2. 福建省福州市环境监测站, 福州 350000
2. Fuzhou Environmental Monitoring Station, Fuzhou 350000
近年来,大气中挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds,VOCs)成为了研究的热点(Zeinali et al., 2011;陈长虹等,2012;冯小琼等,2013).挥发性有机物是指沸点在50~260 ℃之间,室温下饱和蒸汽压超过133.33 kpa的易挥发性有机物(Maroni et al., 1995).挥发性有机化合物(VOCs)除了具有毒害性外(美国环保局清洁空气法中确认为有毒的挥发性有机物有166种),同时还是对流层臭氧生成的重要前体物,对城市大气光化学烟雾的形成有着至关重要的作用.因此,研究VOCs的浓度水平组成特征及其大气化学反应活性是认识臭氧污染的重要基础.
我国对于VOCs研究主要集中在京津冀、长江三角洲和珠江三角洲,因三大板块是我国经济重点建设区域,已成为中国经济极具影响力的经济隆起地带,而大气中VOCs浓度也随之日益升高.张俊刚等(2009)、张靖等(2004)、吴方堃等(2010)都对北京VOCs组成特征分析,结果均表明北京VOCs组分中以烷烃和芳香烃浓度最高.陈长虹等(2012)、崔虎雄等(2011)、邓雪娇等(2010)分别对上海市城区、珠江三角洲大气中VOCs特征进行分析,发现上海、珠江三角洲也同北京相似,烷烃和芳香烃占大气中VOCs比例较大.VOCs各物种的化学反应活性存在很大的差异,生成臭氧的能力各不相同,已有许多学者对VOCs的活性展开了研究.朱少锋等(2012)利用最大增量反应活性(Maximum Incremental Reactivity,MIR)估算深圳地区各类VOCs的臭氧生成潜势(Ozone Formation Potential,OFP),发现芳香烃的臭氧生成潜势最高、其次为烯烃,烷烃最低.徐慧等(2015)用最大增量反应活性评价厦门的冬春城区、郊区VOCs的活性,结果和朱少峰(2012)一致.对于VOCs的研究除浓度特征和反应活性外,有些学者还对VOCs来源进行研究.Guo等(2004a;2006;2004b)运用PCA/APCS对香港、珠江三角洲、中国东部农村地区大气中挥发性有机物进行源解析,结果显示香港VOCs主要来源于汽车排放和溶剂使用;珠江三角洲主要来源于汽车排放和工业排放;中国东部农村地区VOCs主要来源于汽车排放和生物质燃烧.目前,对于本底区域或者清洁地区大气中VOCs的研究并不多.然而,对于清洁地区VOCs浓度的研究具有重要的意义,有利于了解区域VOCs背景浓度值,进而评价人类社会活动对大气VOCs浓度影响程度.张军科等(2012)对贡嘎山本底站大气中的VOCs研究发现,芳香烃所占的比例最高,其次是烷烃;且浓度变化具有明显的季节特征,其季节变化特征主要由所占比例较高的芳香烃和烷烃决定.王木林等(2006)对上甸子和临安本底站大气进行四期监测研究,发现两个站峰值均出现在10月份,有明显的季节变化规律,且芳香烃平均百分比均最高,组分呈现一定机动车尾气特征.Kim等(2015)连续7年对首尔城区和郊区清洁地区的VOCs对比研究,郊区的平均浓度值较低,运用PCA/APCS分析得到LPG和LNG郊区大气中的VOCs最大来源,城区主要来源于交通源.
福州市作为福建省的省会,城市化建设和工业发展加快,居民生活水平提高,汽车保有量增加,臭氧浓度水平逐年升高.本论文对福州市清洁地区鼓山站点夏季和秋季VOCs浓度变化特征进行分析,评价两个季节VOCs的化学活性特征,了解VOCs的关键活性组分,初步探讨鼓山VOCs来源,以期对福州地区臭氧浓度控制提供基础数据.
