大气环境中VOC的监测分析

刘明清

（广州广电计量检测股份有限公司，广东 广州 510000）

监测大气环境中的VOC状态，对治理环境污染具有重要的参考价值。大气环境中的VOC含量以及迁移转化会受多种因素的影响，例如污染源分布、风力风速以及大气稳定程度等。而且不同监测方法所适用的环境也有较大的差异，很多情况下只对某些特定地区以及特定空气组分有效，这就决定了整个监测工作实施的高难度。为提高监测结果的可靠性，必须要从实际出发，综合比选后确定适应性最强的技术方法，并做好各种影响因素的控制，规范监测流程和实施方法，切实掌握当地大气环境中VOC的情况。

1 VOC特性概括

1.1 VOC特性

世界卫生组织将VOC定义为挥发性有机化合物，沸点在50～260 ℃范围内、室温条件下饱和蒸气压高于133.32 Pa、常温下以蒸汽形式在大气中弥漫存在。根据结构特性，可将其分为烷类、芳烃类、卤烃类、烯类、酯类、醛类、酮类以及其他化合物。我国对VOC的定义是参与大气光化学反应的有机化合物，或者可通过规范标准测量以及核算确定的有机化合物。目前大气中监测到的VOC达600种以上，具有活动性、浓度低等特点，对大气环境以及人体健康均具有较大的危害。根据以往的监测结果可以确定，VOC在大气环境中具有非常强的活性，对大气环境系统的稳定性影响比较大，可以转化成光学性烟雾，非常不利于动植物的生长，且浓度过高的情况下还会损坏臭氧层[1]。另外，VOC本身就具有较强的毒性，会诱发人体发生癌变，对人体的危害还包括：①产生依赖性；②诱发急慢性疾病；③导致NBS与SBS等。

1.2 VOC的监测要求

在工业快速发展的背景下，大气环境中的VOC含量也在日益增加。据统计，通过对空气污染的治理，并未使臭氧浓度恢复提升，城市空气质量监测中达标的比例降低。VOC对臭氧的生成有着较大影响，是重要的前体污染物，并且在紫外线照射下，VOC与氮氧化物之间会产生非线性反应，造成对流层的臭氧浓度不断增加，在阳光照射下形成城市光化学烟雾，这会在一定程度上加速气候变暖[2]。为更好地解决臭氧问题，由于其生成过程是非常复杂的非线性反应，需要同时对氮氧化物和VOC进行控制管理，从而更好地完成对城市空气质量的控制。另外，VOC所形成的二次气溶胶在二次颗粒物中起到了非常重要的作用。在我国城市大气质量持续降低的情况下，必须要重视对VOC的控制，要采取合适的技术方法对其含量和组分进行精确地监测，最终与各项监测数据指标结合，制定科学可行的治理方法与计划。

2 大气环境中VOC的危害

2.1 形成光化学污染

VOC作为PM2.5的重要前体物，对光化学烟雾的形成有直接影响。当大气环境中的臭氧浓度增大到一定程度后，出现雾霾天气的概率也会增大，进而引发一系列的大气环境问题，如果不能够有效处理，还会危及人体健康。受阳光照射的影响，VOC会与大气环境中存在的氮氧化物以及碳氢化合物等发生反应，产生很多高活性的自由基，最终形成光化学烟雾，造成对空气环境的二次污染。臭氧不仅是大气层的重要组成部分，现在还被广泛地应用于水体净化、除臭杀菌等诸多方面，均取得了良好的应用效果。但是与低浓度臭氧的广泛应用相比，高浓度的臭氧会对人体健康产生影响，例如会加速皮肤内维生素的破坏，以及影响消化与呼吸系统，甚至还有可能导致神经系统中毒，对人体免疫系统产生威胁[3]。如果长时间处于高浓度的臭氧环境中，人体健康以及植物生长均会受到较大的影响。另外还需要注意的是，特定环境条件下，VOC与大气中的颗粒污染物融合后还会形成二次有机气溶胶，产生光化学烟雾，并会造成酸沉降。受当地气候条件以及污染源等因素的影响，一旦发生长距离的迁移和大范围扩的散，不仅会威胁当地的大气环境，甚至会造成全国乃至全球范围内的环境污染。因此，必须要提高对VOC监测工作的重视，掌握可靠的监测数据，用于对大气污染的治理。

