杭州市不同功能区VOCs体积分数变化及来源特征.pdf
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1、杭州市不同功能区VOCs体积分数变化及来源特征陈健松,林旭*,张天,金嘉佳,王蕴赟,费罗兰,帅启凡,应方,严仁嫦,沈建东(浙江省杭州生态环境监测中心,杭州310007)摘要:在2018年1月1日至12月31日,采用在线气相色谱仪(Syntech Spectras GC955)对杭州市3个不同功能区大气环境中的挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)进行了在线连续监测,分析了VOCs体积分数的组成特征、时间序列特征和来源特征。结果显示,观测期间各站点VOCs体积分数从高到低依次为:朝晖(3.37910-8)下沙(3.07210-8)转塘(1.73710-8)
2、。3个站点VOCs主要组分均为烷烃,占比均在60%以上。芳香烃占比仅次于烷烃,占比为21.88%31.98%。烯烃占比排第三,占比为3.84%7.93%。炔烃占比相对较小,占比为0.56%3.12%。VOCs及其组分呈现出夜间浓度高白天浓度低的变化特征,峰值不明显,谷值出现在午后。特征物比值(烷烃/乙炔和芳香烃/乙炔)反映出朝晖站点受液化石油气(liquefied petroleum gas,LPG)排放、机动车排放及溶剂使用源排放影响均较为显著。转塘特征物比值在春季和冬季较高;朝晖在春季和夏季较高;下沙烷烃/乙炔比值整体较低,但异丁烷/乙炔比值在秋季和冬季明显较高,芳香烃/乙炔比值在春季、夏
3、季和冬季较高。关键词:不同功能区;VOCs;组成;时间变化;来源中图分类号:X51文献标志码:A文章编号:2096-2347(2023)03-0026-10收稿日期:2023-02-24基金项目:2022年杭州市农业与社会发展科研项目(202203B29);2022年杭州市农业与社会发展科研引导项目(20220919Y170)。作者简介:陈健松,工程师,硕士,主要从事大气污染防治、生态环境监测等研究。E-mail:*通信作者:林旭,工程师,硕士,主要研究方向为大气化学与大气环境。E-mail:引用格式:陈健松,林旭,张天,等.杭州市不同功能区VOCs体积分数变化及来源特征J.三峡生态环境监测,
4、2023,8(3):26-35.Citation format:CHEN J S,LIN X,ZHANG T,et al.Variation and source characteristics of VOCs volume fractions in different functional areas ofHangzhouJ.Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges,2023,8(3):26-35.DOI:10.19478/ki.2096-2347.2023.03.04Variation and Source Character
5、istics of VOCs Volume Fractions inDifferent Functional Areas of HangzhouCHEN Jiansong,LIN Xu*,ZHANG Tian,JIN Jiajia,WANG Yunyun,FEI Luolan,SHUAI Qifan,YING Fang,YAN Renchang,SHEN Jiandong(Hangzhou Ecological Environment Monitoring Center of Zhejiang Province,Hangzhou 310007,China)Abstract:A continuo
6、us observation campaign of volatile organic compounds was carried out with the on-line Syntech SpectrasGC955(gas chromatograph)from January 1 to December 31,2018 in the three different functional zones of Hangzhou.The characteristics of the composition,time variation and source of VOCs(volatile orga
7、nic compounds)volume fractions were analyzed.The results showed that VOCs volume fractions at each station during the observation period were in the order of Zhaohui(3.37910-8)Xiasha(3.07210-8)Zhuantang(1.73710-8).The main components of VOCs at 3 sites were alkane,accounting for more than60%.The pro
8、portion of aromatic hydrocarbons was second only to alkane,within the range of 21.88%31.98%at each station.Theproportion of olefin ranked the third,with a range from 3.84%to 7.93%.The proportion of alkynes were relatively small,rangingfrom 0.56%to 3.12%.VOCs and their components exhibit a high conce
