瀝青VOCs排放特征及不同抑制劑減排效果探究

續(xù)競(jìng)臺(tái)

（中建路橋集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050011）

0 引言

瀝青路面是道路建設(shè)的主要路面類型，是道路基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在建養(yǎng)和運(yùn)維全周期均會(huì)產(chǎn)生不同程度的“揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile organic compounds，簡(jiǎn)稱VOCs）”，對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響[1]。曹佳慧等[2]利用GC-MS定量分析了瀝青VOC中多環(huán)芳烴類16種有毒化合物。Luo等[3]通過分析熱拌瀝青混凝土施工現(xiàn)場(chǎng)的VOCs排放，發(fā)現(xiàn)苯并芘含量約為空氣許可含量的111倍，比強(qiáng)致癌標(biāo)準(zhǔn)的濃度高11.7倍；Long等[4]研究了活性炭對(duì)瀝青VOCs排放的抑制效果和機(jī)理。Li等[5]研究了有機(jī)化蒙脫土對(duì)瀝青VOCs釋放量及老化的影響，結(jié)果表明有機(jī)化蒙脫土能有效抑制瀝青VOCs排放。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取某市城郊道路建設(shè)所用70號(hào)基質(zhì)瀝青（A）作為研究對(duì)象，針對(duì)不同種類抑制劑（活性炭、膨脹石墨和鎂鋁水滑石）探究其對(duì)瀝青VOCs的減排效果，瀝青材料和抑制劑的具體信息如表1所示。

表1 瀝青材料的基本信息

1.2 試驗(yàn)方法

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬瀝青VOCs的排放，試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。瀝青VOCs具體收集方法如下：取50g瀝青材料置于三頸燒瓶中，加熱瀝青至流動(dòng)狀態(tài)開啟攪拌器，攪拌速率設(shè)置為400r/min，并根據(jù)每種瀝青施工差異，將瀝青材料進(jìn)一步加熱至現(xiàn)場(chǎng)拌和溫度（如表1所示），開啟采樣泵，泵速設(shè)置為1.2L/min。在保溫10min后，用特氟龍氣袋或蘇瑪罐采氣，采氣時(shí)長(zhǎng)為30s。

圖1 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)瀝青VOCs采樣裝置

圖2 VOCs組分趨勢(shì)

1.3 瀝青VOCs檢測(cè)方法

瀝青VOCs種類復(fù)雜，主要包括烷烴、芳香烴、烯烴、酮類等組分[6]。本文參照美國(guó)EPA推薦TO-15技術(shù)方法分析瀝青VOCs中的物種，利用色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）對(duì)瀝青VOCs物種開展定量分析。色譜柱升溫程序?yàn)椋?5℃，保持9min；以10℃/min升至100℃，保持1min；再以5℃/min升至150℃；最后以12℃/min升溫至220℃。

1.4 VOCs環(huán)境影響分析

為表征所選抑制劑制備的VOCs抑制型瀝青減排對(duì)環(huán)境負(fù)荷減輕的效果，選用最大反應(yīng)性（MIR）和二次有機(jī)氣溶膠生成潛勢(shì)方法計(jì)算各類VOCs抑制型瀝青材料VOCs的OFP和SOAFP[7]，公式如下：

式中：OFP—瀝青VOCs總臭氧生成潛勢(shì)，mg/m3；SOAFP—瀝青VOCs總二次有機(jī)氣溶膠生成潛勢(shì)，mg/m3；OFPi—瀝青VOCs中第i個(gè)物質(zhì)臭氧生成潛勢(shì)，mg/m3；SOAFPi—瀝青VOCs中第i個(gè)物質(zhì)二次有機(jī)氣溶膠生成潛勢(shì)，mg/m3；VOCsi—瀝青VOCs中第i個(gè)物質(zhì)的質(zhì)量濃度，mg/m3；MIRi—瀝青VOCs中第i個(gè)物質(zhì)對(duì)應(yīng)的臭氧生成系數(shù)，無量綱；FACi—瀝青VOCs中第i個(gè)物質(zhì)對(duì)應(yīng)的二次有機(jī)氣溶膠生成系數(shù)[8-9]，無量綱。