2.2 诱发火灾和爆炸

乙烯、丙烯和脂肪烃类VOC在石油化工生产中十分常见，当其处于正常条件下时仅存在微小的毒性，不会对环境及人体健康产生危害。但是当其剂量浓度比较大时，便产生了较大的危害，并且，此类VOC物质具有易燃易爆的特点，假如在使用过程中储存不专业，或者是操作不规范，就存在发生火灾甚至爆炸事故的可能性，一旦发生这些事故，势必会产生巨大的损失，对环境以及人员的安全存在较大的威胁，所以必须要采取专业手段进行管理，将各项防护措施落实到位，从根源上预防问题的发生[4]。

2.3 危害人体健康

大气环境中的VOC会以直接或者间接的方式对人体健康产生危害，例如通过散发气味、感官刺激等威胁人体的诸多系统，诱发急慢性疾病，同时还具备基因毒性和致癌性特点。VOC中的很多类型均存在刺激性气味，日常生活中受到家装建材、家具、毛毯、复印机以及建筑涂料油漆的影响，甚至是护肤品以及一些喷雾内也含有VOC，如果室内通风不畅，多源头散发的VOC始终存在于房间内，便会形成一个相对密闭的污染环境，对人体健康产生的威胁更加严重。当大气环境中VOC含量达到一定浓度后，人们就会出现头疼、反胃、困乏、恶心想吐等症状，情况严重的还会导致晕厥，并对肾脏和肝脏功能造成损害。如果长时间处于VOC浓度超标的环境下，还有可能对大脑和神经系统产生一定影响，造成记忆力衰退。目前已将苯类、甲醛等多种VOC列为致癌物，苯类VOC会损害到人体神经中枢系统，严重时会造成神经系统障碍，损害造血器官功能，最终表现为出血症状，甚至有可能感染败血症[5]。卤代烃类VOC将会造成人体神经衰弱，加速人体内血小板数量的减少，影响正常肝功能，甚至会诱发癌症。

3 大气环境VOC监测方法

3.1 监测方法的原理

大气环境VOC监测常用方法主要为：①吸附管采样法，然后进行热脱附处理或者气相色谱处理，最后应用质谱法分析；②罐采样方法，然后在-160 ℃～-150 ℃条件下进行冷阱浓缩处理，或者是热脱附处理，然后应用气相色谱-质谱法分析；③采用气袋采样的方法，通过吸附管采集气体，并进行热脱附处理，最后应用气相色谱-质谱法分析。

3.2 监测流程与方法

3.2.1 样品采集

对大气环境VOC的含量以及组分进行监测时，因为其成分比较复杂，同时还存在着易挥发、含量低等特点，采样难度比较大，如果采样不规范将会对最终的监测结果产生影响，为确保结果精确，必须要重视采样环节的管理。常用的采样方法包括吸附采样和全量真空采样。

3.2.1.1 吸附采样

吸附采样适用于浓度较低的VOC监测，利用固体吸附剂来吸附样品。在选择吸附剂时，不仅要考虑吸附化合物的特性，同时还要保证其具有较大的吸附容量、化学性质稳定以及收集效率高等特点。比较常用的吸附剂包括聚合物式与碳吸附式，且后者成本优势大，应用更广泛，如石墨碳、多孔碳以及活性炭等。无论选用哪种吸附剂，均要保证其化学以及物理性质稳定，且操作简单，不会随着吸附而发生体积变化。我国现行监测标准中，应用吸附管取样虽然易操作，但是要注意避免外部环境产生的影响，所适用的化合物种类受限较大，尤其是挥发性低以及易于吸附的物质解析难度大，甚至会存在穿透问题，对监测结果产生一定影响[6]。在实际作业中，单一的吸附剂并不能够完全满足使用需求，EPA可将混合吸附剂作为标准方法富集浓缩VOC，可做到最初层到最终层的依次吸附，所有极性化合物均可以按照顺序全部吸附到吸附剂上，且解析的难度较小，实用性更强。

3.2.1.2 全量空气采样

全量空气采样就是现场直接对气体进行采集，然后将其进行浓缩处理，使得有机物的浓度以及密度进一步提升，为后续的样本分析打好基础。该方法对中低碳氢化合物以及卤代烃化合物的适应性更强，可实现高质量的重现分析，且结果可靠性高，大大降低了采样体积以及采样效率等因素带来的不利影响。现场作业时应用不锈钢采样罐、聚合物袋以及玻璃容器等来对样品进行捕集，表1为不同采样器的优缺点对比。

