VOC
挥发性有机化合物
VOC是挥发性有机化合物(volatile organic compounds)的英文缩写,有时也用TVOC来表示(total volatile organic compounds)。普通意义上的VOC就是指挥发性有机物,按照世界卫生组织的定义,如果在常压101.32 kPa下沸点在 50℃-250℃的化合物,即常温下以气体形式存在;但是环保意义上的定义是指活泼的一类挥发性有机物,即会产生危害的那一类挥发性有机物。VOC的结构决定了它们在常温下能够迅速转变为气体状态。这一类化合物包括多种成分,如甲醛、苯、丙烯等,广泛存在于化学产品、建筑材料、清洁剂、汽车尾气等日常生活和工业生产中。尽管VOC对某些产品和工艺有着重要作用,但它们的挥发性质也带来环境和健康的潜在问题。VOC的挥发会导致空气污染,参与臭氧和细颗粒物的形成,同时可能对人体健康产生不利影响,如呼吸系统问题和有害物质的暴露。
定义及分类
定义
VOC是挥发性有机化合物(volatile organic compounds)的英文缩写。
例如,美国ASTM D3960-98标准将VOC定义为任何能参加大气光化学反应的有机化合物
美国联邦环保署(EPA)的定义:挥发性有机化合物是除CO、CO2、H2CO3、金属碳化物、金属碳酸盐碳酸铵外,任何参加大气光化学反应的碳化合物。
世界卫生组织(WHO,1989)对总挥发性有机化合物(TVOC)的定义为,熔点低于室温而沸点在50~260℃之间的挥发性有机化合物的总称。
德国DIN 55649-2000标准对VOC的定义是,原则上,在常温常压下,任何能自发挥发的有机液体和/或固体。同时,德国DIN 55649-2000标准在测定VOC含量时,又做了一个限定,即在通常压力条件下,沸点或初馏点低于或等于250℃的任何有机化合物。
巴斯夫公司则认为,最方便和最常见的方法是根据沸点来界定哪些物质属于VOC,而最普遍的共识认为VOC是指那些沸点等于或低于250℃的化学物质。所以沸点超过250℃的那些物质不归入VOC的范畴,往往被称为增塑剂。
这些定义有相同之处,但也各有侧重。如美国的定义,对沸点初馏点不作限定,强调参加大气光化学反应。不参加大气光化学反应的就叫作豁免溶剂,如丙酮、四氯乙烷等。而世界卫生组织和巴斯夫则对沸点或初馏点作限定,不管其是否参加大气光化学反应。国际标准ISO 4618/1-1998和德国DIN 55649-2000标准对沸点初馏点不作限定,也不管是否参加大气光化学反应,只强调在常温常压下能自发挥发。
分类
可将这些VOC的定义分为二类,一类是普通意义上的VOC定义,只说明什么是挥发性有机物,或者是在什么条件下是挥发性有机物;另一类是环保意义上的定义,也就是说,是活泼的那一类挥发性有机物,即会产生危害的那一类挥发性有机物。非常明显,从环保意义上说,挥发和参加大气光化学反应这两点是十分重要的。不挥发或不参加大气光化学反应就不构成危害。这也就是欧洲将溶剂按光化臭氧产生潜力来分类的原因。
有关规定
涂料国标《GB18582-2020建筑用墙面涂料中有害物质限量》中VOC含量的定义是:“参与大气光化学反应的有机化合物,或者根据有关规定确定的化合物。”一般说来,材料中所含VOC越少,它对人体的危害就越轻微。涂料国标中对内墙涂料中VOC含量的要求是:不得高于每升80克。
国外发达国家对涂料中VOC含量的限制很严格。以欧盟而言,一类(亚光类)涂料不得高于每升30克,二类(有光类)不得高于每升200克;而在国内,国家环保总局最新发布的水性内墙涂料环境标志产品认证要求规定,VOC不得高于每升100克;北京市制定的《室内装饰装修涂料安全健康质量评价规则》,对VOC的要求是必须在每升125克以下。
来源
VOC室外主要来自燃料燃烧和交通运输产生的工业废气、汽车尾气、光化学污染等;室内主要来自燃煤和天然气等燃烧产物、吸烟、采暖和烹调等得烟雾,建筑和装饰材料、家具、家用电器、清洁剂和人体本身的排放等。
工业过程:工业生产是VOC的主要来源之一。许多化学生产过程和制造业活动会释放VOC,包括石化工业、印刷、油漆涂料制造、化肥生产等。这些过程中使用的溶剂和挥发性有机废物都是VOC的贡献源。
交通尾气:机动车辆的燃烧产生的尾气是空气中VOC的主要来源之一。燃油中的挥发性有机物在燃烧过程中释放,形成空气中的VOC,这对城市空气质量和公共健康构成潜在威胁。
建筑和装修材料:许多建筑材料和装修用品中含有VOC,如油漆、涂料、粘合剂、地板材料等。这些产品中的挥发性有机物会在施工和使用过程中释放到空气中,形成室内空气污染。一般油漆中VOC含量为每升30至70克。由于挥发性有机物具有强挥发性,一般情况下,油漆施工后的10小时内,可挥发出90%。
