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科普:VOCs污染防治百问百答(1)

科普:VOCs污染防治百问百答(1)
      VOCs污染防治百问百答系列文章一共有6篇,分别为:VOCs基础知识、VOCs的来源、VOCs的环境行为、VOCs的环境管理、VOCs的防控技术、VOCs与生活。本文为该系列文章的第1篇(VOCs基础知识),文章内容整理自《VOCs污染防治知识问答》一书。
(一)VOCs 基础知识
1.什么是VOCs?
 
 

VOCs是挥发性有机物英文名“Volatile Organic Compounds”的缩写,有时也称VOC,此时专指一种VOC,或者表示挥发性有机物这样一个集合概念。无论是中文的“挥发性有机物”还是英文的“Volatile Organic Compounds”均比较长,因此习惯上常用“VOCs”或者“VOC”来简称。

不同的机构和组织出于不同的管理、控制或研究需要,对VOCs的定义不尽相同,目前尚没有统一、公认的定义。美国ASTM d3960-98标准将VOC定义为任何能参加大气光化学反应的有机化合物。美国国家环保局(EPA)对VOCs的定义为:挥发性有机化合物是除一氧化碳、二氧化碳、碳酸、金属碳化物、金属碳酸盐和碳酸铵外,任何参加大气光化学反应的碳化合物。世界卫生组织(WHO,1989)对总挥发性有机化合物(Total Volatile Organic Compounds,TVOC)的定义为:熔点低于室温而沸点为50~260℃的挥发性有机化合物的总称。我国《室内空气质量标准》(GB/T 18883-2002)中对总挥发性有机化合物(TVOC)的定义为:利用Tenax GC和Tenax TA采样,采用非极性色谱柱(极性指数小于10)进行分析,保留时间在正己烷和正十六烷之间的挥发性有机化合物的总称。

空气中存在的有机物不仅仅是VOCs。有些有机物在常温下可以在气态和颗粒物中同时存在,而且随着温度变化在两相中的比例会发生变化,这类有机物叫做半挥发性有机物,简称SVOCs。还有些有机物在常温下只存在于颗粒物中,它们属于不挥发性有机物,简称NVOCs。无论是VOCs、SVOCs还是NVOCs,在大气中都参与大气化学和物理过程,一部分可直接危害人体健康,它们带来的环境效应包括影响空气质量、影响气候等。

2.VOCs主要包含哪些物质?

按挥发性有机化合物(VOCs)的化学结构,可将其进一步分为8类:烷烃类、芳香烃类、烯烃类、卤代烃类、酯类、醛类、酮类和其他化合物。从环保意义上讲,主要指化学性质活泼的那一类挥发性有机物。常见的VOCs有苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、三氯乙烯、三氯甲烷、三氯乙烷、二异氰酸酯(TDI)、二异氰甲苯酯等。

3.VOCs有哪些特性?
 

VOCs最典型的共有特性是具有挥发性。许多VOCs具有易于发生化学反应的特性(反应性)。VOCs在空气中可发生很多种化学反应,目前知道的最重要的几种反应类型包括:①VOCs与羟基自由基的反应,被氧化成有机自由基,然后进一步分解、反应;②部分含双键的VOCs(如烯烃、二烯烃等)与臭氧发生反应形成双自由基,再进一步分解、反应;③少数含氧有机物,如甲醛、丙酮等醛酮类VOCs,可以直接被光分解,形成自由基,从而引发更多反应。此外,一部分VOCs还具有毒性,对人体健康有害,如苯、甲苯等。

4.VOCs全都有气味吗?
 

大多数VOCs的气味并不明显,但有一些VOCs,如醇、醛、酮类、芳香烃类、含硫化合物等浓度达到一定程度会有较明显的令人喜欢或厌恶的气味。

5.日常生活中常见的 VOCs有哪些?
 
 

日常食用的食醋中含有醋酸(学名乙酸),可挥发进入空气,属于含氧的VOCs(简称OVOCs)。酒类饮品都含有酒精(学名乙醇),属于挥发性较强的醇类,当然也属于VOCs,是一种OVOC。香水中含有各种各样的植物提炼或化学合成的芳香性化合物、精油类物质等,其中有许多属于VOCs,例如芳香醛、芳香酯等。此外香水中的助溶剂通常是乙醇等VOCs。一些水果(如柠檬、橙子等)和日用清洗剂中含有烯,也是具有香味的VOCs。家庭装修和家具等释放的室内室气污染物,如甲醛、苯、甲苯等都属于VOCs。

6.VOCs对生物有毒害作用吗?
 
 

VOCs种类繁多,有些基本没有毒性,因此对人体及动物基本无害。但有些如甲醛、芳香烃特别是多环芳烃、二噁英类等具有较强的致癌、致畸、致突变等生物毒性,一些卤代烃和含氮氧化合物等也具有毒性,对人体健康有显著的毒害作用。植物本身是可以产生并排放一些VOCs的,人为排放的VOCs对植物的毒害在通常情况下应该也是微不足道的。但是,VOCs经大气光化学反应产生的一些污染物,例如臭氧和过氧乙酰硝酸等一些氧化性较强的气态污染物,不但能危害人体健康,而且可伤害植物,严重时甚至导致其死亡。

7.VOCs与近地面臭氧有什么关系?
 
