汽车维修VOCs排放特征及其污染防治建议

乔月珍、夏思佳

(江苏省环境科学研究院,江苏省环境工程重点实验室,江苏 南京 210036)

第一作者:乔月珍,女,1987年生,工程师,主要从事VOCs排放特征及污染控制研究。

江苏省环保厅重点项目(No.2016039);江苏省环保科研项目(NO. 2016015); 

江苏省环境工程重点实验室开放基金(NO. ZX2016002)

摘要:为掌握汽车维修VOCs污染水平及其对大气环境的影响,利用SUMMA罐采集了汽车维修喷漆和烘漆VOCs样品,定量分析了78种VOCs物种。结果表明,汽车维修喷漆和烘漆质量浓度分别为(73351.80±4573.47) μg/m3和(12770.05±123.14) μg/m3。芳香烃是汽车维修喷漆和烘漆VOCs含量最丰富、活性最高的物种,其对质量浓度、OH消耗速率(LOH)和臭氧生成潜势(OFP)的相对贡献分别达90.58%和77.34%、94.35%和79.98%、98.09%和91.66%,用于汽车维护的喷涂和烘烤过程中,二甲苯,乙苯和邻二甲苯是芳烃的最大贡献物种。本文从源头控制,流程管理和终端管理三个方面提出了建议,以改善大气质量,保护员工健康。

关键词:汽车维修、VOCs、污染特征、污染防治

Emission characteristics and control suggestions of VOCs from automobile maintenance 

QIAO Yuezhen,XIA Sijia (Jiangsu Province Academy of Environmental Science, Jiangsu Key Laboratory of Environmental Engineering, Nanjing Jiangsu 210036)

Abstract: In order to investigate the emission and atmospheric impacts of VOCs from automobile maintenance,samples were collected using SUMMA cans,78 species were analyzed.The results showed that the concentrations were(73351.80±4573.47) μg/m-3and(12770.05±123.14) μg/m-3,separately for spraying and baking process of automobile maintenance.Aromatics were the most abundant and active species.It contributed 90.58% and 77.34% to the concentration, 90.58% and 77.34% to the OH radical loss rate (LOH),98.09% and 91.66% to the ozone formation potential (OFP), respectively for spraying and baking process of automobile maintenance.Xylene, ethylbenzene and o-xylene were the largest contribution species of aromatics. Suggestions were put forward from three aspects:source control, process management and terminal management, for improving the quality of the atmosphere and protecting the health of employees.

Keywords: automobile maintenance; VOCs; emission characteristics; pollution control

挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOCs)是大气光化学反应的重要参与者[1],是对流层臭氧和二次有机气溶胶(SOA)的等二次污染物的关键前体物 [2~3]。人为排放是城市大气VOCs的重要来源,主要包括生物质燃烧、化石燃料燃烧、工艺过程排放、溶剂使用和移动源[4]。刘金凤[5]和夏思佳[6-7]等人使用排放因子法分别估算了全国和江苏省人为源VOCs的排放量。研究结果显示溶剂使用是全国VOCs第二大排放源,江苏省第一大排放源。

随着社会经济的发展,我国机动车保有量迅猛增加。汽车涂装作为重要的有机溶剂使用行业,其VOCs污染日益加剧。为控制汽车涂装VOCs污染,大部分汽车产业发达省/市相继出台了汽车整车表面涂装挥发性有机物排放标准,有效减低了汽车整车涂装VOCs排放,但对汽车维修VOCs的污染管理相对滞后。相对于汽车整车,汽车维修企业数量多,规模小,作业环境差,污染排放重,管理难度大,环境污染问题日益突出。

目前,国内针对有机溶剂使用行业VOCs研究多集中于电子、家具制造、印刷、汽车整车制造等行业[8-12],对汽车维修VOCs的研究较少。本研究对汽车维修VOCs开展了采样,系统分析了汽车维修VOCs排放水平、特征物种和关键活性物种,并对其污染防治提出了科学建议,对汽车维修VOCs污染控制有重要意义。

1、材料与方法

1.1 样品采集

汽车维修涂装一般以修补喷漆为主,主要工艺流程为钣金修复、补粗灰、补细灰、涂防锈底漆、涂装面漆和封面清漆,以手工局部喷涂为主,涂装、烘烤时间相对较短。本研究选取2家汽车4S店和2家综合性汽车修理厂,利用SUMMA采样罐采集汽车修补喷漆、烘漆VOCs的瞬时样品,所有样品均在封闭的喷漆室内采集,喷漆样品采自喷枪涂装环节,烘漆样品采自涂装完成30min后的烘烤环节,采样地点、类型和样品数如表1所示。由于汽车4S店和汽车维修厂VOCs现场采样的不确定性因素较多、干扰较大,无法在统一的实验条件下进行,导致实验结果可能存在一定的误差。

