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VOCs:藏身霾和臭氧背后的無形“殺手”

2018-02-08 11:17:03來源:中國氣象報瀏覽: 評論:0

  進入冬季,霾又開始頻繁起來,與霾形成有關的各類污染物也逐漸進入人們的視野。若追溯霾的幕后“推手”,VOCs——揮發性有機物難逃其責。

  VOCs是造成我國區域大氣復合污染的罪魁禍首之一。由于其形成廣泛、影響較大,近年來已成為科學家重點關注的對象。或許公眾對于它還有些陌生,但是提到另外兩名“同黨”——細小顆粒物(PM2.5)和臭氧(O3),你肯定特別熟悉。VOCs不僅本身具有較強毒性,而且還是PM2.5和O3形成的重要前提物和參與物,可謂隱身于它們背后的“殺手”。

  組成區域大氣復合污染的重要前體物

  “近年來,我國區域大氣復合污染日益顯現,其特征主要表現為同時出現高濃度的O3和PM2.5。”清潔空氣創新中心主任解洪興說,而VOCs則是造成我國區域大氣復合污染的重要前體物。

  VOCs不僅是一次污染源,而且還能夠造成光化學煙霧等二次污染。環境中的VOCs是光化學反應的前體。在有太陽光(主要是紫外光部分)照射時,VOCs與空氣中氮氧化物及其他懸浮化學物質發生一系列化學反應,主要生成臭氧、過氧硝基酞(PAN)、醛類等,形成光化學煙霧。某些二次有機物由于其較低的蒸汽壓,可通過成核作用、凝結、氣粒分配等過程形成二次有機氣溶膠(SOA),而二次有機氣溶膠是PM2.5的重要組成。研究表明,有機物在PM2.5中的比重占到50%至70%,這其中相當一部分的PM2.5就是由VOCs光化學反應轉化而成。

  正因如此,作為臭氧、PM2.5的共同前體物,VOCs對大氣環境質量的影響已經引起國內大氣化學科學家的高度重視。

  既做原料又做“燃料” 促進霾形成

  以PM2.5為代表的細粒子污染,已成為城市空氣污染中最重要的污染源,并漸漸為大眾所了解。不過,在PM2.5形成之前,還有一個重要的前體物——VOCs。正是它的千變萬化,讓細粒子污染無處不在。

  中國環境科學研究院研究員高健介紹,通過PM2.5源解析可以發現,其中有很大一部分是二次生成的細顆粒物,它們來自人為排放的二氧化硫、氮氧化物、VOCs等,這些物質在大氣中通過光化學反應,或者純粹大氣的化學反應,便生成二次細顆粒物。

  在珠三角、京津冀等地區,二次顆粒物中有機物比例非常高。這些有機物一部分在排放后直接形成顆粒,還有一部分是VOCs的大氣化學轉化產物。許多VOCs經過大氣化學反應之后會轉化為不揮發或半揮發的有機物,成為二次有機氣溶膠。也就是說,VOCs是PM2.5中二次顆粒物有機部分最主要的來源。

  VOCs作為大氣化學反應的“燃料”,能夠通過形成臭氧等增加大氣氧化性,對于二氧化硫、氮氧化物等污染氣體轉化形成硫酸鹽和硝酸鹽氣溶膠起重要作用,從而也促進了霾的形成。可見VOCs也是導致霾形成的重要原因,對霾污染形成具有直接和間接的促進作用。

  參與光化學反應 與臭氧“共進退”

  近年來,盡管我國大氣污染物中二氧化硫、氮氧化物呈下降趨勢,但是夏季臭氧濃度卻在增加。

  在2016年全國環境空氣質量六項監測指標中,O3是唯一一個不降反升的污染物,而VOCs排放與之有著千絲萬縷的聯系。

  由于VOCs等人為污染物排放的增加,近一個多世紀以來,近地面臭氧濃度在全球呈上升趨勢。

  臭氧是二次污染物的指標,空氣中的VOCs和氮氧化物等在紫外光照射和高溫條件下會發生光化學鏈式反應,產生臭氧等具有刺激性和毒性的氧化劑。

  在北方,秋冬季氣溫比較低時,光照不是很強烈,臭氧污染不太突出。但在南方,從5月一直到10月,都可能受臭氧污染的困擾。尤其在珠三角地區,臭氧已經取代PM2.5成為首要污染物。

  在一些污染的城市、工業區及鄉村地區,由于VOCs及氮氧化物濃度均較高,在陽光充足的溫暖季節,近地面臭氧濃度會在太陽升起后快速升高。臭氧濃度高低取決于VOCs和氮氧化物濃度及兩者的比值,但在多數污染區域,由于氮氧化物比較充足,臭氧達到的濃度往往取決于VOCs濃度。

  此外,根據VOCs等污染物的排放以及輸送過程的變化,近地面臭氧濃度會呈現出一定的季節性變化特征。

  構成太復雜 監測難度大

  在VOCs在線監測領域,上海、深圳等城市開展相關工作較早。“依托空氣超級站和工業區空氣特征污染監控網的建設與應用,近年來,上海市探索了VOCs在線監測技術和體系,應用了在線色譜、質譜、光譜和傳感器等主流方法,初步建立大氣污染監管新模式,在有效提升VOCs監測能力方面取得了一定成效。”上海市環境中心高級工程師高松介紹。

  然而,VOCs的監測和管理仍極具挑戰。一方面,VOCs的來源廣泛。在我國,人為排放的VOCs遠高于自然源,固定源燃燒、道路交通、溶劑產品使用和工業過程都會排放VOCs。另一方面,VOCs的組成復雜,物理和化學性質差異大。“VOCs并不是一種物質,而是一大類化合物的總稱,它在大氣中實際包含了成千上萬種微量有機揮發物。”中國工程院院士唐孝炎表示。由于VOCs各組分在大氣中的含量很低,一般都在PPbv級(十億分之一體積比),國內現有的監測和分析手段難以對其進行精準捕捉、測定。

  此外,VOCs具有較強的活性,是一種比較活潑的氣體。它們在大氣中既可以以一次揮發物的氣態存在,又可以在紫外線照射下,在細顆粒物中發生無窮無盡的變化,生成固態、液態或二者并存的二次顆粒物。

  參與反應的這些化合物壽命相對較長,可以隨著風吹雨淋飄移擴散,或者進入水和土壤,污染環境。

 

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