2 采样与方法(Sampling and analysis) 2.1 样品采集地点与时间鼓山监测站点是福州市大气环境国控监测站点,为清洁对照点,位于福州市鼓山风景名胜区内,在福州城区东北方向,距市区约7.2 km,监测站点设在鼓山风景区管委会大楼顶,楼高约15 m.鼓山植被覆盖率高,以亚热带常绿乔本树种马尾松和常绿相思树两大类为主.周围除了连接城区和其他城镇便捷的交通网之外,没有明显的排放源存在,能够很好地反映福州清洁地区空气质量.2014-07-27至2014-08-02、2014-10-20至2014-10-26,在鼓山站点进行2期采样,每期连续7 d,每天采样时段为8:00—9:00,10:00—11:00,12:00—13:00,14:00—15:00,16:00—17:00,18:00—19:00,20:00—21:00共7个时段,采样装置为抽真空的苏玛罐(6 L,内壁经过硅烷化处理),苏玛罐前置CS1200E流量控制器进行连续1 h采样(流量为100 mL · min-1).夏季7月份和秋季10月份共获得98个有效样品.
2.2 气象特征采样期间,同步观测气压、温度、湿度、风速和风向等气象要素.2个月份的气压变化不明显.7月份连续采样期间的气温较10月的高,7月份和10月份平均气温分别为(31.6±3.31)℃和(23.4±3.29)℃,平均相对湿度分别为63.6%±11.38%和72.4%±8.53%.7月份采样期间风速变化范围为2.2~3.0 m · s-1,平均风速为(2.6±0.91)m · s-1,主导风向为西南风;10月份采样期间的平均风速为(2.8±1.31)m · s-1,变化范围在1.6~3.6 m · s-1之间,主导风向为南风.7月份采样期间有3 d臭氧超标,出现轻度污染,其他天数空气质量均为良,平均空气质量指数为88±26.10月份采样期间空气质量均为良,平均空气质量指数为69±8.两期的采样期间均未出现极端天气,样品具有代表性.
2.3 样品分析空气样品经Entech7016CA自动进样口,进入预浓缩仪(Entech 7100 Preconcen- trator)进行三级浓缩处理后,VOCs由氦气带入检测系统气相色谱/质谱仪(GC7890C/MS5975C)进行检测.经色谱柱(60 m×0.25 mm×1.0 μm)分离后进入MSD(SIM方式)定性定量检测出各种物质.标气采用美国EPA认可的、含64种目标化合物的TO-15和含57种目标化合物的PAMS方法.TO-15和PAMS重复的14种目标化合物在PAMS校准曲线中建立,在TO-15目标化合物中舍去.通过质谱图/保留时间进行定性,内标法进行定量,方法检出限在0~1.42 μg · m-3之间,精密度约为2%,各组分定量线性响应的可决系数R2范围为0.9479~0.9999.标气和空白样均使用ENTECH 4600动态稀释仪进行配置.
2.4 大气VOCs反应活性评价方法大气挥发性有机物反应活性(VOCs reactivity)是指某一有机物通过反应生成产物或生成O3的潜势(唐孝炎等,2006).臭氧生成潜势(OPF)指化合物在大气中所有反应产生的最大臭氧量.评价臭氧生成潜势(OPF)方法通常采用等效丙烯、羟基消耗速率(LOH)和最大增量反应活性(MIR)(Zeinali et al., 2011;Martien et al., 2003)来表征.等效丙烯浓度评价方法和LOH方法中只能体现VOCs与OH自由基在光化学反应下的大气化学活性;而最大增量反应活性计算不仅反应出VOCs与OH自由基的反应速率,并考虑它跟NOx化学反应,从而较为全面的表现了VOCs的大气化学活性贡献.本文选用最大增量反应活性来进行OPF值计算.臭氧生成潜势为VOCs物种的大气环境浓度与其相应MIR系数乘积,计算公式为:
本研究共检测出90种挥发性有机化合物,将 VOCs 物种分为五类:烷烃、烯烃、芳香烃、含氧含硫有机物及卤代烃,其中烷烃25种,烯烃9种,芳香烃18种,含氧含硫化合物9种,卤代烃29种.在监测期间,鼓山总挥发性有机物(Total Volatile Organic Compounds,TVOCs)浓度变化范围较大,为41.25~4078.35μg · m-3.两季TVOCs平均浓度为(296.65±48.20)μg · m-3,秋季较夏季高,夏季平均浓度为(262.57±256.71)μg · m-3,秋季为(330.74±254.38)μg · m-3.图 1为鼓山夏季和秋季TVOCs组成特征.