車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物來源解析研究

朱振宇，王雷，劉雪峰

車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物來源解析研究

朱振宇，王雷，劉雪峰

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 數(shù)據(jù)資源中心，天津 300300）

為研究車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）的來源，本研究利用環(huán)境領(lǐng)域中成熟的化學(xué)質(zhì)量平衡受體模型（CMB）對某量產(chǎn)車型的車內(nèi)VOCs進(jìn)行了來源解析研究。研究表明，該車型車內(nèi)VOCs主要為烷烴、烯烴類和芳香烴類物質(zhì)，醇酚類、醛酮類、酯類物質(zhì)含量較少；各零部件中VOCs分布較分散，大部分VOCs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都處于5%以下；車內(nèi)VOCs的主要來源為儀表板總成、線束總成、立柱總成、門板總成、副儀表板總成、前排座椅總成、后排座椅總成和頂棚總成等零部件。

揮發(fā)性有機(jī)物；化學(xué)質(zhì)量平衡受體模型；來源解析

前言

隨著我國汽車保有量的提高和消費(fèi)者健康意識的增強(qiáng)，車內(nèi)空氣質(zhì)量問題引起了社會各界的廣泛關(guān)注[1]。車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）具有散發(fā)周期長、毒性大、易受環(huán)境影響等特點(diǎn)，處理不當(dāng)會嚴(yán)重威脅駕乘人員身體健康[2]。目前，我國已出臺了HJ/T 400-2007《車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物和醛酮類物質(zhì)采樣測定方法》[3]和GB/T 27630《乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評價指南》[4]兩個車內(nèi)VOCs相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，前者規(guī)定了車內(nèi)VOCs的檢測方法，后者規(guī)定了車內(nèi)苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛等八種VOCs濃度要求，其中GB/T 27630《乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評價指南》正修訂為強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)。

為有效管控車內(nèi)VOCs，需要對車內(nèi)VOCs的來源進(jìn)行研究。目前，行業(yè)內(nèi)主要憑經(jīng)驗(yàn)確定車內(nèi)VOCs的主要來源，尚未形成成熟的模型方法。在環(huán)境大氣VOCs來源解析領(lǐng)域，化學(xué)質(zhì)量平衡受體模型（CMB）受到廣泛的應(yīng)用[5]。在環(huán)境領(lǐng)域，將大氣環(huán)境定義為受體，將污染來源定義為源?；瘜W(xué)質(zhì)量平衡受體模型（CMB）是由一組線性方程構(gòu)成的，表示每種化學(xué)組分的受體濃度等于各種排放源類的成分譜中這種化學(xué)組分的含量值和各種排放源類對受體的貢獻(xiàn)濃度值乘積的線性和。由于該模型物理意義明確，算法日趨成熟而成為目前最重要最實(shí)用的受體模型。本研究將車內(nèi)空氣定義為受體，將散發(fā)VOCs的各零部件定義為源，利用環(huán)境領(lǐng)域中成熟的CMB模型對車內(nèi)VOCs來源進(jìn)行解析研究，得到各零部件對車內(nèi)VOCs的貢獻(xiàn)率。

1 CMB模型原理

假設(shè)存在著對受體中的VOCs有貢獻(xiàn)的若干源類（j），并且（1）各源類所排放的VOCs的化學(xué)組成有明顯的差別；（2）各源類所排放的VOCs的化學(xué)組成相對穩(wěn)定；（3）各源類所排放的VOCs之間沒有相互作用。那么在受體上測量的總物質(zhì)濃度就是每一源類貢獻(xiàn)濃度值的線性加和。

式中：為受體中VOCs的總質(zhì)量濃度，μg/m3；S為每種源類貢獻(xiàn)的質(zhì)量濃度，μg/m3；為源類的數(shù)目，=1,2……J。

如果受體中的化學(xué)組分的濃度為C，那么公式（1）可以寫成：

式中：C為受體中化學(xué)組分的濃度測量值，μg/m3；F為第類源散發(fā)的化學(xué)組分的含量測量值，g/g；S為第類源貢獻(xiàn)的濃度計(jì)算值，μg/m3；為源類的數(shù)目，=1,2……J；為化學(xué)組分的數(shù)目，=1,2……I。

只有當(dāng)≥時，方程組（2）有解。源類的貢獻(xiàn)率為：

2 試驗(yàn)部分

2.1 整車樣品采集及處理

試驗(yàn)所用車輛為某量產(chǎn)車型，為使研究結(jié)果與車輛實(shí)際使用狀態(tài)接近，將該車型的試驗(yàn)條件定為65℃加熱2 h。具體測試程序如下：