表1:汽车维修采样地点和类型

Table1:The location and classification of automobile maintenance sampling

采样地点

采样类型

样品数

某德系和国产汽车品牌维修厂

汽车修补喷漆

2

某日系和韩系品牌汽车4s

汽车修补烘漆

2

1.2分析方法

样品用Agilent 7890A/5975C气相色谱/质谱联用法(GC/MS)分析VOCs,用Spectra Gas标准气对样品进行定量分析,该方法可定量测试105种VOCs。气体由Entech 7016CA自动进样器进样,经Entech 7100预浓缩仪处理后进入GC/MS分析并采集数据。预浓缩仪首先抽取50 ml样品捕集在1/4 英寸的液氮冷阱中,除水和除CO2后,经GC分离进入MS检测分析。系统载气为氦气。

预浓缩进样系统操作条件:一级冷阱捕集阱温度-150 ℃、解析温度10 ℃;二级冷阱捕集阱温度-30 ℃、解析温度180 ℃(3.5 min);三级冷阱捕集阱温度-160 ℃,解析温度250 ℃。色谱柱DB-1(60m×320mm×1.0μm)操作条件:初始温度-50 ℃,保持2 min,以6 ℃/min的速率升到220 ℃,保持6 min,流速为1.5 mL/min-1。质谱扫描模式为全扫描,扫描范围25~300 amu。电子轰击源,电离能量为70 eV。目标化合物是由色谱保留时间和质谱图来鉴别,浓度通过内标法来计算。

2、结果与讨论

2.1 汽车维修VOCs污染特征

汽车修补喷漆和烘漆样品VOCs共检出29种烷烃、11种烯烃、16种芳香烃和22种卤代烃,其质量浓度分别为:( 73351.80±4573.47) μg/m-3和(12770.05±123.14) μg/m-3,不同工序的VOCs排放水平有显著差异。汽车油漆均为烘烤漆,汽车修补喷漆完成后需要在60~80℃的烘漆房内烘烤1小时左右。汽车修补烘漆释放的VOCs显著低于汽车修补喷漆。由此可见,喷漆是汽车修补漆VOCs的主要排放工序,大量VOCs随喷枪涂装释放出来。

图1给出了汽车修补喷漆和烘漆VOCs的物种组成。由图1可见,芳香烃是浓度最高的VOCs物种,分别占喷漆和烘漆VOCs浓度贡献的90.58%和77.34%。汽车维修喷漆和烘漆VOCs物种组成有一定差异。除芳香烃外,烷烃、烯烃和卤代烃对汽车修补喷漆和烘漆VOCs物种组成的相对贡献分别为:5.60%、0.77%、3.05%和18.69%、2.78%、1.20%。芳香烃和卤代烃对汽车修补喷漆工序的浓度贡献显著高于烘漆工序,而烷烃对汽车修补喷漆工序的浓度贡献明显小于烘漆工序。

图1  汽车维修VOCs物种组成(wt%)

Fig.1 The species composition of VOCs from automobile maintenance(wt%)

image.png

汽车修补喷漆和烘漆的VOCs成分谱如图2所示。喷漆工序浓度最高的前十种VOCs物种依次为间,对-二甲苯、乙苯、邻-二甲苯、1,2,4-三甲苯、苯乙烯、氯甲烷、间-乙基甲苯、n-辛烷、1,2,3-三甲苯和甲苯;烘漆工序浓度最高的前十种VOCs物种分别为间,对-二甲苯、乙苯、邻-二甲苯、甲苯、1-甲基己烷、乙烷、丙烷、苯乙烯、间-乙基甲苯和1,2,4-三甲苯。间,对-二甲苯、乙苯和邻-二甲苯是汽车修补喷漆和烘漆VOCs中含量最丰富的物种,其对喷漆和烘漆VOCs物种组成的相对贡献分别达70.97%和60.01%。由图2可见,大多数芳香烃在喷漆VOCs中的相对含量较烘漆VOCs高,但甲苯在烘漆VOCs中的含量(7.79%)明显高于其在喷漆VOCs中的含量(1.48%)。苯含量均较低,其对喷漆和烘漆VOCs物种组成的相对贡献仅为0.37%和0.30%。部分烷烃如n-辛烷在喷漆VOCs中的浓度较高,而2-甲基己烷、乙烷和丙烷等在烘漆VOCs中的相对含量较喷漆VOCs高。

