环境空气中的苯系物检测及其治理研究

2022-09-11

随着经济的迅速发展, 工业等产业得到了较大程度的发展, 在创造经济效益的同时也带来了环境危害。例如汽车的广泛普及, 机动车尾气的大量排放、新型建筑材料的合成及使用、装修材料的大量使用以及各种化妆品、和品种繁多的洗涤剂的广泛应用, 空气污染日益严重, 对人们的身体健康造成了极大的威胁。其中, 苯系物是空气中最重要的污染物之一, 它是苯及其衍生物的总称, 通常包括苯、甲苯、乙苯、二甲苯、硝基苯、氯苯、苯乙烯、三甲苯等, 主要来源于油漆、溶剂、胶粘剂的挥发;建筑装修材料的释放;石油、煤等化石燃料和木材、烟草等有机物的不完全燃烧以及汽车尾气排放等。在20世纪80年代, Ken Sexton等人对休斯顿、费城和波士顿等7个城市空气中非甲烷烃类挥发性有机物进行研究的结果表明, 20%~30%为芳香烃, 主要有甲苯、二甲苯。我国一些城市如上海非甲烷烃中芳香烃占优势。苯系物对人体危害极大, 苯系物作为挥发性有机物的代表, 苯系物具有较强的毒性, 苯是强致癌性物质, 可通过呼吸道、消化道和皮肤进入人体, 与白血病的高发有着较大的相关性;甲苯、二甲苯对人的中枢神经系统及血液系统具有较大的毒害作用;乙苯、苯乙烯等其它苯系物对人体也存在较大的危害。

1 苯系物的检测

1.1 样品采集

空气中苯系物的采样方式有三种, 可分为直接采样、有动力采样和被动式采样。直接采样是用注射器、塑料袋等固定容器直接采取空气中浓度较高的被测组分, 这种采用方法较为简单, 操作容易, 但对污染源浓度有较高要求。通常适用于污染物浓度较高的污染源, 对于污染浓度较低的污染源不适合。有动力采样是用泵将空气样品通过吸收液、吸附剂、冷阱捕集等来采集目标化合物。一般选择的吸附剂要求具有吸附容量大、收集效率高、化学性质稳定等特点, 如采用活性炭作为吸附剂进行采样, 一般活化后的活性碳玻璃管两端熔封后可保存三个月, 采样后玻璃管两端封塑料帽, 放干燥器内可保留一周, 可以采用加热或其它方法把苯系物从吸附剂上脱附, 然后用载气将样品。被动式采样的原理是气体分子扩散或渗透, 通过气体分子扩散或渗透来采集空气中气态或蒸气态污染物, 被动采样不需外加动力, 无噪声, 主要用于室内空气污染和个体接触量的评价监测。

1.2 样品预处理

样品的预处理是空气监测中非常关键的一步, 在采样后首先要对样品进行预处理, 以便为左进一步的研究做好准备。常见的预处理方法有三种, 分别是溶剂解析法、固相微萃取法、低温预浓缩—热解析法。各种方法具有不同的特点, 以溶剂解析法为例, 传统的溶剂解析法是使用解析溶液达到预处理的目的, 但由于由于解析溶液的体积有可能远远大于分析样品的体积, 所以这种方法灵敏度较低, 而且这种方法的分析误差较大。热解析法具有较高的灵敏度, 可以避免溶剂对分析样品定性定量的干扰, 但对样品的回收率较低, 不能重复分析, 固相微萃取法、低温预浓缩一热解析法在此不做详细介绍。

1.3 分析方法

气相色谱法 (gas chromatography简称GC) 是色谱法的一种。色谱法中有两个相, 一个相是流动相, 另一个相是固定相。如果用液体作流动相, 就叫液相色谱, 用气体作流动相, 就叫气相色谱。气相色谱法由于所用的固定相不同, 可以分为两种, 用固体吸附剂作固定相的叫气固色谱, 用涂有固定液的担体作固定相的叫气液色谱。在实际工作中, 气相色谱法是以气液色谱为主。

气相色谱法具有高效能、高选择性、高灵敏度、分析速度快和应用范围广等特点, 是苯系物分析中最常用的方法, 对异构体和多组分混合物的定性、定量分析更能发挥其作用, 因而得到了较多的运用。苯系物的采样分析方法有:活性炭吸附—二氧化硫解析气相色谱法、低温预浓缩热解析气相色潜法、新固相微萃取—气相色谱法、顶空气相色谱法、超临界流体萃取及吹扫一捕集法。其中活性炭吸附—二氧化硫解析气相色谱法, 其优点在于对样品可重复分析, 灵敏度较高。

1.4 注意事项

活性炭的粒度大小对采用具有一定得影响, 颗粒粒度太大, 由于比表面积小, 吸附能力弱;颗粒粒度太小, 将增加采样的阻力, 在实际中一般控制在20~40目。

应注意采样时环境的影响。如气温、湿度、风速, 这些环境因素均影响采样效率。采样时环境温度应控制在在0~40℃, 过高或过低的温度都很影响采用效率, 尤其是在冬季的时候, 应加热采样;采样时样品的湿度低于90%;采样时可以如果风速过大, 可以将采样管放在百叶箱中, 一般此做法的临界值是风速于2.5 m/s。

采样流量及采用时间同样需要较好的把握。具体采集时间依气相色谱仪的灵敏度及活性炭吸附容量试验确定, 不能因采样时间短、样品富集太少导致监测结果偏低。一般而言, 采样流量为0.5L/min, 采集时间为20min~120min。