（1）車輛在試驗(yàn)前均除去內(nèi)部構(gòu)件表面覆蓋物（如出廠時為保護(hù)座椅、地毯等而使用的塑料膜），依據(jù)HJ/T 400-2007《車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物和醛酮類物質(zhì)采樣測定方法》[3]，將試驗(yàn)車輛推入環(huán)境艙中，打開試驗(yàn)車的門窗通風(fēng)6h。

（2）將聚四氟乙烯采樣管通過車門的最上邊縫隙伸入車內(nèi)，固定在采樣點(diǎn)位置，封好車窗。參考ISO 12219-1《Whole vehicle test chamber-Specification and method for the determina -tion of volatile organic compounds in cabin interiors》[6]方法對整車進(jìn)行加熱，待采樣點(diǎn)溫度達(dá)到65℃時保持2h，然后進(jìn)行采樣。

（3）采樣方法依據(jù)HJ/T 400-2007《車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物和醛酮類物質(zhì)采樣測定方法》[3]進(jìn)行。

（4）將得到的總離子流色譜圖與NIST 05標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行匹配檢索（檢索相似度大于85%），結(jié)合色譜保留時間對VOCs進(jìn)行定性分析。采用外標(biāo)法對VOCs進(jìn)行定量分析，以目標(biāo)化合物的含量為橫坐標(biāo)，以扣除空白響應(yīng)后的峰面積的平均值為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，對正己烷到十六烷之間物質(zhì)濃度超過5μg/m3的盡可能多的峰面積進(jìn)行積分，以甲苯的響應(yīng)系數(shù)計(jì)算。

2.2 零部件樣品采集及處理

試驗(yàn)所用的零部件全部為與試驗(yàn)車輛對應(yīng)的量產(chǎn)零部件，包括儀表板總成、副儀表板總成、地毯總成、隔音墊總成、立柱總成、門板總成、頂棚總成、遮陽板總成、前排座椅總成、后排座椅總成、遮物簾總成、線束總成、空調(diào)總成、方向盤總成、安全帶總成共15種。按照行業(yè)常用的袋子法對零部件進(jìn)行檢測分析，為與整車試驗(yàn)條件一致，將試驗(yàn)條件定為65℃加熱2h。具體測試程序如下：

（1）將零部件放入符合要求的采樣袋中，在25℃環(huán)境下準(zhǔn)確充入50±5%采樣袋體積的氮?dú)狻?/p>

（2）將準(zhǔn)備好的裝有零部件的采樣袋放入恒溫箱中，在65℃條件下進(jìn)行散發(fā)試驗(yàn)2h。散發(fā)試驗(yàn)結(jié)束后，保持恒溫箱溫度65℃。

（3）輕拍采樣袋使其中氣體混勻，連接恒流氣體采樣泵，采樣管，進(jìn)行氣體樣品的采集。

（4）對采集到的采樣管，將得到的總離子流色譜圖與NIST 05標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行匹配檢索（檢索相似度大于85%），結(jié)合色譜保留時間對VOCs進(jìn)行定性分析。采用外標(biāo)法對VOCs進(jìn)行定量分析，以目標(biāo)化合物的含量為橫坐標(biāo)，以扣除空白響應(yīng)后的峰面積的平均值為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，對正己烷到正十六烷之間物質(zhì)濃度超過5μg/m3的盡可能多的峰面積進(jìn)行積分，以甲苯的響應(yīng)系數(shù)計(jì)算。

3 結(jié)果與討論

3.1 整車VOCs成分特征分析

整車VOCs檢出物質(zhì)共計(jì)101種，該試驗(yàn)車輛車內(nèi)VOCs首要為烷烴和烯烴類物質(zhì)，占比達(dá)69.1%；其次為芳香烴類物質(zhì)，占比達(dá)14.5%；醇酚類、醛酮類、酯類物質(zhì)占比較小，分別為8.7%、4.3%、2.1%；此外，還包含少量苯并噻唑、乙酸、N，N-二甲基甲酰胺等物質(zhì)。烷烴類和烯烴類物質(zhì)主要來源于車內(nèi)各種塑料件、橡膠件等材料的揮發(fā)。芳香烴類物質(zhì)主要來源于內(nèi)飾材料中含有的有機(jī)溶劑、助劑和添加劑等揮發(fā)性成分在使用中的釋放。此外在該試驗(yàn)車輛中檢出了N，N-二甲基甲酰胺，該物質(zhì)主要用作聚氨酯、聚丙烯腈、聚氯乙烯等的有機(jī)溶劑。