9、ntration at night and low concentration during the day,withinsignifice peaks and valleys,and the valleys occur in the afternoon.The characteristic ratios(alkane/acetylene and aromatic hydro三峡生态环境监测Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges2023年9月Sep.2023第8卷第3期Vol.8No.3空气污染及其与区域尺度生态的相互作用第8卷
10、第3期27carbon/acetylene)reflected that Zhaohui Station was significantly affected by the emissions from urban LPG(liquefied petroleumgas)as well as motor vehicle and solvent source.The ratios was higher in spring and winter at Zhuantang,but in spring and summer at Zhaohui.In contrast,the ratios showed
11、 large variability,with alkanes/acetylene lower overall,but isobutane/acetylene significantly higher in autumn and winter,and aromatic/acetylene higher in spring,summer and winter at xiasha.Key words:different functional zones;VOCs;composition;time variation;source自2013年中国国务院发布大气污染防治行动计划 以来,我国主要城市细颗
12、粒物(PM2.5)浓度呈现显著下降趋势,空气质量得到明显改善1。与此同时,臭氧(O3)污染问题逐步凸显,近年来,在中国发达地区和工业城市,严重的O3和 二 次 有 机 气 溶 胶(secondary organic aerosol,SOA)污染已经成为最严峻的环境问题2。因此,以PM2.5和O3为主的大气复合污染已经成为当前大气环境研究的热点,对二者的协同控制已成为我国目前大气污染防治的重点3-5。VOCs是O3和SOA共同的重要前体物6。大气环境中的VOCs种类繁多,来源复杂,不同的城市和地区VOCs的污染特征不同,因此,针对城市的VOCs污染特征和来源研究非常关键7。目前国内针对VOCs进
13、行了较为广泛的研究,集中于京津冀及其周边城市8-11、长三角地区12-14、珠三角地区15-17和成渝地区18-20。研究的重点集中于VOCs污染特征、化学反应活性、来源解析及健康效应等方面。例如,孟祥来等9对北京市夏季高O3时段和低O3时段的VOCs化学特征、O3生成潜势(ozoneformation potential,OFP)和来源进行了详细分析,结果表明芳香烃的活性最高,无论是高O3时段还是低O3时段,对OFP贡献最大的3种VOCs物种均为异戊二烯、甲苯和间/对二甲苯,并定量解析出背景排放、二次生成和印刷行业源对夏季北京城区VOCs的贡献。安俊琳等14对南京北郊大气中的VOCs组分特征
14、和来源进行了研究,结果显示烷烃体积分数占比最高,烯烃和芳香烃其次,炔烃占比最低,VOCs体积分数呈现夏季高、冬季低的季节变化特征,工业生产活动相关的来源(如工业生产源、工业生产挥发源和燃料挥发源)占45%63%,其次为机动车源(包括尾气排放和油气挥发)占34%50%,溶剂使用源和植物源贡献较低。虞小芳等17对广州市不同VOCs物种对O3和SOA生成的贡献进行了研究,结果表明对O3生成贡献最大的组分为芳香烃,占比37.69%,其次为烯烃,占比36.03%,烷烃占比21.50%,含氧挥发性有机物(oxygenated volatile organic compounds,OVOCs)占比 4.43
15、%,乙炔占比 0.35%,C2C5 的烯烃类物质和C7C8的芳香烃类物质是广州夏季大气 VOCs 中对 OFP 贡献最大的关键物种。李陵等18对重庆市主城区VOCs污染特征和来源进行了研究,结果表明OVOCs和烯烃在重庆市主城区的光化学反应中起主要作用,VOCs主要来源有二次生成、机动车尾气、工业排放、植物源和化石燃 料 的 燃 烧,占 比 分 别 为 27.67%、26.56%、17.86%、14.51%和13.4%。杭州作为长江三角洲的主要城市之一,经济活动总量大、工业门类齐全,空气污染压力日益凸显。虽然近年来采取了一系列污染控制措施对多种大气污染物进行综合控制,杭州市环境空气质量总体上得
16、到了改善,但O3污染呈现逐年加重趋势。本研究利用在线气相色谱仪(Syntech Spectras GC955)对杭州市2018年1月1日至12月31日环境空气中VOCs进行了连续在线监测,分析不同功能区VOCs体积分数变化及来源特征,以期为相关部门的环境管理决策提供技术支持。1材料与方法1.1 观测点位与采样时间观测地点分别位于杭州市下沙浙江理工大学站点(3018 N,12020 E)(简称下沙)、朝晖五区站点(3017 N,1209 E)(简称朝晖)和转塘小学站点(309 N,1204 E)(简称转塘),采样点位分布如图1所示。下沙站位于城区东面一高教园区内,周边分布有高架路和绕城高速,观测
17、点北面有造纸企业,西面有加油站,西南方向有香精香料、橡胶和纺织印染等工业企业,受周边工业排放影响较为显著;朝晖站位于主城区一大型住宅小区内,受城区交通移动源和居民生活影响陈健松,等:杭州市不同功能区VOCs体积分数变化及来源特征三峡生态环境监测http:/ h。图1采样点位分布示意Fig.1Location of the sampling sites1.2 仪器与分析方法本研究中 VOCs 的监测设备 Syntech SpectrasGC955来自荷兰Synspec公司,该设备能对大气环境中的VOCs进行在线连续监测。仪器时间分辨率为1 h。仪器主要由自动采样系统、进样系统、校准系统、FID(
