高温条件沥青烟释放危害性与测定装置综述

2015-05-04 07:02刚,张霞,黄
西部交通科技 2015年1期
关键词:沥青装置

黄 刚,张 霞,黄 涛

(1.重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合工程实验室,重庆 400074;2.中交二航局第二工程有限公司,重庆 400042)



高温条件沥青烟释放危害性与测定装置综述

黄 刚1,张 霞1,黄 涛2

(1.重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合工程实验室,重庆 400074;2.中交二航局第二工程有限公司,重庆 400042)

高温条件下热拌沥青混合料施工释放的有毒、有害沥青烟含有多环芳烃等环境优先控制物,污染环境,严重危害施工人员的身体健康。文章针对沥青烟对人体造成的各种危害及其测定装置进行了综述。国内外研究成果表明,沥青烟会带来遗传毒性作用,对人体器官造成损害,引起各种炎症,诱发癌症和导致基因突变、存在人体畸形的高风险;大部分测定装置集中于富集沥青烟后采用微观分析仪器和方法对沥青烟组成进行分析研究,针对道路施工中无组织排放的沥青烟质量进行精确测定的装置相对较少。

沥青烟;危害;测定装置;综述

0 引言

在公路建设中,作为沥青路面主要材料的石油沥青是由性质及分子量不同

的烃和烃的衍生物组成的混合物,在高温状态下,沥青中部分轻质组分会因受热而迁移到空气中,形成有毒、有害的沥青烟。沥青烟的危害主要集中在破坏生态平衡,污染周边环境和威胁人体健康等方面,国内外普遍认为沥青烟在空气中的释放对自然界的危害和生命的威胁较大[1]。因此,揭示高温条件下沥青烟危害性,研究沥青烟组成和抑制技术,实现沥青路面生产全过程的污染控制,保护人民群众身体健康,符合交通行业发展的客观需求。

1 沥青烟释放危害国内外研究现状

沥青成分复杂,因而沥青烟的成分也相当复杂,主要包括多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)及少量氧、氮、硫的杂环化合物,存在萘、菲、酚、咔唑、吡啶、吡咯、吲哚、茚等100多种有机质,这些物质会造成环境污染,直接或间接对人、动物、植物造成危害,沥青烟中的苯并芘(BaP)和蒽类等化合物更是强致癌物。施工人员长期暴露在沥青烟中工作,会出现呕吐、胃痛、头疼以及皮肤、眼、鼻、喉刺激等一系列危害健康的症状,严重者更会引起中毒性肺炎,出现肝脏肿大和白血球增高,诱发癌症和呼吸道疾病;沥青烟还可引起皮炎、毛囊炎等各种炎症,形成血管肿瘤,造成的伤害以面部、颈部、手臂等裸露部分最为明显。沥青烟还会导致工业性氟病(氟中毒),引起“牙斑病”和“氟骨病”。有研究认为,沥青烟对人体造成各种伤害的轻重程度与沥青烟种类、操作方法、劳动保护条件、个人抵抗能力及持续时间有关;沥青烟还会对水、大气和土壤等自然环境造成不同程度的污染破坏[2-4]。

沥青烟中的PAHs是由两个或两个以上的苯环稠合在一起的一类化合物,由于具有毒性、半挥发性毒性、生物蓄积性、并能在环境持久存在,被认为是广泛存在于环境中的典型持久性有机污染物,也是最早被发现和研究的化学致癌物。PAHs能够通过大气、水、生物体等环境介质长距离迁移并长期存在于自然界中,同时PAHs对人体具有强烈的致突变、致癌和致畸形等“三致”作用[1];PAHs还可以通过环境蓄积、生物蓄积、生物转化或化学反应等方式损害健康和环境。PAHs并不直接致癌,而是在生物体内经过酶的作用生成致癌物,增加诱发癌症的几率。

德国[5]早在1977年就把沥青作为可疑的致癌物列入颁布的“行业暴露限值及生物监控指导”中,并于1996年明确规定了沥青烟气和悬浮颗粒的限值。国际癌症研究机构(International Agency for Research on Cancer,IARC)在1987年把沥青烟列为人类可疑致癌物[6][7]。美国国家职业安全与卫生机构(the National Institute for Occupational Safety and Health,NIOSH)对沥青烟的危害相当重视,不但提出了沥青从业人员的保护指南,而且在1988年把沥青烟列为潜在职业致癌物,认为沥青烟与许多急性下呼吸道病症和包括肺癌在内的慢性病相关[8-10];美国密苏里州沥青生产保护指南里明确提到了沥青烟通过大气尘埃、污染水源及沥青固体废弃物对环境和人体造成伤害[12];Norseth[13]等认为,接触沥青烟的筑路工人,主要有疲倦、食欲下降、喉(咽)刺激和眼刺激等症状,症状会随着沥青烟浓度增加而逐渐加重。Machado[14]等指出3~7环的PAHs是沥青烟中主要的致癌突变物;Anthony J[15]等证明了沥青烟与皮肤癌的高相关性;Genevios.C[16]等指出沥青引起致癌突变不仅是PAHs的作用,含氧、氮、硫的杂环烃类衍生物也有一定作用;Sikora.ER[17]等证明沥青烟可对老鼠粘膜产生刺激,导致鼻腔分泌液中中性粒细胞和巨噬细胞数升高,鼻腔内三叉神经元P物质含量增加;Simmers[18]发现动物吸入沥青烟后,支气管周围会产生细胞浸润、导致支气管炎、肺炎、肺脓肿、纤毛上皮萎缩坏死等状况。