表1 零部件VOCs質(zhì)量百分比

3.2 零部件VOCs成分特征分析

對試驗(yàn)得到的零部件VOCs成分進(jìn)行分析，將各零部件VOCs組分的濃度百分含量(Fij)按1%≤Fij＜5%，5%≤Fij＜10%，10%≤Fij＜20%，F(xiàn)ij≥20%劃分四檔，忽略Fij＜1%的物質(zhì)，那么“落入”各檔中的化學(xué)組分如表1所示。

由表1可知，各零部件中VOCs分布較分散，大部分物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都處于5%以下。

3.3 CMB來源解析結(jié)果

本研究使用南開大學(xué)開發(fā)的NKCMB3.0軟件進(jìn)行源解析計(jì)算，將各源類的成分譜和受體成分譜納入NKCMB3.0模型，用NKCMB3.0軟件進(jìn)行計(jì)算，得到各源類對車內(nèi)空氣中TVOC的貢獻(xiàn)率，結(jié)果見圖1。

圖1 車內(nèi)VOCs來源解析結(jié)果

由圖1可知，儀表板總成對整車VOCs貢獻(xiàn)率最高，達(dá)14%；其次為線束總成、立柱總成和門板總成，貢獻(xiàn)率均為13%；副儀表板總成的貢獻(xiàn)率為9%，前排座椅總成和后排座椅總成的貢獻(xiàn)率均為6%，頂棚總成的貢獻(xiàn)率為5%。由上圖可知，對整車VOCs貢獻(xiàn)較大的零部件為儀表板總成、線束總成、立柱總成、門板總成、副儀表板總成、前排座椅總成、后排座椅總成和頂棚總成等。

4 結(jié)論

（1）車內(nèi)VOCs主要為烷烴、烯烴類和芳香烴類物質(zhì)，醇酚類、醛酮類、酯類物質(zhì)含量較少。

（2）各零部件中VOCs分布較分散，大部分VOCs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都處于5%以下。

（3）車內(nèi)VOCs的主要來源為儀表板總成、線束總成、立柱總成、門板總成、副儀表板總成、前排座椅總成、后排座椅總成和頂棚總成等零部件。

[1] 朱振宇,劉雪峰,劉偉.關(guān)于車內(nèi)氣味問題治理途徑探討[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展,2017,42(06):88-90.

[2] 陳小開,程赫明,馮莉莉.轎車內(nèi)苯系物的健康風(fēng)險評價[J].環(huán)境科學(xué)研究,2014,27(11):1331-1337.

[3] HJ/T 400-2007.車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物和醛酮類物質(zhì)采樣測定方法[S].

[4] GB/T 27630-2011乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評價指南[S].

[5] John G. Watson, Judith C. Chow, et al., Review of volatile organic compound source apportionment by chemical mass balance [J]. Atmospheric Environment, 2001, 35: 1567~1584.

[6] ISO 12219-1.Whole vehicle test chamber-Specification and method for the determination of volatile organic compounds in cabin interi -ors[S].

Study on Source Analysis of Volatile Organic Compounds in Vehicles

Zhu Zhenyu, Wang Lei, Liu Xuefeng

（Automotive Data Center, China Automotive Technology and Research Center Co., Ltd., Tianjin 300300）

In order to study the source of volatile organic compounds (VOCs) in vehicles, this study analyzed the source of VOCs in a vehicle by using the mature chemical mass balance receptor model (CMB) in the field of environment. Studies show that VOCs in this vehicle mainly consist of alkanes, alkenes and aromatic hydrocarbons, while the contents of alcohol phenols, aldehydes, ketones and esters are relatively low. Among the components, VOCs are scattered, and the quality fraction of most VOCs is below 5%.The main sources of VOCs in this vehicle are instrument panel assembly, wiring harness assembly, column assembly, door panel assembly, sub-instrument panel assembly, front seat assembly, back seat assembly and ceiling assembly.

Volatile organic compounds; Chemical mass balance receptor model; Source analysis

A

1671-7988(2019)21-208-03

O741

A

1671-7988(2019)21-208-03

朱振宇，就職于中國汽車技術(shù)研究中心有限公司數(shù)據(jù)資源中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.074

CLC NO.: O741