生活用品和清洁剂:家庭中使用的许多日常产品,如清洁剂、香水、洗发水等,都含有挥发性成分。这些物质在使用时会挥发到室内空气中,增加室内VOC的浓度。
自然源:自然界也存在一些VOC的源,如植物释放的挥发性有机物,被称为挥发性有机化合物(VOCs)。这包括植物的生长过程中释放的挥发性有机物和一些树脂、花香等。
垃圾处理和焚烧:在垃圾焚烧和处理过程中,废弃物中的有机物可能会释放VOC。这种情况通常发生在垃圾填埋场或焚烧设施。
卫生污水处理:污水处理厂是另一个潜在的VOC来源。污水中的有机物在处理过程中可能会产生VOC排放。
危害
大气污染
VOC是臭氧前体,与氮氧化物(NOx)在阳光下反应,形成臭氧。高浓度的臭氧对呼吸系统有害,尤其是对儿童、老年人和患有呼吸系统疾病的人更为危险。VOC的氧化产物可与氮氧化物和硫化物反应,形成细颗粒物,对空气质量和健康构成威胁。
室内空气污染
室内装修和建筑材料中的VOC,如甲醛、苯等,可导致室内空气质量下降,引发“新房综合征”。家庭清洁剂中的VOC,如氯仿、二甲苯等,释放到室内空气中,可能导致室内空气污染。
危害人体健康
呼吸系统问题:一些VOC,如苯、甲苯,长时间暴露可能引发呼吸系统问题,包括咳嗽、气喘和气短等。
神经系统影响:长期接触某些VOC,如甲醛,可能导致头痛、眩晕、注意力不集中等神经系统问题。
致癌性:部分VOC,如苯系物质,被国际癌症研究机构(IARC)评定为可能的或确实的致癌物质。中国环境科学院副院长兼总工程师夏青教授谈到VOC对人体的危害时认为:由于婴幼儿有90%的时间是在室内度过的,所以有毒涂料中的有害物质对儿童的侵害时间最长、最大,而儿童的身心特征又使得这种危害的后果要比成人更为严重。由于对人体有害,2005年7月1日起强制实行的国家标准中规定,内墙乳胶漆VOC要小于等于200克/升,如果要获得绿色环保“十环标志”,则VOC含量要小于100克/升。报告称我国每年数十万人死于装修污染,专家称凶手是VOC。据世界卫生组织在2005年发布的《世界卫生组织甲醛致癌报告》中指出,我国因装修污染引起的年死亡人数为11.1万人,平均每天约304人,并有证据表示这个死亡人数仍在逐年攀升。
危害生态系统
VOC能够通过大气降水沉降到水体中,可能对水生生物造成毒害。挥发性有机物的沉积可能导致土壤中微生物的死亡,影响土壤的生态平衡。同时,氯氟烃类VOC和一些氯氟烃类VOC,如氯氟烃,被认为对臭氧层具有破坏性影响,导致大气中臭氧浓度降低,增加地球表面对紫外线的暴露,对生物和生态系统产生不利影响。
降解及消除方法
活性吸附法
在有机废气治理工艺中 , 吸附是处理效果好、使用较广的方法之一 , 吸附剂有活性炭、硅藻土、沸石等 , 其中活性炭吸附应用最多。通过吸附系统 , 不仅可以使 VOC 浓度大大降低 , 实现废气达标排放 , 而且吸附后通过气提解吸 , 收集物可回用于生产。
引风高空排放法
这是一般企业在装漆、砂磨等岗位使用最多、最简便的方法之一 , 其成本低、易操作、效果明显。但高空排放只是污染的转移 , 并没有真正解决污染问题 , 而引风机功力大小和风口安装高度又直接影响引风效果。
燃烧处理法
VOC 为有机挥发性物质 , 易燃烧 , 可采用常温或催化氧化燃烧处理 , 气体由引风管道通入锅炉或焚烧炉燃烧 , 但对高温有机气体还要经过安全论证。此法处理比较完全, 基本可以把VOC 转化为CO2 、H2O 。
吸收除气法
因 VOC 一般都溶解于柴油或 200 # 汽油等有机溶剂 , 可用柴油或 200 # 汽油吸收 VOC , 吸收后的溶剂可用于燃料或稀释剂。这种方法操作方便、成本低 , 但吸收处理后一般尚有挥发气体残余 , 因有机溶剂本身易挥发 , 因此不能使 VOC 降为零 , 若遇高温 , 则吸收率更低。
冷凝收集法
对反应釜高温有机气体可采用冷凝收集 , 先用直冷凝再螺旋冷凝 , 该法除气效果明显 , 易操作、运行成本低 , 但对低沸点气体效果不佳。
生物处理法
有机废气的生物处理是最经济有效的方法 , 效果好、运行费用低于任何一种处理方法 , 安全、易操作。 VOC 的生物净化法有直接微生物净化法、间接微生物处理法 ( 先水吸收再废水生物处理 ) 及植物净化法等。直接生物净化有生物吸收池、生物洗涤池、生物滴滤池、生物过滤池 , 处理效果好、操作方便 , 其中生物过滤池技术成熟 , 应用较多。如德国和荷兰建有几百座废气生物滤池 , 运行效果都很好。
生物处理法是用水或弱碱液吸收 VOC , 其中含有的醇类、醛类等物质易溶于水 , 吸收后的废水再用生物降解 , 使废水达标排放。植物净化法就是厂区内增加绿化面积 , 利用绿色植物吸收和转化大气中的污染物来净化空气 , 这种方法适用于大环境低浓度的污染。