在国内,按现行国标《职业性接触毒物危害程度分级》的分级原则,将沥青烟定为Ⅲ级,属中度危害。李海玲[19]认为,沥青烟对小鼠的正常发育产生不良影响,长期接触高浓度沥青烟对小鼠脑组织超微结构造成了损害,神经细胞凋亡率呈升高趋势;郭湘云[20]等证明沥青烟损伤肺组织,影响细胞生长周期,造成细胞增殖能力增强,突变几率增加;钟莹[21]等认为,沥青烟引起人体肺部通气功能下降,造成小气道阻塞性损害;柴尔青[22]等认为沥青烟对人的认知功能产生潜在损害;赵进顺[23][24]等认为,与沥青烟长期接触对人体细胞带来遗传毒性作用;对淋巴细胞存在毒性作用。王慧萍[25]证明,长期接触高浓度沥青烟将导致动物肝、肾组织受损;张业岚[26]等证明沥青烟中的PAHs具有光感作用、刺激作用和致癌性,能引起皮炎、毛囊炎、色素沉着、赘生物等;蒋益林[27]认为石油沥青生产环境中存在着可致人体染色体损伤的有害因素。张丹[28-30]等认为,沥青中的PAHs进入大气与O3作用产生的许多氧化物都具有直接致突性;PAHs与NO2、HNO3形成的硝基多环芳烃致突作用更强。

2 沥青烟测定装置国内外研究现状

国内外学者在研究时主要通过两种方法获得沥青烟;一种是在生产现场富集,但这种方法会受到气候条件变化等不可控因素的影响,对沥青烟系统采集不利;因此,大部分学者会选择第二种方法,在实验室内开发沥青烟测定装置富集沥青烟[31]。

图1 Paranhos R设计的沥青烟测定装置与测定流程图

Paranhos R[32][33]等在试验室拌和机上安装沥青烟取样设备,在拌和的同时对热拌沥青混合料烟雾中的PAHs及有机化合物(Total Organic Carbon,TOC)进行取样分析(见图1)。该法采用能够拌和80 kg沥青混合料,加装了不锈钢烟管的拌和设备,烟管将拌和产生的沥青烟导入取样设备,取样设备上分别放置PAHs和TOC取样探针,分别连接两套独立的抽吸设备,通过一个便携式碳氢化合物自动检测仪对TOC进行分析。采用色谱分析仪对捕获的20~40μm粒径PAHs粒子进行检验分析。

ValérieViranaiken[34]等人发展了ParanhosR的装置,采用能够拌和50kg沥青混合料并加装了2支温度传感器的搅拌设备,温度传感器分别用于测试沥青混合料温度和沥青烟温度(见图2)。为了避免因温度降低导致沥青烟中重的有机物附着在烟管管壁上,致使沥青烟总量被估计不足,又在烟管内加装4支温度传感器控制沥青烟的温度。在ParanhosR的装置中,由于采样流量为2 000mL/min(相当于从业人员暴露在沥青烟中工作8h),规定沥青混合料搅拌时间为30min,不足以在沥青烟中富集到足够的有机物用于研究,因此,增大检测仪容量,将采样流量定为5 000mL/min。

图2 Valérie Viranaiken改进后的沥青烟测定装置示例图

Sivak[35][36]给NIOSH设计的沥青烟测定装置如图3所示,沥青样品盛放在圆底烧瓶中,通过加热搅拌产生沥青烟。干燥处理后的空气以10L/min的速率将热沥青液面上的沥青烟带出,经由4个串联的玻璃纤维滤筒收集烟中的液态颗粒状物质,用XAD-2树脂富集烟中的易挥发性组分。最后将所有收集物用二硫化碳洗脱后进行组成分析。JinWang[37]等人也设计了类似沥青烟测定装置,但装置更加复杂。