表1 样本收集容器优缺点对比

3.2.2 样品预处理

常用的样品预处理方法如热脱附法、溶剂解析法、液上空间法、临界流体萃取法以及固相萃取法等。其中，溶剂解吸法是比较传统的处理方法，是以CS2为解析溶液，选择远超过分析样品体积的溶液进行解析，但是灵敏度较低，甚至会存在溶剂峰掩盖待测组分峰的情况，不可避免的会存在较大的误差。而热脱附法则具有较高的灵敏度，同时重复性、回收率均比较高，且检测限与定量限较低，较大程度上规避了溶剂对分析样品定性定量产生的干扰。但同时也存在着回收率较低的缺陷，且无法重复分析[7]。

3.2.3 样品仪器分析

仪器分析是样品检测的最后一项，常用方法如高效液相色谱法、气相色谱法、荧光分光光度法以及气相色谱-质谱法。气相色谱法具有较高的灵敏度和检测效率，对不同样品条件具有较强的适应性，分析处理过程快，整体效率高，对于异构体以及多组分混合物更有着较高的分析效率，可满足定性、定量分析条件。另外，气相色谱法-质谱法的应用优势也比较明显，尤其是分离能力以及定型鉴定能力突出，对于尚未分离的色谱峰也有着较高的检测效果，可保证高灵敏度和高精确性，用于VOC监测效果良好。

3.3 监测方法的优化

3.3.1 拓展技术应用空间

为避免监测过程中造成的样品损失，提高监测结果的精确性，就需要不断地进行技术研究，争取进一步拓展技术可应用空间。一方面是实现采样与预处理工艺的优化，综合应用多种离线监测法，并进一步研究在线监测方法的应用，对整个样品采集和预处理工作进行动态监测，保证所用设备的灵敏性与灵活性，实时掌握VOC的浓度参数[8]。另一方面要加强监测技术的开发研究，实现产学研联合，推进VOC监测技术的研发。另外，还要建立完善的监管机制，出台相应的管理制度与技术检验规范，为监测工作的规范进行提供依据和支持。

3.3.2 完善监测标准

大气环境VOC监测具有较强的技术性，对每个环节的执行都有十分严格的要求，任何一个细节处理得不规范，都会影响最终的监测结果，导致监测工作失去参考价值。我国比较成熟的VOC监测技术包括吸附管采样法、气袋采样法以及苏玛罐采样法，都是以质谱监测技术为基础，对气相色谱及浓度进行分析，促使VOC热脱附的顺利进行。

4 大气环境VOC治理方法

4.1 活力吸附法

为实现对大气环境VOC的有效治理，活力吸附法具有比较突出的应用效果，以活性炭、沸石、硅藻土等为吸附剂，对工业废气进行针对性治理，可以大大降低VOC的浓度值，并达到我国有机废气的排放标准。另外，经过吸附处理的气体，解析后的收集物还可以回收用于生产。

4.2 燃烧法

VOC作为有机化学挥发物具有较高的可燃性，可在常温条件下或者利用催化反应实现点燃处理，也可利用引风管道将气体通入到加热炉或者垃圾焚烧炉内点燃，能够更加彻底地将VOC转换成CO2与H2O。

4.3 消化吸收法

VOC对于柴油机或200#车用汽油等有机溶液具有较高的溶解性，因此可选择此类有机溶剂对VOC进行吸收处理，并且吸附处理后的有机溶剂依然可以用于燃料或者油漆稀释剂，不会造成浪费。与其他方法相比，此种方法处理VOC不仅可以保证良好的处理效果，而且操作简单、成本低。但要注意消化吸收后还会残留部分蒸发气体，这主要是因为有机溶液本身具有较高的挥发性，无法将VOC完全处理干净，尤其是在高温条件下，消化率会受到更大影响。

5 结语

化工行业的快速发展，伴随而来的是更加严重的大气污染问题，无论是对自然环境还是人体健康都会产生较大的威胁。对大气环境中的VOC进行监测，基于污染源、气候条件等因素来选择合适的方法进行样品采集、预处理以及分析，掌握精确的VOC含量和组分，能够为后续治理方案的制定提供支持，争取以更少的资源来达到更好的处理效果，进一步降低VOC带来的危害。