环境科学  2018, Vol. 39 Issue (2): 525-532   PDF    
某典型石油化工园区冬季大气中VOCs污染特征
毛瑶1,2, 李刚3, 胡天鹏2, 郑煌2, 安艺伟1, 闵洋1, 邢新丽2, 祁士华1,2     
1. 中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室, 武汉 430074;
2. 中国地质大学(武汉)环境学院, 武汉 430074;
3. 克拉玛依市环境科研监测中心站, 克拉玛依 834000
摘要: 利用TH-300B挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)在线监测系统于2014年12月~2015年2月对我国某石油化工园区的VOCs进行连续在线监测.分析了其组成特征、时间变化特征、来源以及光化学活性特征.结果表明,研究区冬季大气中VOCs的混合体积分数较高,烷烃占据主导地位,占TVOCs的86.73%;TVOCs、烷烃、烯烃、芳香烃的昼夜变化特征均表现为夜间高而白天低,且烷烃、烯烃的变化与TVOCs较为一致.利用主成分分析-多元线性回归(PCA-MLR)模型解析得到5个因子,分别表征燃料挥发源、工业排放源、汽油车尾气和植物排放混合源、柴油车尾气排放源和燃料燃烧源,其贡献率分别为60.02%、8.50%、2.07%、12.21%、17.20%.利用Propy-equiv法和MIR法计算得出该研究区冬季大气中各类VOCs对臭氧生成的相对贡献率的大小均表现为烷烃>烯烃>芳香烃,其中环戊烷、正丁烷和1-戊烯的贡献率较高,气团光化学年龄较长.
关键词: 石油化工      组成特征      变化特征      来源解析      反应活性     
Characteristics of VOCs Pollution in the Winter Atmosphere of a Typical Petrochemical Industry Park
MAO Yao1,2 , LI Gang3 , HU Tian-peng2 , ZHENG Huang2 , AN Yi-wei1 , MIN Yang1 , XING Xin-li2 , QI Shi-hua1,2     
1. State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology, China University of Geoscience, Wuhan 430074, China;
2. School of Environmental Studies, China University of Geoscience, Wuhan 430074, China;
3. Karamay Environmental Monitoring Center Station, Karamay 834000, China
Abstract: Concentrations of volatile organic compounds (VOCs) in ambient air of a typical petrochemical industry park were measured using an on-line monitor (TH-300B) from December 2014 to February 2015. The composition, temporal variations, sources, and photochemical reactivity of VOCs were analyzed. Alkanes were the most abundant VOC species and contributed to 86.73% to total VOC concentrations in winter. Concentrations of TVOCs, alkanes, alkenes, and aromatic hydrocarbons were high at night and low during the day. The changes in alkane and alkene concentrations were consistent with those in TVOC concentrations. Using principal component analysis and multiple linear regression (PCA-MLR) in combination, five sources of VOCs were identified; fuel evaporation, industrial emissions, a mix of gasoline vehicle exhaust and plant emissions, diesel vehicle exhaust emissions, and fuel combustion with contributions of 60.02%, 8.50%, 2.07%, 12.21%, and 17.20%, respectively. Propylene-equivalent concentration (Propy-Equiv) and maximum incremental reactivity (MIR) method were used to calculate the contributions of VOCs measured in the study area to ozone production. Alkanes contributed most to ozone production followed by alkenes and aromatic hydrocarbons. The contribution rate of cyclopentane, n-butane, and 1-pentene were higher owing to their long photochemical age in the study area.
Key words: petrochemical industry      composition characteristics      variation characteristics      source apportionment      reaction activity     

挥发性有机化合物(volatile organic compounds, VOCs)是指在25℃时蒸气压大于133.32 Pa, 沸点为50~260℃的一类化合物[1], 多具有光化学反应活性, 是光化学烟雾和二次气溶胶的重要前体物, 可对生态系统造成严重危害[2].此外, 城市空气中某些VOCs对人体健康存在较严重威胁, 其中苯、氯乙烯和PAHs已被证实为致癌物质[3, 4].大气中的VOCs主要来源于人为排放源, 大多为石化相关产业的生产过程、产品消费行为及机动车尾气排放等.有研究表明[5], 城市大气中VOCs主要来源于机动车尾气排放, 而石化地区大气中的VOCs则几乎全部来源于工业排放.我国对VOCs的研究主要集中于北京[6]、上海[7]、广州[8]、南京[9]等较发达城市, 而对石油化工等工业区的研究较少.因此, 为弥补国内关于石油化工地区大气中VOCs的研究的不足, 本文选取我国西北某典型的石油化工园区为研究对象, 以期为石油化工地区大气中VOCs的防治工作的开展提供科学借鉴.