图3 Sivak 设计的沥青烟测定装置图

E.Gasthauer[38]等采用的沥青烟富集装置如图4所示。该装置首先将压缩空气经冷凝器去除水蒸汽变为干燥空气,再以恒定流速进入盛有液体沥青,温度恒定的圆柱形反应器带走沥青烟,进入3个不同温度的石英纤维过滤器;第1个过滤器富集沥青烟中的较重组分,第2个滤筒富集中间组分,第3个滤筒富集较轻组分,试验时间2h。将收集的沉淀附着物质量作为沥青烟总质量,计算出在293K(20 ℃)和1个大气压条件下的沥青烟浓度,并采用气-质联用质谱分析法分析沥青烟。

图4 E.Gasthauer设计的沥青烟测定装置图

Agn`esJullien[39]等在测定沥青烟时,按50t沥青采集1个样品的频率对沥青混合料采样,采样在开始生产25min后进行,采样温度160 ℃,采样后,在10min内迅速将100kg沥青混合料分三层连续平铺至试验模具中,压实到7cm高度。然后在试验模具上加盖半圆形铁罩,富集沥青烟,铁罩开口设置了热传感器,与分析仪器连接,采用气相色谱分析法分析沥青烟中的挥发性有机化合物(volatileorganiccompounds,VOC)和PAHs(见图5)。

图5 Agn`es Jullien设计的沥青烟测定装置图

JosephT.Kurek[40]采用的沥青烟测定装置是让50 000g热沥青以薄层状流经一个四方形的平板容器,试验时间284min,模拟沥青拌和过程中产生沥青烟的情况,产生的沥青烟被空气带出,经XAD-2树脂吸附,再经二氯甲烷脱附后进行色谱和质谱分析。该方法较简单,对富集过程中各个条件的控制较严格,接近于现场拌和情况(见图6)。

图6 Heritage设计的沥青烟测定装置图

国家环境保护总局标准(HJT45-1999)[41]中的“固定污染源排气中沥青烟的测定——重量法”,以玻璃纤维滤筒吸附沥青烟,再采用紫外分光光度法、色谱法、红外分析法等方法对沥青烟的结构组成和化学成分进行分析研究(见图7)。

图7 沥青烟富集管图

1-前弯管;2-采样嘴;3-冷却管套;4-冷却水进口;5-冷却水进口;6-锁紧手轮;7-滤筒压盖;8-保温夹套;9-滤筒夹;10-3#玻璃纤维滤筒;11-滤筒保护网;12-温控开关指示灯;13-加热插座;14-采样管;15-采样管抽气端

国标“GB18553-2001车间空气中石油沥青(烟)职业接触限值[42]”中采用紫外分光光度法检测沥青烟浓度时,富集沥青烟的方法是:加热装有适量沥青的250mL锥形瓶,将产生的沥青烟用抽气泵以0.2L/min的流量引出,吸收在内装10mL环己烷的两个串联大气泡吸收管中,直至前管环己烷变黄为止,将其倒入己恒重的蒸发器中,水浴加热使环己烷完全挥发,在80 ℃烘箱中烘至恒重,两次重量差为沥青烟的重量。

张新雨[44]等采用的沥青烟富集装置如图8所示,该法以苯为吸收溶剂,称取适量沥青入蒸馏瓶中,插入温度计,放置于电热套中控温加热,在瓶口处串联两支各装有200mL吸收溶剂的容器吸收沥青烟。通过设在容器末端的可调流量抽气设备,收集沥青烟,每隔30min称取沥青剩余质量,待剩余试样质量前后两次称量基本保持恒定则停止收集沥青烟,计算该温度沥青烟产生比例P(%)。

图8 张新雨的沥青烟富集装置图

1.蒸馏瓶;2.电热套;3.温度计;4.容量瓶;5.抽气装置

湖北省交通运输厅公路管理局环境监测站采用等离子体技术处治沥青烟[45],测定沥青烟装置如图9所示,沥青在容器中被控温加热,产生的沥青烟被引风机吸入净化器中,排气口用微电脑烟尘平行采样仪和中流量大气采样器分别采样。净化器滤筒和滤膜采用超细玻璃纤维,采样速度100L/min,以环已烷为溶剂,提取滤筒、滤膜中的沥青烟,采用紫外分光光度法测量沥青烟浓度。

图9 等离子体处治沥青烟试验装置图

注:1.沥青烟发生器;2.集气罩;3.采样点;4.沥青烟净化器;5.采样点;6.引风机;7.等离子体发生器

张中豪则通过催化氧化和红外分析对沥青烟进行测定[46]。在图10的测定装置中,将加热至约60 ℃的液态沥青从管3入口(图中箭头处)滴入管内至大半管高度,并加热至500 ℃,管3入口与阀2连通,使钢瓶1中的高纯N2经阀2,以约1L/min的流量连续流经管3,将管3中沥青产生的沥青烟带走,其中的高沸点组分在空冷管4中凝集,低沸点组分被管5中的煤基吸油剂或活性碳吸附,残留的沥青烟则在转化炉6中被加热至450 ℃的稀土CuO全部裂解和催化氧化成CO2和水,将CO2干燥后进入870 ℃的CO2还原炉中,使CO2还原为CO,再次干燥后进入红外分析仪测定气流中的CO浓度,换算为沥青烟浓度。该装置适用于建筑、石油、冶金、焦化等工业部门,可实现对沥青烟浓度的连续在线检测。