鼓山夏季烷烃、烯烃、芳香烃、含氧含硫有机物和卤代烃的浓度分别为(100.52±107.30)μg · m-3、(30.31±30.47)μg · m-3、(13.39±3.55)μg · m-3、(65.06±75.45)μg · m-3、(53.30±41.55)μg · m-3.秋季烷烃为(130.20±109.99)μg · m-3、烯烃为(38.09±34.50)μg · m-3、芳香烃(21.38±5.40)μg · m-3、含氧含硫烃(68.02±78.77)μg · m-3、卤代烃(73.05±41.91)μg · m-3.两季平均VOCs浓度组成为烷烃(115.37±20.99)μg · m-3,含氧化硫烃(66.54±2.10)μg · m-3,卤代烃(63.17±13.96)μg · m-3,烯烃(34.20±5.50)μg · m-3,芳香烃(17.38±5.65)μg · m-3.可见鼓山夏季和秋季大气中TVOCs均以烷烃、含氧含硫烃和卤代烃为主,烷烃所占的比例最大,在38.28%~39.37%之间.所检测出VOCs物种中,两季平均浓度排名前十的物种为正戊烷、乙酸乙酯、异丙醇、二氯甲烷、正丁烷、异戊烷、二氟二氯甲烷、1-戊烯、一氟三氯甲烷、正丁烯.有研究表明,异戊烷、正戊烷均为液体汽油及其蒸气中含量丰富物种(陆思华等,2003),且异戊烷是典型的汽油蒸发的示踪剂(Duan et al., 2008).乙酸乙酯、异丙醇、二氯甲烷和氟氯烃主要来自于工业排放和LPG燃烧污染(韩萌等,2011).由于鼓山站点设在清洁地区,周围并无明显的排放源.结合风向风速气象资料,鼓山白天主要以东南风为主,而晚上盛行西南风,城区白天排放的污染物随着风向被携带至鼓山地区,使鼓山大气中的VOCs浓度值升高.因此,鼓山大气中的VOCs浓度可能来自于其他区域的远程输送.
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| 图1 鼓山夏季和秋季TVOCs组成特征 Fig.1 Concentration characteristics of TVOCs in summer and autumn at Gushan site |
表 1为福州和国外一些城市部分VOCs物种浓 度的比较.由表 1可见,不同城市的VOCs浓度水平相差较大,但也有一些相同的地方,如在各个城市中甲苯均是芳香烃类物质最丰富的物种.本研究中,芳香烃浓度值低于国内其他城市,这可能是由于鼓山作为清洁站点,周围不存在明显的污染排放源.此外,芳香烃主要来源于家具、塑胶、印刷、喷涂等行业的排放,而福州地区这些行业的发展水平较北京、深圳、上海等城市落后.对比于其他城市,福州的各物质浓度值远远低于北京,而高于香港、东京和首尔等,这可能与地区的经济水平、环保措施贯彻及环境的扩散条件存在一定的关系.厦门和福州都是属于福建省的主要城市,地理区位条件相似,两市的浓度水平也较相近.值得注意的是,相比其他城市,福州地区异戊二烯浓度较高,这可能和本次监测站点的选择有关.鼓山监测站点位于鼓山风景区内,植被覆盖率高,且福州年均气温较高,光照强,植物光合作用强烈,可能导致异戊二烯浓度较高.
| 表1 福州和国内外一些城市部分VOCs物种浓度的比较 Table 1 Comparison of selected VOCs measured in Fuzhou and other cities |
图 2分别是鼓山夏季和秋季烷烃、烯烃、芳香烃、含氧含硫烃、卤代烃和TVOCs日变化趋势图.如图可知,各物质显示出季节特征,秋季的最大值会相对于夏季晚2~4 h.TVOCs和各类物质日变化趋势总体呈现单峰型.夏季早晨浓度较低,在上午10:00左右出现最大值,随后下降至14:00出现最小值,16:00之后浓度略有升高,但在18:00之后烷烃和烯烃浓度没有明显波动.秋季污染物日变化总体呈现先增加后减小的趋势,中午浓度值达到最大.秋季5类物质变化略有差异,烷烃和烯烃最大值出现在中午12:00,芳香烃、含氧含硫烃和卤代烃14:00出现最大值,但16:00之后秋季的这5类物质变化趋势基本一致,浓度值趋于平缓.这种VOCs日变化特征与排放源有关,也与气象条件的日变化相关.早晨人类活动开始频繁,机动车排放增加,导致VOCs浓度上升.在夏季随着太阳辐射加强,光化学反应活跃,消耗部分的VOCs.此外,中午温度高,大气层边界层被抬高,气流流动性强,有利于污染物的扩散,因此夏季VOCs在中午出现最低值.相反,秋季中午VOCs浓度值最大,这主要是因为秋季太阳辐射强度较弱,造成光化学反应较慢,VOCs的消耗降低,且排放源持续排放,污染物出现累积.