本研究区是我国重要的石油石化基地, 是世界石油石化产业的聚集区, 油气资源丰富.据统计, 该地区2012年原油年产量为1.10×107 t, 天然气年产量为3.10×109 m3.本研究选取了该地区的一个典型的石油化工园区, 利用快速连续在线自动监测系统对其冬季大气中的VOCs特征进行高分辨监测, 旨在研究:①该园区冬季大气中VOCs的种类和组成特征; ② VOCs的时间变化特征并对其进行源解析; ③对VOCs的光化学反应活性进行评价.

1 材料与方法 1.1 样品采集

采用TH-300B(武汉天虹)大气挥发性有机物监测系统对2014年12月至2015年2月研究区冬季大气环境中VOCs进行分辨率为2 h的连续在线观测.该系统是集自动采样、富集和分析功能于一体的挥发性有机物分析系统.环境大气通过采样系统采集后, 进入浓缩系统, 在超低温(-150℃)条件下, 大气中的挥发性有机物在空毛细管捕集柱中被冷冻捕集, 然后快速加热至100℃进行解析, C2~C4的VOCs由FID检测器检测, 其他的VOCs则由MS检测器检测.该系统同时配套自动反吹和自动标定系统, 可检测C2~C12共98种挥发性有机物, 包括57种非甲烷碳氢化合物、13种含氧(氮)VOCs和28种卤代烃.

1.2 质量控制与保证

为保证数据的准确性和有效性, 采用日校准和月标定进行质量控制与保证, 其中每天00:00进行日校准(美国Spectra Gases, VOC标气, 体积分数4.00×10-9).月标定用EPA的PAMS标准气体(美国Spectra Gases, PAM标气, 体积分数4.00×10-9), 采用5点校准法, 其浓度分别为0.8×10-9、1.6×10-9、2.4×10-9、3.2×10-9、4×10-9, 共得到56种标准曲线, 相关系数(R2)在0.9985~0.9998之间.试验过程中, 浓度超过方法检测限10倍的样品重复检测2次以上, 目标化合物的相对偏差≤15%, 确保仪器的重现性.

1.3 VOCs化学活性评价

结合实测数据, 分别采用最大增量活性浓度(maximum incremental reactivity, MIR)、丙烯等效浓度(Propy-Equiv)两种方法分析该地区冬季大气中VOCs的光化学反应活性, 计算公式见式(1)和式(2).

(1)
(2)

式中, OFPi和VOCi分别为种类i的VOC的臭氧生成潜势和体积浓度; MIRi为种类为i的VOCs在臭氧最大增量反应中的臭氧生成系数, 参考Carter等[1]的研究结果. Propy-Equiv(i)为种类i的丙烯等效体积分数, KOH(VOCi)是某一种VOCs物种与OH自由基反应的速率常数; BOH(C3H6)是丙烯与OH自由基的反应速率常数. VOCs各物种与OH自由基的反应速率常数采用Atkinson[10]的研究.

2 结果与讨论 2.1 冬季大气中VOCs组成特征

研究区冬季大气中主要VOCs物种体积分数和组成特征分别如图 1表 1所示.由图 1可知, 研究区冬季大气环境中VOCs以烷烃为主, 占TVOCs的86.73%, 其次为烯烃(5.80%), 乙炔(4.94%)和芳香烃(2.53%).研究区冬季大气中烷烃平均体积分数为185.00×10-9, 变化范围为22.39×10-9~469.74×10-9, 且烷烃中主要物种有乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、环戊烷, 平均体积分数分别为62.74×10-9、28.59×10-9、18.51×10-9、22.53×10-9、12.20×10-9.烯烃平均体积分数为12.36×10-9, 变化范围为4.43×10-9~30.50×10-9, 其中乙烯、丙烯体积分数较高, 分别为2.82×10-9、2.02×10-9; 乙炔平均体积分数为10.55×10-9, 变化范围为0.17×10-9~32.05×10-9; 芳香烃平均体积分数为5.40×10-9, 变化范围为1.24×10-9~16.23×10-9, 其中苯、甲苯、乙苯、间/对-二甲苯、苯乙烯体积分数较高, 分别为1.87×10-9、1.39×10-9、0.30×10-9、0.69×10-9、0.32×10-9.由于研究区为我国重要的石油化工区, 因此大气中VOCs烷烃类占据主导地位.