 

空气中的VOCs和氮氧化物等气体在紫外光照射和高温条件下,会发生快速的光化学链式反应,产生包括臭氧和过氧乙酰硝酸酯等具有刺激性和毒性的氧化剂、醛酮类含氧有机物以及细颗粒物。在一些污染的城市、工业区及乡村地区,由于VOCs及氮氧化物浓度均较高,在阳光充足的温暖季节,近地面臭氧浓度会在太阳升起后快速升高,在不利的情况下,午后臭氧浓度可能会不同程度地超出空气质量标准限值。生成的臭氧浓度高低取决于VOCs和氮氧化物浓度及两者的比值,但在多数污染区域,由于氮氧化物比较充足,VOCs浓度越高臭氧达到的浓度也越高。

在VOCs浓度不太高的地区,地面臭氧浓度也能达到一定的水平。这是因为,污染气团的水平输送可以将臭氧带到清洁地区。另外,对流层的臭氧还具有天然来源,也就是平流层臭氧的向下输送,然后在一些下沉气流驱动下,向地表输送。根据VOCs等污染物的排放以及输送过程的变化,近地面臭氧浓度会呈现出一定的季节性变化特征。由于VOCs等人为污染物排放的增加,近一个多世纪以来近地面臭氧浓度在许多地区呈上升趋势。

8.VOCs与霾有关系吗?
 
 
霾是指空气中的大量极细微的尘粒子均匀地浮游在空中,使空气浑浊、视野模糊并导致水平能见度小于10km的自然天气现象。霾污染主要源于人为活动,罪魁祸首是细颗粒物(PM2.5)。这些细颗粒物的化学组成包括硫酸盐、硝酸盐、铵盐、黑碳、有机化合物等,少数来自污染源的直接排放,多数来自二氧化硫、氮氧化物和VOCs等的大气光化学转化。PM2.5中有机物通常占相当高的比重,这些有机物一部分排放后直接形成颗粒或气溶胶,还有一部分是VOCs的大气化学转化产物。许多VOCs经过大气化学反应之后被转化为不挥发或半挥发性有机物,成为二次有机气溶胶(简称SOA)。此外,VOCs作为大气化学反应的“燃料”,通过形成臭氧等增加了大气氧化性,对于二氧化硫、氮氧化物等污染气体转化形成硫酸盐和硝酸盐气溶胶起重要作用,从而也促进了霾的形成。可见VOCs也是导致霾形成的重要原因,对霾污染形成具有直接和间接的作用。
9.什么是光化学烟雾?
 
 

当空气中的VOCs和氮氧化物等浓度较高时,在强烈紫外光照和高温条件下,再遇上不利扩散的条件(如河谷或山谷地形、稳定的高气压天气等),光化学反应产物就会大量积累,从而使臭氧、过氧乙酰硝酸酯、细颗粒物等浓度急剧升高,因而形成刺激性的浅蓝色烟雾。这种污染现象叫做光化学烟雾。1943年,在美国洛杉矶首次出现这种污染现象,随后数年里多次重复出现,严重影响人体健康,导致许多人员死亡,造成巨大的经济损失。高浓度的VOCs是光化学烟雾形成的必要条件。洛杉矶的光化学烟雾就是汽车尾气和工业废气排放的大量VOCs与氮氧化物在夏季强光和高温条件下反应的结果。

10.VOCs会影响气候变化吗?
 
 

人为活动排放的二氧化碳、甲烷等多种温室气体以及气溶胶可以改变大气辐射收支,引起气候变化。大多数VOCs并不能显著地直接改变辐射收支。但是,VOCs和氮氧化物等在紫外光照的作用下,会发生一系列光化学反应,生成臭氧、二次气溶胶等污染物,引起对流层臭氧和气溶胶增加。对流层臭氧是一种具有温室效应的气体,可引起气候变暖。VOCs参与形成的气溶胶作为全球气溶胶的一部分,也具有直接的辐射效应,并且还可以通过影响云的形成、液滴尺寸及滞留时间,从而间接地影响气候,其总的效果是起降温作用。由此可见,VOCs的长期变化是可以间接地引起气候变化的。

11.VOCs与臭氧层空洞有关吗?
 
 

臭氧层处于大气的平流层,其位于海拔10~50km。平流层以下为对流层。地面排放的污染物要穿过对流层达到平流层需要较长的时间。VOCs家族中绝大多数都是在对流层比较容易被氧化转化并经过干、湿沉降等过程去除,因此不容易进入平流层。但是,VOCs中包含一类含氟、氯、溴等元素的卤代化合物(如氟利昂、四氯化碳等),其中一部分在对流层大气中寿命比较长,可以被传输到平流层,从而参与破坏那里的臭氧层。因为一些卤代化合物即使在平流层可去除,但过程也很慢,会在那里积累,对臭氧层造成长期破坏。

12.VOCs是温室气体吗?
 