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| 图2 鼓山烷烃,烯烃,芳香烃,含氧含硫烃,卤代烃和TVOCs日变化特征 Fig.2 Diurnal variations of alkanes,alkenes,aromatics,OVOCs,halogenoalkane and TVOCs concentrations at Gushan site |
根据5类物质之间具有类似的日变化特征,对烷烃、烯烃、芳香烃、含氧含硫烃和卤代烃进行相关性分析,烷烃和烯烃、卤代烃的相关系数分别为0.95、0.97,卤代烃和烯烃的相关系数为0.94,因此,鼓山站点的烷烃、烯烃、卤代烃可能来源一致.芳香烃和其他物种的相关性不高,仅与含氧含硫烃相关性最大,r值为0.61,芳香烃和含氧含硫烃可能有部分共同的来源.
3.3 鼓山大气VOCs化学活性及其关键组分分析为了解鼓山站点大气VOCs化学组成的稳定性和化学活性的强弱,选取41种VOCs(烷烃19种、烯烃9种、芳香烃13种,这3类挥发性有机物浓度占所测的总VOCs百分比超过50%),进一步分析鼓山夏季和秋季各个VOCs物种的臭氧生成潜势(OFP),了解不同VOCs组分的反应活性及其在臭氧生成中的作用,识别影响鼓山地区O3生成的关键VOCs物种.计算结果见表 2.从表 2中可以看出,鼓山监测站点夏季和秋季平均大气VOCs最大O3增量反应活性分别为371.95 μg · m-3和484.13 μg · m-3,大气VOCs各物质平均最大O3增量反应活性分别为2.67 g · g-1和2.62 g · g-1,说明鼓山地区VOCs具有较高的反应活性,但夏季和秋季平均VOCs反应活性不存在明显的差异.
| 表2 鼓山夏季和秋季VOCs物种OFP值 Table 2 OFP of ambient VOCs in summer and autumn at Gushan site |
图 3显示鼓山监测站点烷烃、烯烃、芳香烃3类挥发性有机物OFP的贡献率.鼓山夏季和秋季烯烃类物质浓度占TVOCs百分比为22.77%和20.63%,但从图 3可看出烯烃类物质在两季中均占有最高的OFP相对百分含量,夏季为60%,秋季为57%.烯烃的臭氧生成潜势高,这与李用宇等(2013)对南京、罗玮等(2011)对广州VOCs物种OFP的研究结论一致.鼓山夏季和秋季两季烯烃类物质OFP 相对百分含量均超过50%,表明烯烃类物质具有较高的活性,虽含量较少,但对O3生成贡献大.3类挥发性有机物对总OFP贡献率中烷烃居其次,芳香烃的臭氧生成潜势最小.
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| 图3 鼓山夏季和秋季烷烃、烯烃和芳香烃对OFP的贡献率 Fig.3 Alkanes,alkenes and aromatics contributions to OFP in summer and autumn at Gushan site |
鼓山夏季和秋季OFP值排前10的VOCs物种,如图 4所示.前10个VOCs物种的OFP对夏季和秋季TVOCs的OFP相对贡献率基本一致,分别为82.25%和82.20%,表明鼓山站点OFP排在前10的VOCs物种具有很大的臭氧生成潜势.鼓山夏季和秋季OFP排在前10的VOCs物种,其中有9种相同,但在两季中的排名顺序略有不同.夏季OFP排在前10的VOCs物种有1-戊烯、异戊二烯、正戊烷、丙烯、正丁烯、异戊烷、间二甲苯、正丁烷、3-甲基戊烷和甲苯,秋季依次是丙烯、正戊烷、正丁烯、1-戊烯、异戊二烯、正丁烷、甲苯、异戊烷、间-二甲苯和顺-2-丁烯.值得注意的是,异戊二烯的OFP在烯烃类物质中占有很大比重,是活性很强的烯烃.鼓山夏季异戊二烯OFP值为72.36 μg · m-3,大于秋季的48.76 μg · m-3,这符合植物光合作用特点.在夏季光照较秋季强,光合作用较强,释放的异戊二烯量也增加,增大了烯烃臭氧生成的能力.有研究表明,城市大气中的异戊二烯来源于天然植物排放和汽车尾气(So et al., 2004),而丙烯是汽车内燃机的典型排放物(Guo et al., 2004a).进一步对异戊二烯和丙烯进行相关性分析发现,夏季异戊二烯和丙烯相关性很好(R2=0.845),秋季R2值为0.439,由此可知,鼓山地区大气中的异戊二烯除来源于天然植物排放外,汽车尾气也是其另一来源.
