瀝青VOCs排放特征及不同抑制劑減排效果探究

續競臺

（中建路橋集團有限公司，河北 石家莊 050011）

0 引言

瀝青路面是道路建設的主要路面類型，是道路基礎設施的重要組成部分，在建養和運維全周期均會產生不同程度的“揮發性有機物（Volatile organic compounds，簡稱VOCs）”，對環境造成負面影響[1]。曹佳慧等[2]利用GC-MS定量分析了瀝青VOC中多環芳烴類16種有毒化合物。Luo等[3]通過分析熱拌瀝青混凝土施工現場的VOCs排放，發現苯并芘含量約為空氣許可含量的111倍，比強致癌標準的濃度高11.7倍；Long等[4]研究了活性炭對瀝青VOCs排放的抑制效果和機理。Li等[5]研究了有機化蒙脫土對瀝青VOCs釋放量及老化的影響，結果表明有機化蒙脫土能有效抑制瀝青VOCs排放。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取某市城郊道路建設所用70號基質瀝青（A）作為研究對象，針對不同種類抑制劑（活性炭、膨脹石墨和鎂鋁水滑石）探究其對瀝青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 試驗方法

在實驗室內模擬瀝青VOCs的排放，試驗設備如圖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，加熱瀝青至流動狀態開啟攪拌器，攪拌速率設置為400r/min，并根據每種瀝青施工差異，將瀝青材料進一步加熱至現場拌和溫度（如表1所示），開啟采樣泵，泵速設置為1.2L/min。在保溫10min后，用特氟龍氣袋或蘇瑪罐采氣，采氣時長為30s。

圖1 實驗室內瀝青VOCs采樣裝置

圖2 VOCs組分趨勢

1.3 瀝青VOCs檢測方法

瀝青VOCs種類復雜，主要包括烷烴、芳香烴、烯烴、酮類等組分[6]。本文參照美國EPA推薦TO-15技術方法分析瀝青VOCs中的物種，利用色譜質譜聯用儀（GC-MS）對瀝青VOCs物種開展定量分析。色譜柱升溫程序為：35℃，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抑制型瀝青減排對環境負荷減輕的效果，選用最大反應性（MIR）和二次有機氣溶膠生成潛勢方法計算各類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，mg/m3；SOAFP—瀝青VOCs總二次有機氣溶膠生成潛勢，mg/m3；OFPi—瀝青VOCs中第i個物質臭氧生成潛勢，mg/m3；SOAFPi—瀝青VOCs中第i個物質二次有機氣溶膠生成潛勢，mg/m3；VOCsi—瀝青VOCs中第i個物質的質量濃度，mg/m3；MIRi—瀝青VOCs中第i個物質對應的臭氧生成系數，無量綱；FACi—瀝青VOCs中第i個物質對應的二次有機氣溶膠生成系數[8-9]，無量綱。

1.5 抑制效果評價

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—基質瀝青的VOCs排放及其環境影響情況；Ni2—抑制型瀝青的VOCs排放及其環境影響情況，其中i為1、2、3分別代表VOCs排放濃度、臭氧生成潛勢、二次有機氣溶膠生成潛勢。

2 結果與討論

2.1 瀝青VOCs排放特征

實驗室內瀝青VOCs測試結果表明，70號基質瀝青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。進一步將各組分的臭氧生成潛勢和二次有機氣溶膠生成潛勢結果匯總于表2，可以看出該瀝青VOCs的臭氧生成潛勢為69.242mg/m3，二次有機氣溶膠生成潛勢為35.078mg/m3。

表2 瀝青VOCs排放情況匯總

進一步將各組分VOCs排放對排放濃度、臭氧生成潛勢、二次有機氣溶膠生成潛勢的貢獻匯總如圖所示2?？梢钥闯?，瀝青VOCs中烷烴、OVOCs和芳香烴3個組分對于排放濃度貢獻較大，烯烴貢獻較小，鹵代烴和其他組分的貢獻程度可以忽略不計；對于臭氧生成潛勢，OVOCs和芳香烴兩個組分貢獻較大，烷烴和烯烴的貢獻略低于OVOCs和芳香烴，鹵代烴和其他組分的貢獻可以忽略不計；對于二次有機氣溶膠生成潛勢，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二次有機氣溶膠生成潛勢基本無貢獻。

綜上所述，瀝青VOCs中，烷烴組分對VOCs濃度和二次有機氣溶膠生成潛勢貢獻突出，對臭氧生成潛勢貢獻減弱；OVOCs對VOCs濃度和臭氧生成潛勢貢獻大，對二次有機氣溶膠組分貢獻雖低于烷烴組分，但其對臭氧生成潛勢的貢獻遠大于烷烴，這主要是因為不同組分內的物質反應活性不同；芳香烴在VOCs濃度中貢獻遠低于烷烴和OVOCs，但其對臭氧生成潛勢和二次有機氣溶膠的貢獻較大。這進一步說明了瀝青VOCs中各組分排放對生態環境具有差異性的影響。

2.2 不同種類抑制劑減排效果對比

前文分析了70號基質瀝青的VOCs排放情況，可以看出，瀝青VOCs不同組分排放對臭氧和二次有機氣溶膠的生成具有差異性影響，需要進一步對比分析不同種類抑制劑對瀝青VOCs的減排效果。

圖3匯總了不同種類抑制劑對瀝青VOCs排放情況影響的對比結果?？梢钥闯?，A-Y1-5%抑制劑摻入后瀝青VOCs濃度、二次有機氣溶膠生成潛勢、臭氧生成潛勢降低最明顯。抑制劑摻入后VOCs濃度和臭氧生成潛勢均呈現降低趨勢，但二次有機氣溶膠生成潛勢卻并非均呈現降低趨勢。

圖3 70號基質瀝青及其VOCs抑制型瀝青的VOCs排放情況比較

為了進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、臭氧生成潛勢抑制率、二次有機氣溶膠生成潛勢抑制率匯總如圖4～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抑制劑對烯烴和OVOCs組分濃度減排效果明顯，Y3抑制劑對烯烴、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抑制劑對烯烴、OVOCs、鹵代烴組分的臭氧生成潛勢減排效果明顯，Y2抑制劑僅對烯烴和OVOCs組分的臭氧生成潛勢減排效果明顯，Y3抑制劑對各組分的臭氧生成潛勢均存在明顯的減排效果；隨著摻量的增加，僅Y1抑制劑對各組分濃度抑制率明顯增加。

圖5 VOCs各組分臭氧生成潛勢抑制率（a）3%摻量（b）5%摻量

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

圖6 VOCs各組分二次有機氣溶膠生成潛勢抑制率（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降低，這說明抑制劑對VOCs組分具有選擇吸附性；同時VOCs濃度的降低也不等同于其對生態環境影響的減弱，這主要是因為VOCs組分反應活性不同與抑制劑的選擇吸附性。

3 結束語

烷烴、OVOCs及芳香烴是瀝青VOCs排放濃度的主要貢獻組分，OVOCs和芳香烴組分對瀝青VOCs的臭氧生成潛勢貢獻較大；烷烴和芳香烴組分對瀝青VOCs的二次有機氣溶膠生成貢獻較大，A-Y1-5%抑制劑對瀝青VOCs排放的生態環境具有最優的凈化作用，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降低；各組分的反應活性不同，瀝青VOCs濃度降低并不等同于其生態環境影響的減低。因此，在研究VOCs抑制型瀝青減排效果時，需要更全面地關注其對生態環境具體影響情況的改善。