VOCs:藏身霾和臭氧背后的无形“杀手”
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VOCs:藏身霾和臭氧背后的无形“杀手”


来 源:中国气象报     发布日期:2017/12/7

    进入冬季,霾又开始频繁起来,与霾形成有关的各类污染物也逐渐进入人们的视野。若追溯霾的幕后“推手”,VOCs——挥发性有机物难逃其责。

  VOCs是造成我国区域大气复合污染的罪魁祸首之一。由于其形成广泛、影响较大,近年来已成为科学家重点关注的对象。或许公众对于它还有些陌生,但是提到另外两名“同党”——细小颗粒物(PM2.5)和臭氧(O3),你肯定特别熟悉。VOCs不仅本身具有较强毒性,而且还是PM2.5和O3形成的重要前提物和参与物,可谓隐身于它们背后的“杀手”。

  组成区域大气复合污染的重要前体物

  “近年来,我国区域大气复合污染日益显现,其特征主要表现为同时出现高浓度的O3和PM2.5。”清洁空气创新中心主任解洪兴说,而VOCs则是造成我国区域大气复合污染的重要前体物。

  VOCs不仅是一次污染源,而且还能够造成光化学烟雾等二次污染。环境中的VOCs是光化学反应的前体。在有太阳光(主要是紫外光部分)照射时,VOCs与空气中氮氧化物及其他悬浮化学物质发生一系列化学反应,主要生成臭氧、过氧硝基酞(PAN)、醛类等,形成光化学烟雾。某些二次有机物由于其较低的蒸汽压,可通过成核作用、凝结、气粒分配等过程形成二次有机气溶胶(SOA),而二次有机气溶胶是PM2.5的重要组成。研究表明,有机物在PM2.5中的比重占到50%至70%,这其中相当一部分的PM2.5就是由VOCs光化学反应转化而成。

  正因如此,作为臭氧、PM2.5的共同前体物,VOCs对大气环境质量的影响已经引起国内大气化学科学家的高度重视。

  既做原料又做“燃料” 促进霾形成

  以PM2.5为代表的细粒子污染,已成为城市空气污染中最重要的污染源,并渐渐为大众所了解。不过,在PM2.5形成之前,还有一个重要的前体物——VOCs。正是它的千变万化,让细粒子污染无处不在。

  中国环境科学研究院研究员高健介绍,通过PM2.5源解析可以发现,其中有很大一部分是二次生成的细颗粒物,它们来自人为排放的二氧化硫、氮氧化物、VOCs等,这些物质在大气中通过光化学反应,或者纯粹大气的化学反应,便生成二次细颗粒物。

  在珠三角、京津冀等地区,二次颗粒物中有机物比例非常高。这些有机物一部分在排放后直接形成颗粒,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会转化为不挥发或半挥发的有机物,成为二次有机气溶胶。也就是说,VOCs是PM2.5中二次颗粒物有机部分最主要的来源。

  VOCs作为大气化学反应的“燃料”,能够通过形成臭氧等增加大气氧化性,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促进作用。

  参与光化学反应 与臭氧“共进退”

  近年来,尽管我国大气污染物中二氧化硫、氮氧化物呈下降趋势,但是夏季臭氧浓度却在增加。

  在2016年全国环境空气质量六项监测指标中,O3是唯一一个不降反升的污染物,而VOCs排放与之有着千丝万缕的联系。

  由于VOCs等人为污染物排放的增加,近一个多世纪以来,近地面臭氧浓度在全球呈上升趋势。

  臭氧是二次污染物的指标,空气中的VOCs和氮氧化物等在紫外光照射和高温条件下会发生光化学链式反应,产生臭氧等具有刺激性和毒性的氧化剂。

  在北方,秋冬季气温比较低时,光照不是很强烈,臭氧污染不太突出。但在南方,从5月一直到10月,都可能受臭氧污染的困扰。尤其在珠三角地区,臭氧已经取代PM2.5成为首要污染物。

  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。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,臭氧达到的浓度往往取决于VOCs浓度。

  此外,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。

  构成太复杂 监测难度大

  在VOCs在线监测领域,上海、深圳等城市开展相关工作较早。“依托空气超级站和工业区空气特征污染监控网的建设与应用,近年来,上海市探索了VOCs在线监测技术和体系,应用了在线色谱、质谱、光谱和传感器等主流方法,初步建立大气污染监管新模式,在有效提升VOCs监测能力方面取得了一定成效。”上海市环境中心高级工程师高松介绍。

  然而,VOCs的监测和管理仍极具挑战。一方面,VOCs的来源广泛。在我国,人为排放的VOCs远高于自然源,固定源燃烧、道路交通、溶剂产品使用和工业过程都会排放VOCs。另一方面,VOCs的组成复杂,物理和化学性质差异大。“VOCs并不是一种物质,而是一大类化合物的总称,它在大气中实际包含了成千上万种微量有机挥发物。”中国工程院院士唐孝炎表示。由于VOCs各组分在大气中的含量很低,一般都在PPbv级(十亿分之一体积比),国内现有的监测和分析手段难以对其进行精准捕捉、测定。

  此外,VOCs具有较强的活性,是一种比较活泼的气体。它们在大气中既可以以一次挥发物的气态存在,又可以在紫外线照射下,在细颗粒物中发生无穷无尽的变化,生成固态、液态或二者并存的二次颗粒物。

  参与反应的这些化合物寿命相对较长,可以随着风吹雨淋飘移扩散,或者进入水和土壤,污染环境。
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