若使用活性炭作为吸附剂时, 在样品分析时, 应注意当采样管出口端检出浓度大于进口端25%, 说明采样管中活性炭吸附容量已满, 测定结果偏低, 样品作废, 应重新采样, 以保证监测结果的准确可靠。

2 苯系物的治理方法

苯系物的治理方法主要有吸附法、吸收法、生物法、高压脉冲电晕法和光催化氧化法, 其中光催化氧化法是最有前景的一种挥发性有机物处理技术, 已经成为研究的热点。

2.1 吸附法

吸附净化法是应用净化剂从稀溶液中提取、分离和富集有用组分或有害组分的方法之一。吸附净化法的原则流程和离子交换法相似, 主要包括吸附和解吸两个基本作业。工业上常用的吸附剂有活性炭、磺化煤及某些天然吸附剂, 如软锰矿、磷灰石、高岭土、沸石等。其中, 活性炭吸附性能最好, 当活性炭吸附饱和后可用蒸汽进行解吸, 并回收吸附质在处理苯系物的方法中, 吸附法应用广泛, 该方法与其他方法相比具有去除效率高、净化彻底、能耗低、工艺成熟、易于推广及实用等优点。在苯系物污染控制工程中, 正是利用吸附剂不断吸附解吸的循环, 去除废气中的苯系物。

2.2 吸收法

是利用液态吸收剂处理气体混合物以除去其中某一种或几种气体的过程。在这过程中会发生某些气体在溶液中溶解的物理作用, 这是物理吸收。也有气液中化学物质之间发生化学反应, 这是化学吸收。吸收作用常用于气体污染物的处理与回收, 如用石灰乳液吸收烟气中的二氧化硫, 生成石膏;用碱性溶液或稀硝酸吸收硝酸厂尾气中的氮氧化物, 回收再用;还有用碳酸钠等碱性溶液吸收硫化氢。由于吸收法治理气态污染物技术成熟, 设计及操作经验丰富, 适用性强, 因而在大气污染物治理中得到广泛应用, 该法不仅能消除气态污染物而且能将污染物转化为有用产品, 适合于大气量、中等浓度的含VOCs废气的处理。

2.3 生物法

生物法是利用微生物的生命活动将苯系物转变成为简单的无机物及细胞物质的方法。生物法包括生物洗涤法、生物滴滤法和生物过滤法。生物法的原理或基础是生物膜理论, 生物化学法净化处理有机废气一般要经历以下几个步骤:废气中的有机污染物首先同水接触并溶解于水中;溶解于液膜中的有机污染物成分在浓度差的推动下进一步扩散到生物膜, 进而被其中的微生物捕获并吸收;进入微生物体内的有机污染物在微生物自身的代谢过程中被作为能源和营养物质, 经生物化学反应最终转化成为无害的化合物。

2.4 光催化氧化法

光催化氧化是在光照条件下, 使催化剂上的价电子发生跃迁, 产生自由电子一空穴对, 电子一空穴对通过扩散或空间电荷迁移和诱导, 转移到表面俘获位置, 在有机物分子或吸附的中间产物表面形成自由基, 氧化吸附在催化剂表面的苯系物生成无机物。光催化氧化法是近年来日益受到重视的一项污染治理新技术。这个过程不需要其他化学助剂, 反应条件温和, 是一个非常有发展潜力的研究领域。

3 苯系物检测及治理的进一步建议

苯系物的源解析是一任务艰巨、难度较大但很有意义的课题, 目前引起科学工作者和政府官员的广泛重视, 应加强用其它学科方法来解决此问题。

建立空气苯系物污染数据库。国外对苯系物的研究已较早做了许多工作, 包括苯系物污染数据库等, 但我国城市空气中苯系物的研究较晚, 仍处于起步阶段。目前虽已开展一些工作, 但主要集中于珠三角、京津唐地区, 而且由于经济发展或管理体制等问题, 环保工作相对落后, 所以应加强各城市空气污染的研究, 丰富我国城市空气中苯系物污染数据库。

研制高效的苯系物污染净化方法。研制高性能的复合催化剂, 建立吸附光催化一体化净化空气中苯系物污染的方法;筛选高效的植物, 探讨植物吸收法的效用;建立空气中低浓度复合污染的控制方法。

完善法规标准。探讨适用于当前状况的空气质量标准及污染物排放标准, 建立建筑装修材料的出厂标准, 完善法规政策。目前虽然环境法等相关法规已初步完善, 但仍有许多制度性障碍问题有待解决, 建议进一步从制度上入手, 完善污染物排放规章制度。

除此之外, 还应从污染源头上加强控制, 大气中的苯系物主要污染源为机动车尾气, 因此应加强机动车相关政策管理。改进油品质量, 采用低污染或无污染的燃料。燃料的组成和特性对发动机的工作起着重要作用, 对排放污染物的组成也有很大的影响。加强管理, 大力开展基础设施建设, 改善机动车运行状况。机动车污染物排放量与机动车的车流量、车谏、排放系豹等率切相关。

摘要：苯系物是空气中最重要的污染物之一, 具有较强的毒性, 苯是强致癌性物质, 对人体危害极大。本文介绍了苯系物的一般检测流程和方法, 比较分析了几种常用的苯系物处理方法, 并对我国实施苯系物的控制和处理提出了建议。

关键词：苯系物,检测,降解