甲苯/苯即T/B浓度比可用来评估环境大气VOCs受机动车和溶剂使用等其他污染源的影响程度。通常<2.0表示受机动车尾气影响显著[13],而受溶剂挥发等其他VOCs排放源影响时,T/B则相对较大[14~15]。本研究获得的汽车维修喷漆和烘漆VOCs T/B分别为5.10和28.29,显著高于文献[16]获得的汽油车和柴油车尾气原始排放 T/B结果(分别为2.26和0.74),有力验证了上述观点。

图2 汽车修补喷漆和烘漆的VOCs成分谱

Fig.2 The source profiles of automobile maintenance

1691.jpg

2.2 汽车涂装VOCs组成特征比较

表2所示为汽车涂装VOCs组分比较。由表2可见,汽车维修与整车涂装VOCs组分特征有较大差异。部分含氧化合物如异丙醇、丁酮和丁醇在汽车整车涂装VOCs中的含量较高,但在汽车维修VOCs中均未检出。这一方面与检测分析方法有关。目前我国尚未制定VOCs检测分析方法标准,不同检测机构出具的分析数据存在较大差异。另一方面,汽车整车涂装为高度自动连续流水线式作业,文献[12]采集的排气筒VOCs样品包含喷漆和烘漆工段使用的包括油漆、稀释剂和清洗剂在内的所有有机溶剂排放的VOCs。汽车整车涂装VOCs中检出的含氧化合物主要来源于喷涂工艺中用到的稀释剂和清洗剂。汽车维修一般为间歇作业,本研究采集的VOCs样品仅采集了喷漆和烘漆单一工序VOCs,不包含稀释剂和清洗剂使用挥发的VOCs。此外,二甲苯、乙苯和苯乙烯在汽车维修VOCs中的浓度占比显著高于汽车整车,而三甲苯和正十一烷对汽车整车VOCs含量的相对贡献较高。

表2  汽车涂装VOCs组成特征比较(wt%)

Table2:Comparison of the composition characteristics of VOCs from automobile maintenance(wt%)

VOCs物种

喷漆

烘漆

整车

维修

整车

维修

夏思佳等

本研究

夏思佳等

本研究

0.35

0.37

0.71

0.30

甲苯

0.27

1.48

5.10

7.79

乙苯

6.47

18.82

2.07

16.25

二甲苯

16.18

52.15

9.71

43.77

苯乙烯

0.92

3.37

0.52

1.53

1,2,4-三甲苯

6.00

4.69

5.23

1.15

1,2,3-三甲苯

5.64

1.49

4.02

0.69

乙酸丁酯

7.91

0.00

21.25

0.00

异丙醇

6.63

/

0.54

/

丁酮

0.29

/

0.18

/

正十一烷

3.53

0.01

3.78

0.05

丁醇

24.25

/

1.64

/

丙苯

3.24

/

0.60

/

甲基乙基苯

7.38

4.78

1.44

2.95

其他VOCs

10.62

12.84

43.10

25.52

2.3 汽车维修VOCs大气化学活性及其关键活性物种

识别臭氧前体物VOCs活性组分是臭氧污染防治的关键,VOCs大气活性活性(VOCs reactivity)可用OH消耗速率(LOH)和臭氧生成潜势(OFP)两项指标来表征[17]。LOH可用来估算VOCs物种与对流层大气中的重要氧化剂即OH自由基的反应速率[17],OFP可用来衡量VOCs物种对O3生成的影响[18]。本研究使用的LOH常数取自Atkinson 的研究成果[19~20],OFP的计算基于Carter的修正值[21]

汽车修补喷漆VOCs的大气化学活性较烘漆VOCs高,其LOH和OFP分别为(6.75±0.85)×103 s-1和(4.08±0.20)×105 μg/m-3和(1.06±0.10)×103 μg/m-3、(6.19±0.24)×104 μg/m-3,芳香烃依然是贡献最高的VOCs物种,分别占汽车修补喷漆、烘漆LOH的94.35%和79.98%,OFP的98.09%和91.66%。浓度占比相对较低的烯烃对汽车修补喷漆、烘漆LOH和OFP的贡献高于烷烃。图3为汽车维修VOCs的关键活性物种及其对LOH和OFP的相对贡献。由图3可见,间,对-二甲苯、邻-二甲苯、乙苯和苯乙烯是汽车修补喷漆和烘漆VOCs中化学活性最高的物种,对LOH的贡献分别为77.05%和66.42%,对OFP的贡献依次为79.15%和76.00%。

