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想要了解VOCs?先明白三個高階問題—基于實測的揮發性有機物概念辨析

發布時間:2023-06-19人氣:2608

想要了解VOCs?先明白三個高階問題

—基于實測的揮發性有機物概念辨析

特約撰稿:本文由上海市環境監測中心林長青 特約供稿

非甲烷總烴、苯系物和TVOCs的測定是各類揮發性有機物(VOCs)標準中的重要監測項目。那它們是什么,有什么區別,在測定的過程中又有什么值得注意的問題呢?

小E為了解開上述的疑問,有幸邀請了上海市環境監測中心林長青基于揮發性有機物實測法為我們辨析非甲烷總烴、苯系物和TVOCs的概念。

1.jpg

作者介紹:

林長青,上海市環境監測中心有機分析特聘專家,認真、專業、活躍和樂于分享的VOCs監測學者。


非甲烷總烴、苯系物、TVOCs

它們代表什么?

首先需要理清的是關于非甲烷總烴、苯系物和TVOCs的概念。

1

非甲烷總烴


非甲烷總烴在HJ/T 38-1999《固定污染源排氣中非甲烷總烴的測定 氣相色譜法》(已廢止)中定義是“所有碳氫化合物(其中主要是C2~C8)中,除了甲烷的其他碳氫化合物的總稱”。

在監測領域,對非甲烷總烴的認識在逐漸深入,所定義的物種范圍也在逐步擴大。在實際監測中,非甲烷總烴除了含有碳氫化合物外,還包括醇、醛、酸、酯、酮以及含鹵素等雜原子碳氫化合物衍生物,C2~C8的范圍也無法覆蓋工業生產過程中的揮發性污染物種。因此,非甲烷總烴的定義在多年實踐中不斷發生變化。

DB 31/933-2015上海市《大氣污染物綜合排放標準》將非甲烷總烴定義為氫火焰離子化檢測器上有明顯響應的所測得的除甲烷以外的碳氫化合物及其衍生物的總量,濃度以碳計這一標準不再限定碳原子數范圍,還打了個“補丁”,把衍生物納入非甲烷總烴范圍。

HJ 38-2017HJ 604-2017HJ 1013-2018中,將總烴(THC)定義為在氣相色譜儀的氫火焰離子化檢測器上有響應的氣態有機化合物的總和。而非甲烷總烴是總烴扣除甲烷后其他氣態有機化合物的總和,DB 31/1090-2018與此類似。這幾項標準已不再限定“碳氫化合物”,將監測污染物范圍進一步擴大。

 氫火焰離子化檢測器


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氫火焰離子化檢測器就是FID檢測器,含碳的氣態有機化合物在氫火焰中燃燒產生離子化介質和電子,在火焰燃燒處和收集極(電極)處加上電壓,帶電粒子被收集極吸引和捕獲形成離子流,根據離子流產生的電信號強度,檢測被色譜柱分離出的組分。

離子數目基本正比于C-H鍵數目,一些官能團如羰基(-C=O)、羥基(-OH)、鹵素(-X)、胺(-NH2)則很少或根本不會離子化。對無機氣體如CO2, SO2, 和NOx不靈敏。

FID響應機理是:CH+O→CHO++e


2

苯系物


苯系物是苯的衍生物的總稱,在排放標準和監測標準中的定義基本統一。在HJ 583-2010HJ 584-2010中指苯、甲苯、乙苯、鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯、異丙苯和苯乙烯一共八種物質;在DB 31/933中指苯、甲苯、二甲苯(間,對二甲苯和鄰二甲苯)、三甲苯(1,2,3-三甲苯、1,2,4-三甲苯和1,3,5-三甲苯)、乙苯和苯乙烯。在不同的應用場景,需要注意區分不同標準界定的苯系物范圍。


3

TVOCs


TVOCs是揮發性有機物的總和,目前屬于一種理論概念,沒有統一的國家監測方法標準,只在部分行業存在行業特定的規范。以GB 37824-2019《涂料、油墨及膠粘劑工業大氣污染物排放標準》為例,要求“在實際工作中,對占總量90%以上的單項VOCs物質進行測量,加和得到。”因此,不同監測方法對應的TVOCs范圍不一樣,很難有監測方法覆蓋全部VOCs,甚至同樣的方法,由于分析水平、要求的不同,可監測的TVOCs范圍也不一樣。這也是TVOCs定義在實際工作中帶來的最大困擾:不同TVOCs濃度實際上不可比。


非甲烷總烴、苯系物、TVOCs

之間的關系

雖然從這三者的理論定義上看,應該符合下圖這樣的關系,也就是:

TVOCs=非甲烷總烴+甲烷+FID上無響應的VOCs

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但是實際測量的結果卻并不是這樣。這三者在實際測量中有很大的區別。


非甲烷總烴、苯系物、TVOCs

之間的區別

接下來,以非甲烷總烴的角度看一下他們之間的區別。

1

非甲烷總烴與TVOCs區別


測定方法的區別


非甲烷總烴是用雙柱雙FID氣相色譜儀,注射器或者氣袋直接進樣,用FID檢測器所測得氣態VOC的總量,以甲烷計,扣除甲烷的含量。

TVOCs是用吸附管通過熱解吸裝置導到氣相色譜儀或者質譜儀,分析測定吸附組份各化合物的含量然后求和,未知化合物以甲苯計,求和的值即為TVOCs值。

分析過程的區別


非甲烷總烴是用雙柱雙FID氣相色譜儀,注射器或者氣袋直接進樣,用FID檢測器所測得氣態VOC的總量,以甲烷計,扣除甲烷的含量。

定量基準的區別


非甲烷總烴的測定存在FID檢測器的響應因子以及有效碳數的問題。非甲烷總烴只有一個總峰,定量選擇的參比物是甲烷,響應因子的問題是指物質相對甲烷的響應因子不同造成不同的結果;有效碳數的問題是指非甲烷總烴的濃度按照碳來計算,FID檢測器對不同類型的揮發性有機物所得的有效碳原子數值不同。