图 1 研究区VOCs组成特征 Fig. 1 Composition of VOCs in study area

表 1 VOCs在线监测体积分数及其最大臭氧生成潜势体积分数和丙烯等效体积分数 Table 1 Online monitoring and maximum incremental reactivity and propy-equivalent concentrations of VOCs

表 2为研究区与国内外其他地区大气中VOCs主要成分的体积分数对比.从中可知, 研究区冬季环境空气中TVOCs平均体积分数为213.30×10-9, 高于深圳(67.10×10-9)[11]、悉尼(98.30×10-9)[12]、北京(25.58×10-9)[13]等城市地区, 约是南京(115.80×10-9)[14]大气中TVOCs体积分数的2倍; 与石油化工园区相比, 本研究区VOCs含量约是休斯顿(119.00×10-9)[15]、我国北方某炼油厂(100.00×10-9)[16]以及上海某化工厂(62.23×10-9)[17]等石油化工区TVOCs体积分数的2倍.除体积分数不同, 其组成特征也存在较大差异.有研究表明, 城市环境大气中VOCs占比最高的为苯系物且稳定存在, 主要来源是机动车尾气[18]; 而石油化工业排放的VOCs成分中, 以烷烃(乙烷、丙烷、丁烷、正己烷等)、苯、甲苯、二甲苯为主[19].如表 2所示, 城市地区主要为甲苯等苯系物, 而石油化工区主要为乙烷、丙烷等烷烃.研究区冬季大气中VOCs主要成分为C3~C8化合物, 与Wadden等[19]的研究结果较为一致; 其组成特征与我国北方某石化炼油厂以及休斯顿的较为相似, 因此可初步判断本研究区大气中VOCs含量较高可能与石油开采、运输、存储等过程中的挥发及泄漏有较大关系.

表 2 研究区与其他地区大气中VOCs的主要物种体积分数×10-9 Table 2 Volume fraction of main VOC species in ambient air at the study site and other areas×10-9

2.2 冬季大气中VOCs的时间变化特征

图 2图 3为研究区大气中TVOCs和风速逐日变化趋势及每月(2014年12月、2015年1月、2015年2月)各烃类的组成情况.由图 2可知, 各烃类的组成随月份的不同而存在较明显差异, 特别是烷烃及乙炔, 2015年的1月、2月较2014年12月, 乙炔的体积分数有所上升, 这可能与冬季采暖增加导致燃煤量增加有关[20]; 2015年的2月与1月相比, 各烃类体积分数均有所增加, 这可能与2月温度较低且风速保持在1.0m·s-1而不利于污染物的扩散有关.该研究区大气中冬季TVOCs体积分数的月平均值高达237.37×10-9, 高于某工业区大气中春季(79.50×10-9)和夏季(149.1×10-9)TVOCs[21], 可能是由于冬季气温较低且风速较小, 不利于污染物扩散而使得VOCs积累.本研究中, TVOCs与风速无显著相关性, 但有研究指出风速对VOCs的积累有一定的影响.如图 3所示, 该研究区在2014年12月8日TVOCs突然出现低值, 体积分数低至30.50×10-9, 与前后两天相比, 不足其一半; 从风速来看, 该天风速高达5.0 m·s-1, 此时大气湍流加强, VOCs在湍流混合作用下, 逐渐扩散稀释; 当风速降至1.0 m·s-1时, TVOCs体积分数慢慢上升, 这与刘泽常等[22]对济南市VOCs污染特征研究得出的结论是一致的.

图 2 研究区大气中VOCs组成情况月变化 Fig. 2 Composition of VOCs in the atmosphere in study area

图 3 研究区TVOCs和风速的逐日变化趋势 Fig. 3 Daily variations in TVOCs and wind speed in study area

监测期间VOCs逐时变化趋势如图 4所示.从中可知, 烷烃、烯烃和芳香烃的日变化趋势均呈“双峰双谷”型, 即有两个极大值、两个极小值.在02:00左右, 有一个极大值, 这可能是因为污染源排放加强, 且夜晚温度较低, 光化学作用减弱, 从而VOCs的消耗减少; 在06:00左右出现一个极小值, 可能是由于污染源排放减少; 而在08:00~10:00, 大气中的VOCs含量又逐渐上升, 这可能与早高峰期间机动车汽车尾气排放增加有关; 在14:00~16:00左右, 达到一天最小值, 因为这一时间段是一天中气温最高、太阳辐射最强的阶段, 大气中光化学反应强, 不断消耗VOCs而使得其含量降低[5].烷烃、烯烃与TVOCs的变化较一致, 最大值均出现在02:00左右, 这说明工厂偷排对该研究区大气中VOCs的贡献较大, 而芳香烃的最大值出现在10:00左右, 与上班高峰期时间一致, 说明芳香烃最大值的出现主要与早高峰机动车尾气排放增加有关.研究区VOCs逐时变化显著, 各烃类体积分数均呈现出夜间00:00~06:00高于白天12:00~16:00的趋势, 可能的原因是:①该研究区夜间较白天严重, 存在夜间偷排现象; ②夜间气温较低, 不利于污染物的扩散[23]; ③夜间光化学反应较弱, 消耗减少.