图3  汽车维修VOCs的关键活性物种及其对LOH和OFP的贡献(%)

Fig.3 The key active species of VOCs from automobile maintenance (%)

1701.jpg

1702.jpg

2.4 汽车维修VOCs污染防治建议

2.4.1源头控制

源头控制是减少溶剂使用行业VOCs排放的有效手段,使用高固含量涂料、紫外光固化(UV)涂料、水性涂料和粉末涂料等低VOCs含量的环保涂料可大大降低VOCs污染排放。目前,低VOC含量的环保涂料在汽车整车涂装中得到了大力推广使用,但在汽车维修喷涂中的应用还较低,仅部分进口高档车维修喷涂进行了“油改水”替代。

2.4.2过程管理

汽车整车涂装普遍采用高度自动化流水线式的全密闭涂装工艺,工艺全过程产生的VOCs废气经收集后经末端处理设施处理后经排气筒排放。相对于汽车整车涂装,汽车维修喷涂设备自动化水平低,作业环境密闭性差,VOCs废气收集效率低甚至无收集设施,涂料使用情况无台账,亟待改进喷涂设备,加强作业环境的密闭性,完善喷涂废气收集系统,建立涂料原辅料使用台账。

2.4.3末端治理

有别于汽车整车喷涂VOCs废气风量大、VOCs浓度低的连续排放特点,汽车维修VOCs废气风量小、浓度高,且多为间隙排放。目前中大型汽车维修企业普遍采用更换型活性炭处理VOCs废气,多数小型汽修店无处理直接排放,严重污染环境影响周边居民生活。汽车维修企业应针对上述特点,安装有效治理设备去除VOCs废气。对使用更换型活性炭处理设备的,应严格按照设计要求定期更换活性炭并最好记录台账。

3、结论与建议

(1)汽车修补喷漆和烘漆VOCs平均浓度为(73351.80±4573.47) μg·m-3和(12770.05±123.14) μg·m-3,间,对-二甲苯、乙苯和邻-二甲苯是含量最高的物种。汽车维修喷漆和烘漆VOCs T/B分别为5.10和28.29。

(2)汽车整车涂装和维修喷涂VOCs物种组分特征有较大差异。异丙醇、丁酮和丁醇在汽车整车涂装VOCs含量较高,而二甲苯、乙苯和苯乙烯在汽车维修VOCs中的含量贡献相对较高。

(3)汽车维修VOCs大气活性强,其中芳香烃的相对贡献最高,分别占汽车修补喷漆、烘漆LOH的94.35%和79.98%,OFP的98.09%和91.66%,间,对-二甲苯、邻-二甲苯、乙苯和苯乙烯是最关键的活性物种。

(4)建议从源头控制、过程管理和末端治理3个方面加强汽车维修VOCs污染防治工作。一是推广低VOCs含量环保涂料的使用;二是加强喷涂废气的收集和作业环境的密闭性;三是建设安装有效VOCs废气去除设备。

参考文献

[1]ALEXIA B,VALERIC G,STEPANE S,et al.Seasonal variability and source apportionment of volatile organic compounds(VOCs)in the Paris megacity(France)[J].Atmospheric Chemistry and Physics,2016,16:11961-11989.

[2]EBERSVILLER S, LICHTVELD K,SEXTON K G,et al.Gaseous VOCs rapidly modify particulate matter and its biological effects-Part 1:Simple VOCs and model PM[J]. Atmospheric Chemistry and Physics,2012,12:12277-12292.

[3]CHENG C L, LI M, CHAN C K, et al.Mixing state of oxalic acid containing particles in the rural area of Pearl River Delta, China: implication for seasonal formation mechanism of Secondary Organic Aerosol(SOA) [J].Atmospheric Chemistry and Physics Discussions,2016,dol:10.5194.

[4]中华人民共和国生态环境部.大气挥发性有机物排放清单编制技术指南[S].2014

[5]刘金凤,赵静,李湉湉,等.我国人为源挥发性有机物排放清单的建立[J].中国环境科学,2008,28(6):496-500.