1.5 抑制效果評(píng)價(jià)

定義抑制型瀝青的VOCs抑制效率ηi為：

式中：ηi—抑制型瀝青的VOCs抑制率，%；Ni1—基質(zhì)瀝青的VOCs排放及其環(huán)境影響情況；Ni2—抑制型瀝青的VOCs排放及其環(huán)境影響情況，其中i為1、2、3分別代表VOCs排放濃度、臭氧生成潛勢(shì)、二次有機(jī)氣溶膠生成潛勢(shì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 瀝青VOCs排放特征

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)瀝青VOCs測(cè)試結(jié)果表明，70號(hào)基質(zhì)瀝青VOCs排放濃度為：24.134mg/m3。瀝青VOCs中烷烴、烯烴、芳香烴、OVOCs、鹵代烴及其他組分濃度依次是12.115mg/m3、0.907mg/m3、3.747mg/m3、7.323mg/m3、0.040mg/m3和0.002mg/m3。進(jìn)一步將各組分的臭氧生成潛勢(shì)和二次有機(jī)氣溶膠生成潛勢(shì)結(jié)果匯總于表2，可以看出該瀝青VOCs的臭氧生成潛勢(shì)為69.242mg/m3，二次有機(jī)氣溶膠生成潛勢(shì)為35.078mg/m3。

表2 瀝青VOCs排放情況匯總

進(jìn)一步將各組分VOCs排放對(duì)排放濃度、臭氧生成潛勢(shì)、二次有機(jī)氣溶膠生成潛勢(shì)的貢獻(xiàn)匯總?cè)鐖D所示2?？梢钥闯?，瀝青VOCs中烷烴、OVOCs和芳香烴3個(gè)組分對(duì)于排放濃度貢獻(xiàn)較大，烯烴貢獻(xiàn)較小，鹵代烴和其他組分的貢獻(xiàn)程度可以忽略不計(jì)；對(duì)于臭氧生成潛勢(shì)，OVOCs和芳香烴兩個(gè)組分貢獻(xiàn)較大，烷烴和烯烴的貢獻(xiàn)略低于OVOCs和芳香烴，鹵代烴和其他組分的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)；對(duì)于二次有機(jī)氣溶膠生成潛勢(shì)，烷烴和芳香烴組分是其全部來源（99.99%），烯烴、OVOCs、鹵代烴和其他等組分對(duì)二次有機(jī)氣溶膠生成潛勢(shì)基本無貢獻(xiàn)。

綜上所述，瀝青VOCs中，烷烴組分對(duì)VOCs濃度和二次有機(jī)氣溶膠生成潛勢(shì)貢獻(xiàn)突出，對(duì)臭氧生成潛勢(shì)貢獻(xiàn)減弱；OVOCs對(duì)VOCs濃度和臭氧生成潛勢(shì)貢獻(xiàn)大，對(duì)二次有機(jī)氣溶膠組分貢獻(xiàn)雖低于烷烴組分，但其對(duì)臭氧生成潛勢(shì)的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于烷烴，這主要是因?yàn)椴煌M分內(nèi)的物質(zhì)反應(yīng)活性不同；芳香烴在VOCs濃度中貢獻(xiàn)遠(yuǎn)低于烷烴和OVOCs，但其對(duì)臭氧生成潛勢(shì)和二次有機(jī)氣溶膠的貢獻(xiàn)較大。這進(jìn)一步說明了瀝青VOCs中各組分排放對(duì)生態(tài)環(huán)境具有差異性的影響。

2.2 不同種類抑制劑減排效果對(duì)比

前文分析了70號(hào)基質(zhì)瀝青的VOCs排放情況，可以看出，瀝青VOCs不同組分排放對(duì)臭氧和二次有機(jī)氣溶膠的生成具有差異性影響，需要進(jìn)一步對(duì)比分析不同種類抑制劑對(duì)瀝青VOCs的減排效果。