图 4 研究区TVOCs及各烃类逐时变化趋势 Fig. 4 Diurnal variations in TVOCs and different groups in study area

2.3 来源解析

本研究共在线监测56种VOCs, 综合考虑数据完整性及物质种类和浓度, 选取其中的26种进行源解析, 这26种物质的体积分数约占TVOCs体积分数的86.60%, 基本可包含研究区整体状态.

本研究选取主成分分析-多元线性回归法(principal component analysis-multiple linear regression, PCA-MLR)进行源解析, 该方法广泛应用于VOCs的源解析研究中[24], 其核心是用较少的互相独立的因子反映原有变量的绝大部分信息, PCA-MLR模型的具体应用可参见文献[25].采用Spass 22.0软件对这些主要VOCs物种进行分析, 统计检验量KMO=0.765, 适合做因子分析, 利用最大方差正交旋转法, 按照特征值>1的提取原则进行因子分析, 共提取出5个因子, 方差累积贡献率达90.42%, 符合主成分分析的要求.各组分的因子载荷如表 3所示.

表 3 研究区大气中VOCs因子分析 Table 3 Factor analysis for VOCs in ambient air of study area

表 3可看出研究区冬季大气VOCs可大致归纳为5种来源.因子1中贡献率较高的物种有乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、环己烷等低碳烷烃, Barletta等[26]指出乙烷、丙烷和丁烷多与液化石油气(LPG)和天然气(NG)的泄漏及挥发有关, 而异戊烷是典型的汽油挥发示踪剂[27~29], 该研究区是我国重要的油气基地, 可一次性加工1.10×107 t的原油, 因此可将因子1归为燃料挥发源.因子2中贡献率较大的物种有苯、甲苯、乙苯等.苯主要来自于汽车尾气的排放, 而甲苯、乙苯等苯系物主要来自工业排放、溶剂和燃料的泄漏以及汽车尾气排放[30].当B/T比值接近0.5时, 表明主要来源是机动车尾气排放; 而当B/T远大于0.5时, 则表明其主要来源于工业排放[31].本研究中B/T特征比值为1.35, 表明苯系物主要来自工业排放, 因此可将因子2归为工业排放源.因子3中贡献率较大的物种有异戊二烯、丙烯、反式-2-戊烯.异戊二烯主要来源于植物排放和汽油车尾气排放[14, 29, 31], 丙烯主要来源于石油液化气挥发和汽油车尾气排放[32], 反式-2-戊烯主要来源于汽油挥发和汽油车尾气排放[33], 由于冬季研究区气温较低挥发源贡献较小, 其主要受汽油车尾气排放影响; 异戊二烯呈现双峰变化, 在午后达到最大峰值, 表明其也受植物排放影响, 因此可将因子3归为汽油车尾气和植物排放混合源.因子4中贡献率较大的物种主要为癸烷、十一烷、十二烷.有研究表明[33], 癸烷、十一烷、十二烷等正构烷烃主要来源于柴油车排放和沥青的使用, 研究区为石油化工区, 有较多运输石化产品的重型柴油车, 其尾气排放对大气中VOCs的贡献不可忽视, 而由于冬季挥发作用较弱, 沥青挥发带来的影响较小, 因此可将因子4归结为柴油车尾气排放源.因子5中贡献率较大的物种为乙烯、乙炔. Barletta等[26]和Chiang等[34]指出乙炔多和燃烧过程有关, Barrefors等[35]也指出乙烯、乙炔是燃料燃烧的主要产物, 因此可将因子5归为燃料燃烧源.

图 5是PCA-MLR解析出的各类污染源对VOCs体积分数的贡献率, 从中可知, 燃料挥发源、工业排放源、汽油车尾气和植物排放混合源、柴油车尾气排放源、燃料燃烧源的贡献率分别为60.02%、8.50%、2.07%、12.21%、17.20%.其中, 该地区大气中对VOCs贡献最大的源是燃料挥发源, 其次是燃料燃烧源.这可能与观测点所在地为石油化工园区有关, 也进一步反映了该地区石油工业发达程度.