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| 图4 鼓山夏季和秋季OFP值排前10的VOCs物种 Fig.4 Top 10 OFP species in summer and autumn at Gushan site |
鼓山作为福州地区的清洁对照点,代表福州地区大气VOCs背景浓度值,为缓解福州臭氧污染问题应优先考虑控制OFP排前10活性较大的物种.结合两季的OFP值大的物种,鼓山VOCs活性较强的主要为C3~C5的烷烃及烯烃,还有少量的芳香烃物质.有研究表明(王倩等,2013;杨辉等,2013;冯晓琼等,2013;夏丽等,2013),低碳烷烃、烯烃和芳香烃主要来源汽车尾气,且丙烯是汽车内燃机的典型排放物,顺-2-丁烯是内燃机不完全燃烧排放,正/异戊烷及3-甲基戊烷是汽油成分中丰富的物种.因此,福州活性较大的物种主要来源于交通源,有关部门可针对此制定相应的措施.
3.4 气团老化特征光化学年龄(气团老化状况)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(葛宝珠等,2010).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,正丁烷/丙烷、异丁烷/丙烷、甲苯/苯、乙炔/CO、间/对-二甲苯比乙苯等浓度比值广泛应用于许多研究中(徐敬等,2012).由于丙烷和乙炔在本研究未被检测出,因此本文选用间/对-二甲苯与乙苯的比值作为评价指标(So et al., 2004;Zhang et al., 2008),来评价鼓山气团的老化程度、大气化学反应进度和传输过程.间/对-二甲苯和乙苯从同一污染源排放到大气中,间/对-二甲苯活性比较强,随着大气中光化学反应的发生不断的被消耗掉,间/对-二甲苯和乙苯的浓度比值会越来越小;比值较小,则说明该气团经历的化学进程较长,老化程度高,离排放源比较远.图 5为鼓山夏季和秋季间/对-二甲苯与乙苯浓度散点图.由图可见,间/对-二甲苯和乙苯浓度比值夏季为0.615,秋季为1.343.徐敬等(2012)对北京VOCs研究发现,城区和郊区的间/对-二甲苯和乙苯比值分别为1.60和1.14,而香港城区和郊区分别为1.60和1.20(Zhang et al., 2008),说明郊区的VOCs来源比城区远,气团老化程度较高.与北京和香港类比,鼓山夏季气团的老化程度明显高于秋季,夏季气团经历了较充分的化学转化和混和过程,这和远距离传输密切相关.因此,鼓山秋季VOCs受局地排放源影响较大,而夏季主要来源于其他区域的传输.
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| 图5 鼓山夏季和秋季间/对-二甲苯与乙苯浓度散点图 Fig.5 Scatterplot of M/P-xylene and Ethlybenzene concentrations in summer and autumn at Gushan site |
1)鼓山秋季平均TVOCs浓度和最大臭氧生成潜势都高于夏季,但两季VOCs各物种平均OFP值相当.两季VOCs 的优势物种均是烷烃类物质,但烯烃表现出的臭氧生成潜势远远大于烷烃.对烷烃、烯烃、芳香烃、含氧含硫烃和卤代烃及TVOCs的日变化浓度进行分析,结果显示各类VOCs具有季节性特征,夏季峰值出现在早上10:00;而秋季峰值出现在14:00.
2)鼓山VOCs优势物种为正戊烷、乙酸乙酯、异丙醇和二氯甲烷等,其关键活性组分为1-戊烯、异戊二烯、正戊烷和丙烯等.对鼓山站点VOCs浓度值及OFP前10的优势物种分析结果表明:鼓山大气VOCs浓度主要来自交通源的贡献.
3)夏季异戊二烯浓度值和OFP值均高于秋季.异戊二烯的OFP值排在第二,说明鼓山站点异戊二烯对臭氧生成的贡献不容忽视.
4)选取间/对-二甲苯与乙苯环境浓度的比值作为评价气团老化程度的指标,结果显示:鼓山地区夏季气团的老化程度明显高于秋季,鼓山夏季大气中的VOCs主要来自于其他区域的远程输送.
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2016, Vol. 36