圖3匯總了不同種類抑制劑對(duì)瀝青VOCs排放情況影響的對(duì)比結(jié)果?？梢钥闯?，A-Y1-5%抑制劑摻入后瀝青VOCs濃度、二次有機(jī)氣溶膠生成潛勢(shì)、臭氧生成潛勢(shì)降低最明顯。抑制劑摻入后VOCs濃度和臭氧生成潛勢(shì)均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，但二次有機(jī)氣溶膠生成潛勢(shì)卻并非均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

圖3 70號(hào)基質(zhì)瀝青及其VOCs抑制型瀝青的VOCs排放情況比較

為了進(jìn)一步明晰抑制劑摻入后VOCs排放降低情況，將抑制劑摻入后瀝青VOCs各組分濃度抑制率、臭氧生成潛勢(shì)抑制率、二次有機(jī)氣溶膠生成潛勢(shì)抑制率匯總?cè)鐖D4～圖6所示。

圖4 VOCs各組分排放濃度抑制率（a）3 %摻量（b）5 %摻量

由圖4可以看出，3%摻量下，Y1和Y2抑制劑對(duì)烯烴和OVOCs組分濃度減排效果明顯，Y3抑制劑對(duì)烯烴、芳香烴、OVOCs和鹵代烴組分濃度減排效果明顯；隨著摻量的增加，僅Y1抑制劑對(duì)各組分濃度抑制率均有增加。

由圖5可以看出，3%摻量下，Y1抑制劑對(duì)烯烴、OVOCs、鹵代烴組分的臭氧生成潛勢(shì)減排效果明顯，Y2抑制劑僅對(duì)烯烴和OVOCs組分的臭氧生成潛勢(shì)減排效果明顯，Y3抑制劑對(duì)各組分的臭氧生成潛勢(shì)均存在明顯的減排效果；隨著摻量的增加，僅Y1抑制劑對(duì)各組分濃度抑制率明顯增加。

圖5 VOCs各組分臭氧生成潛勢(shì)抑制率（a）3%摻量（b）5%摻量

由圖6可以看出，3%摻量下，Y1和Y2抑制劑對(duì)各組分的二次有機(jī)氣溶膠生成潛勢(shì)均未起到明顯減排效果，Y3抑制劑對(duì)芳香烴組分的二次有機(jī)氣溶膠生成潛勢(shì)有輕微減排效果；隨著摻量的增加，Y1抑制劑對(duì)烷烴和芳香烴組分的二次有機(jī)氣溶膠生成潛勢(shì)減排效果增強(qiáng)。

圖6 VOCs各組分二次有機(jī)氣溶膠生成潛勢(shì)抑制率（a）3 %摻量（b）5 %摻量

綜上所述，抑制劑摻入后的總體濃度降低并不等同于各組分濃度同時(shí)降低，這說明抑制劑對(duì)VOCs組分具有選擇吸附性；同時(shí)VOCs濃度的降低也不等同于其對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的減弱，這主要是因?yàn)閂OCs組分反應(yīng)活性不同與抑制劑的選擇吸附性。

3 結(jié)束語

烷烴、OVOCs及芳香烴是瀝青VOCs排放濃度的主要貢獻(xiàn)組分，OVOCs和芳香烴組分對(duì)瀝青VOCs的臭氧生成潛勢(shì)貢獻(xiàn)較大；烷烴和芳香烴組分對(duì)瀝青VOCs的二次有機(jī)氣溶膠生成貢獻(xiàn)較大，A-Y1-5%抑制劑對(duì)瀝青VOCs排放的生態(tài)環(huán)境具有最優(yōu)的凈化作用，抑制劑具有選擇吸附性，瀝青VOCs總濃度的降低并不等同于各組分濃度同時(shí)降低；各組分的反應(yīng)活性不同，瀝青VOCs濃度降低并不等同于其生態(tài)環(huán)境影響的減低。因此，在研究VOCs抑制型瀝青減排效果時(shí)，需要更全面地關(guān)注其對(duì)生態(tài)環(huán)境具體影響情況的改善。