图 5 研究区大气中VOCs的来源贡献率 Fig. 5 Contribution of various sources to VOCs in ambient air in the study area

2.4 光化学反应活性特征

大气光化学反应是VOCs消耗的重要途径, 该过程VOCs对OH的消除及O3的形成有重要贡献.利用Propy-equiv法和MIR法计算得出该研究区冬季大气中VOCs各组分对臭氧生成的贡献率的大小均表现为烷烃>烯烃>芳香烃, 两种方法计算出的贡献率排名前三的物质均为环戊烷(7.15%、10.46%)、1-戊烯(17.35%、10.37%)、正丁烷(6.28%、8.21%).二者之间的不同之处在于, 由MIR法计算出的烷烃的贡献率高于利用Propy-equiv法计算出的贡献率, 这是因为Propy-equiv法忽略了过氧自由基与NO之间的反应, 从而低估了一些化学反应活性较高的VOC.该研究区内烷烃的贡献率高于烯烃、芳香烃, 即使某些烯烃和芳香烃的光化学反应活性更高, 但由于研究区为石油化工区的特殊性, 烯烃、芳香烃的体积分数远低于烷烃, 因此烷烃对臭氧生成的贡献率仍然占主导地位.

光化学年龄是反映携带污染物的气块暴露在OH自由基等氧化剂中发生反应程度的一种指标, 与污染物排入空气的时间和输送路径上OH自由基等氧化剂的浓度有关[36].通常采用来源相似但光化学寿命差异较大的两类物种的环境浓度比值作为评价气团老化程度的指标, 常用的有甲苯与苯、间/对-二甲苯与乙苯的比值[2, 11].本研究选用间/对-二甲苯与乙苯的比值作为评价指标来评价该研究区气团的老程度.间/对-二甲苯和乙苯具有相似的来源, 但间/对-二甲苯的活性强于乙苯, 因此随着大气中光化学反应的发生不断被消耗, 从而二者的比值会逐渐减小, 比值越小, 则说明该气团经历的化学进程较长, 老化程度高, 离排放源较远.由图 6可知, 该研究区冬季大气中间/对-二甲苯与乙苯的比值为1.51.北京城区和郊区的间/对-二甲苯与乙苯的比值分别为1.60和1.14[35].与之相比, 该研究区冬季气团的老化程度高于北京城区而低于北京郊区, 且气团的光化学年龄较长. Liu等[37]的研究发现, 当苯/甲苯(B/T)>0.4、二甲苯/苯(X/B)<1.1时表示气团老化.由图 7可以看出, 该研究区冬季大气气团老化程度高, 与用间/对-二甲苯与乙苯的比值法得出的结果一致, 可由此推断该研究区VOCs含量较高的原因之一可能是VOCs的积累.

图 6 研究区间/对-二甲苯与乙苯散点图 Fig. 6 Ratio of m/p-xylene to ethylbenzene in the study area

图 7 研究区苯/甲苯与二甲苯/苯比值散点图 Fig. 7 Ratios of benzene-to-methylbenzene and xylene-to-benzene in the study area

3 结论

(1) 研究区冬季大气VOCs与其他地区相比, 其混合体积分数和组成特征差异较大, 平均混合体积分数为213.30×10-9, 其中主要成分为烷烃, 体积分数为185.00×10-9, 占TVOCs的86.73%.

(2) 研究区冬季大气VOCs具有夜间高而白天低的逐时变化特征, 烷烃、烯烃、芳香烃均呈“双峰双谷”的变化趋势, 下午14:00~16:00左右, 由于该段时间温度高、太阳辐射强, 光化学作用强, 消耗VOCs多, 因此TVOCs在此时达到一天的最小值, 且风速对VOCs的积累有一定的影响.

(3) 根据PCA模型解析, 共得出5个因子, 分别为燃料挥发源、工业排放源、汽油车尾气和植物排放混合源、柴油车尾气排放源和燃料燃烧源, 贡献率分别为60.02%、8.50%、2.07%、12.21%、17.20%, 其中燃料挥发源的贡献率最大, 这可能与监测点所在地为石油化工区有关, 也进一步反映了该地区石油工业发达程度.

(4) 利用Propy-equiv法和MIR法计算得出该研究区冬季大气中各类VOCs的相对贡献率的大小均表现为烷烃>烯烃>芳香烃, 其中环戊烷、正丁烷和1-戊烯的贡献率较高.通过比值法发现研究区气团光化学年龄较长, 气团老化程度较高.

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