[6]夏思佳,刘倩,赵秋月.江苏省人为源VOCs排放清单及其对臭氧生成贡献[J].环境科学,2018,39(2):592-599.

[7]夏思佳,赵秋月,李冰,等.江苏省人为源挥发性有机物排放清单[J].环境科学研究,2014,27(2):120-126.

[8]肖景方,叶代启,刘巧,等.消费电子产品生产过程中挥发性有机物(VOCs)排放特征的研究[J].环境科学学报,2015,35(6):1612-1619.

[9]吴耀耀,范秀敏.深圳电子元件制造行业挥发性有机物排放现状研究[J].硅谷,2012,18(24):63-64.

[10]谭赟华.广东省木制家具行业挥发性有机物(VOCs)排放特征研究[J].广东化工,2012,39(1):45-46.

[11]蔡宗平,蔡慧华.印刷行业VOCs排放特征研究[J].环境科学与管理, 2013,38(8):166-172

[12]夏思佳,乔月珍,穆肃等.江苏省典型汽车涂装企业VOCs排放特征与污染控制技术[J].环境监控与预警,2017,9(6):19-23

[13] BARLETTA B, MEINARDI S, ROWLAND F S, et al.Volatile organic compounds in 43 Chinese cities [J].Atmospheric Environment, 2005,39(32): 5979-5990.

[14] HO K F, LEE S C, GUO H, et al.Seasonal and diurnal variations of volatile organic compounds (VOCs) in the atmosphere of Hong Kong [J].Science of the Total Environment,2004,322(1-3):155-166.

[15] TSAI W Y, CHAN LY, BLAKE D R, et al. Vehicular fuel composition and atmospheric emissions in South China: Hong Kong, Macau, Guangzhou and Zhuhai [J].Atmospheric Chemistry and Physics,2006, 6(12):3281-3288.

[16]乔月珍,王红丽,黄成,等.机动车尾气排放VOCs源成分谱及其大气反应活性[J]. 2012,环境科学,33(4):1071-1079.

[17]ZOU Y,DENG X J,ZHU D, et al.Characteristics of 1 year of observation data of VOCs,NOx and O3 at a suburban site in Guangzhou,China[J].Atmospheric Chemistry and Physics,2015,15:6625-6636.

[18]唐孝炎,张远航,邵敏.大气环境化学[M].北京:高等教育出版社,2006,255-256.

[19]ATKINSON R, AREY J.Atmospheric degradation of volatile organic compounds[J].Chemical Reviews,2003,103(12):4605-4638.

[20] ATKINSON R.Kinetics and mechanisms of the gas-phase reactions of the hydroxyl radical with organic compounds under atmospheric conditions[J].Chemical Reviews,1985,85(1):69-201.

[21] CARTER W.Development of ozone reactivity scales for volatile organic compounds [J].Journal of the Air and Waste Management Association,1994,44(7): 881-899.


给您喜欢的文章打个分呗!
(0)

专家库申请

Expert Apply

申请须知:

  • 1、

    具有涂料行业多年技术从业经验

  • 2、

    对涂料技术及工艺应用具有独到的见解

  • 3、

    解读涂料行业政策、法规、标准

  • 4、

    热衷于分享化工涂料行业技术知识和丰富的行业经验

申请加入

您的申请已经提交
管理员会在1个工作日内审核

查看进度

专家信息审核未通过
请您返回修改相关资料,重新提交申请

重新申请

0

发布文章

0

文章点击

0

专家点击

发布技术文献 申请在线课堂开课

相关课程推荐更多

Recommended

专家排行

申请加入专家库

*姓名: 姓名不能为空
*公司名称: 公司名称不能为空
*职位: 职位不能为空
*电子邮件:
*手机号码: 手机号码不能为空
*您所在行业:
化工
塑料
涂料
其他
请选择您所在行业
*您最擅长的领域:
1:
2:
3:
请选择您擅长的领域
*您的个人头像(要求200*200像素,或正方形涂料,小于1M,白底,免冠):
请上传您的个人头像
*自我介绍:
自我介绍不能为空 自我介绍不能超过1000字
《买化塑专家入驻协议》 请勾选《买化塑专家入驻协议》

关于我们 法律声明 联系我们 网站地图

COPYRIGHT©广州慧正云科技有限公司 www.ibuychem.com

粤ICP备18136962号增值电信业务经营许可证:粤B2-20201000