某些化合物的FID相對質量響應值(Sm)

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部分有機化合物在FID上的響應因子[1]

(基準物:苯)

3.jpg

不同類型物質有效碳數的數值

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TVOCs是根據各自化合物單峰的響應作為基準,進行定量。所以偏差是抵消的,不存在響應因子和有效碳數的問題。

綜上,非甲烷總烴與TVOCs在方法定義、樣品采集方式、定量方法和定量基準等方面存在差異,這就導致非甲烷總烴與TVOCs兩者的測定結果完全沒有可比性。


應用舉例




典型揮發性有機化合物對比

分別通入相同濃度的甲乙酮氣體和異丙醇氣體,以標準方法分別進行NMHC和TVOCs的實驗分析,實驗測定得到的TVOCs和非甲烷總烴的結果見下表[2]

TVOCs和非甲烷總烴測定結果

5.png

同濃度下,理論上甲乙酮和異丙醇的非甲烷總烴濃度應該相同,但是因為三種物質的有效碳數不一樣,產生了很大的誤差。三種物質的非甲烷數值均明顯低于同濃度點TVOCs數值,當VOCs濃度越高,與非甲烷數值差別倍數越大。化合物種類不同,是否含有氧元素等雜原子等因素均可能成為影響實測數值差異的重要因素。


典型揮發性有機化合物企業治理設施出口排放測試

采用《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態污染物采樣方法》(GB/T 16157-1996)標準中規定的采樣方法于兩家典型凹印印刷企業(A企業和B企業)進行現場采樣,分別采集兩家企業凹印和復合處理裝置出口排放廢氣。以標準方法分別進行NMHC和TVOCs的實驗分析,結果如下表所示[2]

企業A和B廢氣中TVOCs

和非甲烷總烴測定結果(mg/m3

6.png

可以看到,不同印刷企業排放口監測數據中TVOCs數值均明顯大于NMHC數值兩者之間差異的主要原因可能是:

① 化合物成分特異性,印刷行業排放的揮發性有機化合物主要為含氧類化合物。因為響應因子的原因,總烴響應相對偏低;

 計算的參比物不同,NMHC計算是以甲烷計,TVOCs計算是各已知化合物的濃度之和。


2

非甲烷總烴與苯系物測定的區別


根據定義,非甲烷總烴濃度一定大于苯系物濃度。但是在實際測量過程中,兩者數值還會出現“倒大”現象,非甲烷總烴數值低于苯系物這主要是以下幾個原因:

采樣方法不一致


非甲烷總烴用直接進氣或氣袋法,苯系物采用主要用活性炭吸附。采樣介質和方法完全不同,對樣品的保留效果不同。

FID響應因子的問題


非甲烷的測定存在響應因子的問題而苯系物不存在響應因子的問題。苯系物及非甲烷目前均用FID檢測器進行測定,但是苯系物是由各自的響應作為基準,進行定量。而非甲烷總烴的測定是以甲烷/丙烷的響應因子作為基準,就存在著FID相對響應因子的問題,由于FID本身的特性,對各種物質的響應情況不同,就產生了偏差。

質量數計算


在計算質量數方面,苯系物直接是單峰含量的總和。非甲烷總烴只以碳的分子量進行計算(質量數為12),但是非甲烷總烴的物種范圍廣泛,分子量除碳以外,還有其他基團的質量。

非甲烷總烴與苯系物換算關系


假設排口僅有苯,監測結果為1ppm苯,那么非甲烷總烴理論值為:

1 * 6 *12/22.4 = 3.21mg/m3(以碳計)

公式:體積濃度 * 該物質分子含C原子個數 * 12/22.4 = 質量濃度(以碳計)

實際工作中,因為有效碳/響應系數因素,1ppm苯的測定結果并不精確等于3.21mg/m3或6ppmC。如果得到結果為質量濃度,如苯、甲苯各1mg/m3,則需根據各自分子量及進樣體積,分別換算到體積單位后再以上述方法進行計算。


  1. 在物質種類的定義上,TVOCs包含非甲烷總烴化合物,非甲烷總烴化合物又包含苯系物。但實際三者的測定因為分析方法、樣品采集方式、分析過程、定量基準等方面存在差異,導致實際測量結果完全沒有可比性。

  2. 非甲烷總烴監測難度最大,非甲烷總烴定義的物種范圍幾乎包含了所有主要的揮發性有機物類別,但是利用FID檢測器分析得到的是一個總峰,在定量時存在響應因子以及有效碳數的問題
  3. 苯系物和TVOCs(揮發性有機物總量)的測定分析得到的都是各物質的單峰,以標準物質作為量值溯源基準,根據各自的響應因子進行計算,定量相對較為準確
  4. TVOCs是揮發性有機物的總和,但TVOCs目前尚只是一種理論概念,沒有統一的測量方法和標準,只在部分行業存在行業特定的規范期待能有更詳細的討論、實驗,以進一步明確定義與適用范圍,更好地服務于環境管理需求。


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