 

多数VOCs多数不属于温室气体,但VOCs中的少数种类化合物,例如一些卤代烃,也具有温室效应,因而也属于温室气体。大部分温室气体在大气中的寿命较长,而大部分VOCs在大气中会很快发生化学反应转化为其他物质。正因为如此,温室气体的影响是全球性的,而且可影响到大气平流层以及更高高度,而多数VOCs的影响则主要局限于区域尺度的对流层范围内。

13.我国环境空气中VOCs含量高吗?
 
 

我国的空气污染总体比较严重,VOCs浓度水平也比较高,尤其是在我国中东部的城市地区。由于VOCs的数量众多,时间和空间变化均很大,测量本身的难度也大,因此目前尚没有全面、系统的研究结果能说明我国与其他国家和地区VOCs浓度水平的高低。从已有的少量研究来看,我国城市地区VOCs浓度范围大致与国外的污染城市相当。由于我国还处于经济高速发展期,人为排放VOCs的增长趋势显著,并将持续数年,因此,如控制不力,我国VOCs浓度水平将可能会显著高于国外的污染城市。

14.VOCs对天气有影响吗?
 

大气中的VOCs和氮氧化物等在紫外光照的作用下,会发生一系列光化学反应,生成臭氧、二次有机物气溶胶等光化学污染物。其中,臭氧增加了大气的氧化性,可促进大气中的二氧化硫、氮氧化物等气体转化,形成硫酸盐和硝酸盐等二次无机气溶胶。无论是无机气溶胶还是有机气溶胶都可以影响太阳辐射,并经碰并和吸湿增长,参与霾、雾、云的形成,影响到大气能见度、大气温度分布以及降水量及其分布。可见VOCs是可以在一定程度上对天气产生影响的。当然,影响天气更主要的因素还是大气的物理过程。

15.不同地方的VOCs种类有何不同?

空气中的VOCs受排放、输送、化学反应等多种因素影响。因此,不同地区可观测到的VOCs种类会有所不同。通常,城市地区较多地体现出机动车船排放、汽油和溶剂使用等特征,VOCs中芳香烃等含量相对较高;温暖季节在植被覆盖较密的地区能检测到由植物类天然源排放的、浓度较高的蒎烯和萜烯类化合物;在城市和污染区域的下游地区能检测到较多的烃类氧化之后的产物如醛、酮类等VOCs;在偏远地区主要能检测到一些反应活性较弱的烷烃、炔烃类VOCs及一些含氧VOCs等。

16.在洁净的地区有VOCs吗?

大气中,VOCs几乎是到处存在的,不同地区的差别主要体现在VOCs物种的数量和浓度水平上。在有人类活动和植物生长的地方就会有较多较高浓度的VOCs。一些人为排放的VOCs可通过大气气团的运动输送到清洁和偏远地区,虽然其浓度水平已经大大下降,但是仍然可以检测到。甚至在南极地区和喜马拉雅山地区的空气中仍然能检测到一些VOCs。可以说VOCs在大气中几乎是无处不在的。

17.下雨能去除VOCs吗?

空气中的气体若要被雨水去除,必须要能在水中溶解。VOCs中,多数烃类物质在水中的溶解度是很低的,因此并不容易被雨水清除。VOCs中的一些含氧有机物化合物(尤其是其中的有机酸及醇类等)以及部分含硫、氮等的化合物,部分可溶于水,能够较快速地被雨去除。

18.VOCs与酸雨有联系吗?

VOCs中的甲酸、乙酸等有机酸吸收参与大气光化学反应产生的酸化物质,可溶解到降水中,因此对雨水的酸化有一定的作用。但是,酸雨更主要的是由二氧化硫和氮氧化物溶于水和氧化产生的强酸引起的,因此,VOCs对酸雨的直接影响是微弱的。但另一方面,VOCs参与的大气化学反应是导致大气氧化性增强的重要原因。大气氧化性增强后能促进二氧化硫和氮氧化物等更快速地氧化转化成强酸。可见VOCs对酸雨的间接影响也是非常重要的。

19.如何降低环境空气中VOCs的含量?
 

VOCs排入环境空气后,其在大气中的含量就由气象条件和大气化学转化条件所决定,不受人类控制。因此,人类要降低环境空气中VOCs的含量,只能通过减少其排放来实现。空气中的VOCs一部分来自人为排放源,另一部分来自植物等自然排放源。自然源排放难以被人类控制,因此我们所能做的就是降低人为排放VOCs的强度。一是对各种含VOCs的废气进行治理,以减少排放;二是对生产过程中的VOCs泄漏进行封堵或回收,以减少排放;三是减少化石燃料的使用,减少对各种含VOCs物质的使用量,从源头控制VOCs污染物的产生。

 

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