兰州市环境空气中VOCs分布特征及其变化规律研究

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环境空气中的挥发性有机物(VOCs)是大气化学过程中的一类污染物,其自身的致突、致癌等特性对人类身体健康造成严重的影响;此外,挥发性有机物(VOCs)在大气化学过程中产生的次生污染物也具有很大危害。随着环境空气VOCs以及次生污染物对人体健康的危害日益加重,这也是当前亟待妥善解决的突出环境问题之一。由于挥发性有机物(VOCs)的物理特征以及参与大气化学过程的贡献值差异性;其组分的复杂性使得对源性成分示踪分析的困难程度增加。因此,从区域视角下,探析环境空气中VOCs的浓度、时空分布特征、类别组分、大气化学活性以及来源特征解析是必要的;为明确区域大气环境状态以及大气污染控制方面提供基础的数据支撑;以期为环境空气VOCs在人体健康风险评估方面的基础应用以及为环境空气VOCs来源治理提供依据。本研究以兰州市为研究区域,选取五个采样点,采用间断采样模式;对2017年11月-2018年6月份的挥发性有机物(VOCs)样品进行采集,依据EPA TO-17、TO-14采用TENAX吸附管采样,利用TD-GS/MS法进行VOCs数据的筛查:(1)获取106种VOCs物种,对54种VOCs物种进行定量分析;获得5个功能区VOCs组分特征、含量的变化趋势,同时收集气象因子包括温度、湿度、空气质量指数等,进行显著性分析;采用臭氧生成潜势(OFP)评估功能区大气反应活性,利用最大增量反应活性系数(MIR)估算VOCs对OFP的贡献值,利用因子分析法进行来源解析。(2)对2017年11月至2018年6月大气中低碳数正构烷烃C5C19之间有检出的10种正构烷烃含量水平,进行区域组分特征、空间分布状态、组分与气象因子的显著相关性分析;依据大气化学反应活性参数对其OFP、OH自由基消耗速率、二次有机气溶胶生成潜势进行评估计算;利用因子分析法进行低碳数正构烷烃的大气活性贡献值分析。(3)对10种特殊的VOCs(低碳数正构烷烃)物种进行信息量未知因子的提取,对所有获取的VOCs进行源分析。结果表明:(1)共确定出106种挥发性有机物成分,且各个功能区VOCs特征与时空变化明显不同,气象因子与VOCs具有显著相关性;最主要的活性物种甲苯、苯乙烯,各个功能区的关键活性组分有2-甲基戊烷、三氯乙烯、苯乙烯、苯、甲苯、乙基苯、间二甲苯、邻二甲苯、萘、丙酮等,表明这几种VOCs对OFP贡献值最大;数据显示VOCs类别组分的所占百分比与OFP贡献值比重具有一致性;由因子分析法指出5个功能区4个因子对空气VOCs源成分具有85.32%以上的信息量的解释,即这4个因子的内容将成为重要的关注点。(2)(1)低碳数正构烷烃中C5C8之间均值最高的为正辛烷为18.99μg/m3,C9C19之间均值浓度最高为十九烷,其平均浓度为2.24μg/m3;(2)对OFP、OH自由基消耗速率的贡献值最高分别为正己烷、正辛烷,占比分别为37.71%、37.64%;(3)对二次有机气溶胶生成潜势贡献值最大的为正辛烷,占比为50.02%;正辛烷、正己烷成为C5C19之间正构烷烃的两种关键活性组分;(4)在大气化学反应活性参数的显著相关分析中,低碳数正构烷烃总质量浓度与臭氧生成潜势(r1)以及OH自由基消耗速率(r2)具有显著相关性(r1=0.895;r2=0.948);(5)在大气化学反应活性参数的因子分析中,其中主成分分析拟合的5个因子对C5C19之间10种正构烷烃化学反应活性的94.51%以上信息量进行解释。研究显示兰州市大气常态下低碳数正构烷烃的臭氧生成潜势在大气环境中也具有明显的变化;大气反应活性参数之间也具有明显的相关性;正辛烷是大气化学反应活性贡献值最高的化合物之一,也是汽车尾气排放源;正己烷是人为源与自然源的产物。(3)依据化合物信息量的提取和来源分析结果表明:交通排放源、柴油燃烧和工业涂料释放为主要来源;生物源、其他人为活动源、环境背景源也是不容忽视的来源之一;在西固区(工业区)以及下风向的安宁区VOCs浓度较高,通过气象参数与大气环流分析显示,风向与气流的方向对VOCs浓度变化具有一定的影响;然而,兰州特殊地形因素对区域环境以及人体健康方面具有深刻的影响。
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