18、火焰离子化检测器)/PID(光离子化检测器)和工作站等组成,色谱仪分为低碳分析仪和高碳分析仪2台。低碳分析仪主要用于监测C2C5的低沸点物种,内置低温富集管,检测器为PID 和 FID 双检测器。高碳分析仪主要用于监测C6C12的高沸点物种,内置常温富集管,检测器为PID。为保证数据的有效性和可靠性,观测期间每周进行一次校准,标气来自美国林德公司(TheLinde Group),该标气含有57种VOCs组分,体积分数为110-6,经CMK5稀释至210-9810-9用于仪器校准,N2为平衡气。采样期间,数据有效率均在90%以上。2结果与讨论2.1VOCs体积分数组成特征观测期间共检测出 55
19、种 VOCs,包括 29 种烷烃、10 种烯烃、15 种芳香烃和 1 种炔烃。各站点 VOCs 体积分数(图 2)从高到低依次为:朝 晖(3.37910-8)下 沙(3.07210-8)转塘(1.73710-8),朝晖VOCs体积分数最高,其次是下沙,转塘体积分数远低于其他两个站点,这可能与风景区周边VOCs排放量较少有关。值得注意的是朝晖的乙炔体积分数高于其他2个站点,下沙的烯烃体积分数大约是其他2个站点的2倍,这可能与站点周边的产业结构有关,乙炔是燃烧源的示踪物21,朝晖位于主城区内,受机动车排放图2各站点VOCs体积分数Fig.2Volume fraction of VOCs at ea
20、ch siteVOCs体积分数/(10-9)采样点4035302520151050乙炔芳香烃烯烃烷烃转塘朝晖下沙30300北30200北30100北3000北29500北119400东119500东120000东120100东120200东120300东 120400东120500东119400东119500东120000东120100东120200东120300东 120400东120500东30300北30200北30100北3000北29500北下沙浙江理工大学站点朝晖五区站点转塘小学站点0102040 kmN第8卷第3期29的影响较大,下沙站点周边可能有较多排放烯烃的工业源。从3个站点
21、VOCs化学组成占比(图3)可以看出,3个站点VOCs主要组分均为烷烃,占比均在60%以上,其中朝晖烷烃占比最高,为70.33%,其次是下沙,为69.63%,转塘烷烃占比最小,为60.29%。芳香烃占比仅次于烷烃,各站点芳香烃占比分别为 21.88%(下沙)、22.71%(朝晖)和 31.98%(转塘)。烯烃占比排第三,各站点烯烃占比范围分别为 3.84%(朝晖)、6.32%(转塘)和 7.93%(下沙)。炔烃占比相对较小,各站点炔烃占比分别为0.56%(下沙)、1.41%(转塘)和3.12%(朝晖)。图3各站点VOCs组分体积分数占比Fig.3Volume fraction ratio of
22、 VOCs components at each site各站点排名前十的 VOCs 体积分数如图 4 所示。转塘排名前三的 VOCs 物种为丙烷(2.6910-9)、乙烷(2.3110-9)和甲苯(1.9010-9),排名前十的VOCs物种体积分数占总VOCs体积分数的百分比为73.6%;朝晖排名前三的VOCs物种为乙烷(8.5510-9)、丙烷(4.8010-9)和甲苯(3.3110-9),排名前十的VOCs物种体积分数占总VOCs体积分数的百分比为 80.5%;下沙排名前三的VOCs 物种为乙烷(4.5010-9)、异丁烷(4.1810-9)和正己烷(3.2110-9),排名前十的VOC
23、s物种体积分数占总VOCs体积分数的百分比为68.1%。总体而言,低碳烷烃、乙烯、乙炔和苯系物是杭州市大气环境中VOCs体积分数的优势物种,但是不同站点间略有差异,其中转塘和朝晖排名前十的VOCs物种组成较为相似,但是朝晖的乙烷和丙烷浓度远高于转塘,同时乙炔为朝晖VOCs前十物种但并非转塘前十组分,这可能是因为朝晖位于主城区内,受周边机动车排放和液化石油气(liquefied petroleum gas,LPG)排放的影响较大。下沙排名前十的VOCs物种组成与其他2个站点差异较大,其排名前十物种中有2-甲基戊烷、3-甲基戊烷、环戊烷和邻乙基甲苯,这可能与下沙站点周边有主干道和工业企业有关。2.
24、2VOCs体积分数时间序列特征观测期间不同站点 VOCs 及其组分的日变化如图5所示。各个站点的总挥发性有机化合物(total图4各站点VOCs体积分数排名前十组分Fig.4The top 10 components of VOCs volume fraction at each siteVOCs体积分数/(10-9)VOCs体积分数/(10-9)VOCs体积分数/(10-9)1.41%31.98%6.32%60.29%3.84%22.71%3.12%70.33%朝晖转塘7.93%21.88%0.56%69.63%下沙乙炔芳香烃烯烃烷烃丙烷乙烷甲苯间/对二甲苯异丁烷正丁烷正己烷苯乙稀异戊烷01
25、23转塘乙烷丙烷甲苯正丁烷正己烷异丁烷间/对二甲苯乙炔苯3-甲基戊烷0510朝晖乙烷异丁烷正己烷甲苯2-甲基戊烷环戊烷3-甲基戊烷乙稀邻-乙基甲苯异戊烷下沙0246陈健松,等:杭州市不同功能区VOCs体积分数变化及来源特征三峡生态环境监测http:/ organic compounds,TVOC)、烷烃、烯烃、芳香烃的日内波动起伏很相似,这可能也暗示着它们的同源性。上午观测时段大气边界层一般尚未完全打开,混合层高度低,观测浓度数据反映的是VOCs 局地排放源特征。由于局地交通源的影响,表现为VOCs具有较高浓度,而下午观测时段大气边界层湍流发展旺盛,混合层高度较高,观测数据反映的是区域VOCs
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