水性內墻涂料的VOCs濃度為0.20~21.78g/L，平均濃度為6.67g/L；水性外墻平涂與彈性涂料的VOCs濃度為14.39~29.76g/L，平均濃度為24.52g/L；水性外墻真石漆與質感漆的VOCs濃度為0~4.63g/L，平均濃度為1.13g/L； 水性防水涂料的VOCs濃度范圍為0.14-2.18g·L-1，平均濃度為0.90g/L；水性防火涂料的VOCs濃度為0~0.31g/L，平均濃度為0.09g/L；水性防腐涂料的VOCs濃度為5.56~116.08g/L，平均濃度為41.85g/L；水性地坪涂料的VOCs濃度為12.62~115.2g/L，平均濃度為61.65g/L[4]。從對比結果來看，水性地坪涂料的VOCs濃度最高，水性防火涂料的VOCs濃度最低。

2.2 VOCs組分特征

2.2.1 不同水性涂料VOCs組分特征

從實驗結果來看，大多數(shù)水性工業(yè)涂料的VOCs都是由烷烴、醇類、酯類、芳香烴、醇醚及醇酯類、胺類、酸類以及其他組分構成的，其中醇類是關鍵組分，占比相對較大。例如，醇類在內墻涂料VOCs組分中占比90.46%、在水性外墻平涂與彈性涂料中占比87.01%、在水性外墻真石漆與質感漆中占比98.26%。其次，不同水性工業(yè)涂料的組分有一定的差異，所以生成VOCs的量以及對環(huán)境的影響不同。

2.2.2 不同水性涂料VOCs組分差異

不同水性涂料VOCs組分物種不同，例如水性內墻涂料、水性外墻平涂與彈性涂料VOCs組分中質量分數(shù)最高的物種是乙二醇與1，2-丙二醇；水性防水涂料VOCs組分中質量分數(shù)最高的物種是甲醇與正丁醇；水性地坪涂料VOCs組分中質量分數(shù)最高的物種是二甲苯、三甲苯、乙二醇單丁醚、丙苯等；水性防腐涂料VOCs組分中質量分數(shù)最高的物種是乙二醇單丁醚。

2.2.3 不同水性涂料VOCs組分檢出率

不同水性工業(yè)涂料VOCs組分的檢出率不同，其中水性防腐涂料的VOCs組分檢出率最高，檢出32種組分；水性地坪涂料的組分檢出率次之，檢出23種組分；水性內墻涂料檢出18種VOCs組分；水性防水涂料檢出15種組分；水性外墻平涂與彈性涂料檢出12種組分；水性外墻真石漆與質感漆檢出10種組分；水性防火涂料檢出6種組分。在對比后發(fā)現(xiàn)水性防腐涂料、水性地坪涂料、水性內墻涂料等水性工業(yè)涂料的VOCs物質較多且組分較為復雜，而水性防火涂料中的VOCs物質較少且組分簡單。

2.3 VOCs的臭氧生成潛勢

（1）不同水性工業(yè)涂料的臭氧生成量不同。在對比分析后發(fā)現(xiàn)，水性地坪涂料的臭氧生成量最高，為225.86g/L，其次是水性防腐涂料。

（2）不同VOCs組分對臭氧生成的貢獻不同。例如，水性內墻涂料、水性外墻平涂與彈性涂料、水性外墻真石漆與質感漆、水性防火涂料等涂料的VOCs中含有大量的醇類物質，這一組分對臭氧生成的貢獻在55.0%~99.1%之間；水性地坪涂料中的芳香烴對臭氧生成的貢獻為68.21%；水性防水涂料中的胺類物質與醇類物質對臭氧生成的貢獻分別為54.01%與40.22%；水性防腐涂料中的醇醚及醇酯類物質對臭氧生成的貢獻為57.21%[5]。