注:1.N2钢瓶;2.减压阀和稳流稳压阀;3.沥青加热管;4.沥青烟空冷管;5.固体吸附剂管;6.稀土CuO转化炉;7、9.硅胶干燥管;8.CO2还原炉;10.便携式CO红外分析仪

重庆交通大学何兆益[47]研发的基于重量法的沥青烟测定装置见图11,该装置由沥青烟产生装置、收集装置、排空装置等三部分组成。沥青烟经产生装置进入收集装置,该部分由内装满制冷剂的保温箱和内装聚丙烯棉的锥形瓶组成,通过锥形瓶的沥青烟被降温冷凝在聚丙烯棉上,残余气体被导入沥青烟排空装置排出。经冻干技术处理后,称量得到聚丙烯棉试验前后的质量差即为沥青烟质量。该装置可以模拟沥青路面施工时沥青烟的无组织排放状况,精确测定沥青烟量。

图11 何兆益的沥青烟测定装置图

目前国内在焦化、涂料和石油化工行业以及环境监测部门应用比较广泛的是标准HJT45-1999中规定的方法,但针对交通行业需要模拟沥青路面长时间施工,大量沥青烟无组织释放的状况,采用该法中70mm长的玻璃纤维滤筒在42±10 ℃的温度条件下富集沥青烟并不适宜;同时,该法要求采样后的滤筒在干燥器内干燥24h,则可能导致部分富集的沥青烟再次挥发。

3 结语

(1)中外研究人员针对沥青烟可能造成的危害,从医学、遗传毒理学等方面进行的大量研究和动物实验证明沥青烟气会带来遗传毒性作用,对肝、肾造成损害,会引起肺通气能力下降,导致工业性氟病,使血钙减少,代谢紊乱。沥青烟还会产生慢性粘膜刺激症状,引起皮炎、结膜炎、鼻炎、咽喉炎等炎症,对人体心血管系统有较大影响,存在诱发癌症和导致基因突变、造成人体畸形的高风险。

(2)国内外学者根据不同原理开发的沥青烟测定装置为研究沥青烟组成和抑制技术奠定了基础。大部分测定装置是在富集沥青烟后采用微观分析方法对沥青烟组成进行分析研究,针对路面施工无组织排放沥青烟质量进行精确测定的装置相对较少。

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Summary of Asphalt Fume Release Hazard and Measuring Device under High Temperature Conditions

HUANG Gang1,ZHANG Xia1,HUANG Tao2

(1.National and Local Joint Engineering Laboratory of Transportation and Civil Engineering Materials,Chongqing Jiaotong University,Chongqing,400074;2.China Communications 2nd Navigational Bureau 2nd Engineering Co.,Ltd,Chongqing,400042)

Under high temperature conditions,the toxic and harmful asphalt fume released from hot-mix asphalt mixture construction contains the polycyclic aromatic hydrocarbons and other environmental pri-ority controlled substance,with environmental pollution,seriously endangering the health of construction workers.This article summarized the various hazards of asphalt fume to human body and their measur-ing devices.Domestic and foreign research results showed that the asphalt fume will bring genotoxic effect and damage to human organs,causing a variety of inflammation,inducing the cancer and leading to gene mutations,with the presence of high-risk human deformities;most measuring devices focused on the analysis and study of asphalt fume composition by using the micro-analytical instruments and methods after the enrichment of asphalt fume,while there are few devices for the accurate determina-tion of asphalt fume quality under fugitive emission during road construction.

Asphalt fume;Hazards;Measuring device;Summary

黄 刚(1971—),男,博士,副教授,主要从事道路工程、材料工程的科研、教学、检测工作;

张 霞(1976—),女,博士研究生,主要从事道路工程、材料工程的科研、教学、检测工作;

黄 涛(1973—),男,高级工程师,主要从事材料、桥梁工程的检测和工程管理工作。

国家自然科学基金“高温条件下改性沥青烟雾产生机理与抑制技术研究”(编号:5107 8372);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目“高温条件下热拌沥青混凝土抑烟技术研究与应用”(编号:20105522110002);重庆市科委自然科学基金项目“低碳排放SBS复合改性沥青混凝土的开发与动态特性研究”(编号cstc20 11jjA1028)

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.01.020

1673-4874(2015)01-0092-07

2014-12-12

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