替代 HAP 溶剂法
溶剂型涂料中的 VOC 污染物主要是甲苯、二甲苯中的挥发气体 , 虽然苯类稀释剂具有很多施工上的优点 , 但其毒害作用是众所周知的。因此 , 有的厂家正在寻找能替代含甲苯、二甲苯溶剂的配方 , 使涂料环保性能更好。
检测方法
鉴于VOC的危害性,世界各国政府及采购商都对采购的产品中的VOC含量有不同程度的要求。
测试项目:
1.Cyclohexanone环己酮
2.Isophorone 异佛尔酮
3.Methanol 甲醇
4.Ethanol 乙醇
5.Phenol 苯酚
6.Acetone 丙酮
7.Ethyl acetate 乙酸乙酯
8.Benzene 苯
9.n-Butanol 正丁醇
10. MIBK(Methyl isobutyl ketone) 甲基异丁基酮
11. n-Butyl acetate 醋酸正丁酯
12. Xylene (m,p,o) 二甲苯(邻,间,对)
13. Toluene 甲苯
14. Styrene 苯乙烯
15. 1,2-dichlorobenzene 1,2-- 二氯苯
16. Acetophenone 苯乙酮
17. MEK(Methyl ethyl ketone) 甲乙酮
18. Iso-propanol(Isopropyl alcohol) 异丙醇
19. Dichloromethane 二氯甲烷
20. Trichloroethylene 三氯乙烯
21. Ethyl benzene 乙苯
22. n-Hexane 正己烷
23. 2-methoxylethyl acetate 2-甲氧基乙酸乙酯
24. Nitrobenzne 硝基苯
25. Bis(2-methyoxyethyl)ether 双(2-甲氧基乙基)醚
26. Mesitylene(1,3,5-Trimethylbenzene) 1,3,5-三甲基苯
检测过程中使用到的方法及仪器
气相色谱-质谱联用(GC-MS):这是一种高灵敏度和高选择性的方法,通过气相色谱分离VOC,并通过质谱仪识别和定量化合物。GC-MS常用于分析大气样品、室内空气样品、工业排放等。
气相色谱-电子捕获检测器(GC-ECD):GC-ECD是气相色谱中一种用于检测含有氮、磷、硫等元素的检测器,对一些VOC的检测也比较敏感,如苯、氯苯等。
气相色谱-火焰光度检测器(GC-FID):GC-FID常用于检测饱和烃类VOC,通过测量化合物燃烧时产生的光度信号来定量。
气相色谱-离子阱检测器(GC-Ion Trap):这是一种常用于检测环境空气中低浓度VOC的灵敏方法。
光吸收法:一些VOC在紫外光或红外光下会发生吸收,通过测量吸收的强度可以确定其浓度。这种方法常用于实时监测。
袋式气相色谱法(PAS):PAS使用特殊的袋子收集空气样品,然后使用气相色谱法分析袋内的VOC。这是一种适用于野外和临时监测的方法。
主动式采样方法:使用活性吸附剂,如碳吸附管或带有吸附材料的袋子,主动吸附空气中的VOC,然后通过分析吸附剂来确定VOC的浓度。
光离子化检测仪(Photo Ionization Detectors,简称PID):一种气态检测仪,可以实时量度空气中挥发性有机物水平。这方法的线性范围覆盖至1000ppm,检出限为0.05ppm
火焰离子化检测器(Flame ionization detector,简称FID):一种宽频有机化合物检测器,不具备选择性。它们的线性非常好。FID用于现场检测的主要局限在于它们较大的重量和体积,以及需要配置一个氢气瓶,这样一来,就很难在危险环境中使用。FID相对较贵、维护繁琐也限制了它在工业领域的应用。PID和FID都是常见的有机化合物检测器,它们都可以有效地测量同一种物质,但是,由于PID更小巧一些,更容易使用和更安全,它要比FID更加普遍地应用于工业领域。
涂料配方
当今涂料的发展力求符合“4E“原则,即经济、效率、生态、能源,在此原则的基础上,建筑涂料的产品结构才能不断变革和完善。同时,减少VOC的含量,以确保建筑涂料符合环保安全性能的要求,是建筑涂料发展的总趋势。
为了配合这种发展趋势,陆续出台了相关的法律法规,其中有关VOC控制的法规是强制性国标GB 18582-2020和环境标志认证标准HBCl2-2002。
TVOC和VOC的差异
参考资料
美国国家环境保护局.中文 (简体版) | US EPA.
挥发性有机物(VOCs)全档案.中国气象局政府门户网站.
最新修订时间:2024-12-03 18:41
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