2.4 VOCs的二次有機氣溶膠生成潛勢

從實驗結果來看，水性外墻真石漆與質感漆、水性防火涂料在應用過程中基本不產生二次有機氣溶膠。但水性地坪涂料、水性防腐涂料產生的二次有機氣溶膠相對較多，其中單位體積內水性地坪涂料會產生0.75g/L的氣溶膠、水性防腐涂料會產生0.12g/L的氣溶膠。同時，這些水性工業(yè)涂料之所以會產生氣溶膠是因為其VOCs中含有芳香烴、烷烴、乙苯等組分。例如，水性地坪涂料與水性防腐涂料中含有二甲苯、三甲苯、間-乙基甲苯等芳香烴與烷烴組分，且這些組分對氣溶膠的貢獻率在90%以上；水性內墻涂料中含有乙苯，對氣溶膠的貢獻率在100%左右。這就說明只有嚴格控制水性工業(yè)涂料中的芳香烴與烷烴等成分才能夠減少二次有機氣溶膠的生成。

2.5 VOCs的環(huán)境影響

2.5.1 不同水性涂料VOCs的環(huán)境影響

在實驗過程中發(fā)現(xiàn)各類水性工業(yè)涂料的VOCs排放量、臭氧與二次有機氣溶膠的生成潛勢都不同。在對比后發(fā)現(xiàn)，單位體積內水性地坪涂料的VOCs排放量最高，為61.65g/L，且其臭氧與氣溶膠的生成量也最大，分別是225.86g/L與0.75g/L；水性防腐涂料的VOCs排放量為41.85g/L、臭氧與氣溶膠生成量分別是122.66g/L與0.12g/L；水性外墻平涂與彈性涂料的VOCs排放量為24.52g/L，臭氧生成量分別為70.22g/L，但幾乎不生成氣溶膠；其他水性工業(yè)涂料的臭氧與氣溶膠生成量都比較低[6]。同時，在實驗過程中利用污染源反應活性對各種水性工業(yè)涂料中VOCs的活性進行了定量評估，其中水性外墻真石漆與質感漆的VOCs臭氧活性最大，水性地坪涂料的VOCs氣溶膠活性最大。所以水性地坪涂料對環(huán)境的影響相對較大。

2.5.2 不同類型涂料VOCs的環(huán)境影響對比

從實際情況來看，溶劑型工業(yè)涂料對環(huán)境的影響較大，所以在實驗過程中對溶劑型涂料與水性涂料的環(huán)境影響進行了對比分析。在對比分析后發(fā)現(xiàn)，溶劑型工業(yè)涂料的VOCs濃度是水性工業(yè)涂料濃度的6.65~4 900.65倍，這就說明水性工業(yè)涂料的VOCs濃度非常低，靈活應用水性工業(yè)涂料可有效減少VOCs的排放。其次，溶劑型工業(yè)涂料的臭氧生成量是水性工業(yè)涂料的8.21~9 049.0倍，二次有機氣溶膠生成量是水性工業(yè)涂料的16.72-106.0倍，所以水性工業(yè)涂料生成的臭氧與二次有機氣溶膠相對較少，靈活應用水性工業(yè)涂料可以有效減少二次污染物的生成，繼而保護大氣環(huán)境[7]。此外，從VOCs源反應活性來看，溶劑型工業(yè)涂料的污染源反應活性比水性工業(yè)涂料大1~3倍，這就說明水性工業(yè)涂料VOCs組分的化學反應活性較低，不會對生態(tài)環(huán)境產生較大影響。

2.6 VOCs管控策略

當前我國十分注重VOCs的排放管控，且強調要從源頭控制VOCs的排放。雖然水性工業(yè)涂料的VOCs排放量較低、臭氧與二次有機氣溶膠的生成量也比較低，但水性地坪涂料的VOCs排放量相對較高，所以需要通過有效手段進行管控。同時，也需要積極研發(fā)和推廣低毒無毒涂料，從而減少涂料的環(huán)境影響。

3 結語

從實驗結果來看，不同水性工業(yè)涂料的VOCs排放量不同，其中水性地坪涂料的排放量最大；不同水性工業(yè)涂料的VOCs都以醇類、胺類、醇醚及醇酯類等組分為主；相比于溶劑型工業(yè)涂料，水性工業(yè)涂料的環(huán)境影響較小。因此，可以利用水性工業(yè)涂料代替溶劑型工業(yè)涂料，但也需要進一步優(yōu)化水性工業(yè)涂料。