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北大邵敏小组研究探索北京市VOCs来源

 

项目组在进行VOCs排放源燃烧源采样。图为工业锅炉(左)、居民燃煤(右上)、生物质燃烧(右下)。
 
我国现行城市空气质量评估的依据是3项指标——二氧化硫、二氧化氮和PM10(直径小于10微米的可吸入颗粒物)浓度。全国47个城市的空气污染指数(API)日报就是依据这3项污染物浓度计算出来的。
 
而从对生态环境和人体健康的影响角度出发,描述城市的空气质量还需要考虑很多其他污染物,如大气中的臭氧、细颗粒物等。
北京大学环境科学与工程学院教授邵敏主持和参与的国家自然科学基金项目“挥发性含氧有机物的大气化学作用及其来源研究”,以及“北京市大气臭氧削减控制关键技术和方案研究”关注的重点就是大气臭氧的形成和控制。
 
据介绍,臭氧具有强氧化性,会对鼻腔、黏膜等造成刺激,在高浓度时会导致严重的健康损伤。空气中的臭氧还会造成作物减产、橡胶轮胎老化等问题。而颗粒物对人体健康的影响因颗粒大小而异,其中在粒径为2.5微米以下的细粒子(PM2.5)对人体健康危害很大,对大气能见度也有显著影响,也应该是城市和区域空气污染的重点污染物之一。
 
“因此关注空气质量,就不能忽视这两种污染物。而它们的产生都和大气中挥发性有机物(VOCs)有关。”邵敏说。
 
据邵敏介绍,目前我国的环境监测站只监测二氧化硫、二氧化氮和PM10这3项指标。但从提升我国环境监测能力,全面评估城市和区域大气污染状况的需求出发,我国现阶段需要考虑增加臭氧、一氧化碳和VOCs等新的监测指标。
 
VOCs环境作用非常关键
 
“臭氧和PM2.5与传统的3项污染物在形成过程方面有很大差别。”邵敏说,二氧化硫、二氧化氮和PM10主要是由工业、居民生活和机动车尾气等污染源直接排放的,但臭氧却是在光照条件下,由空气中氮氧化物和VOCs发生复杂的化学反应生成的。同时VOCs本身会生成粒径较小的二次有机颗粒物,成为PM2.5的重要组成部分。
 
“因此VOCs对臭氧和PM2.5的生成都有重要贡献。”邵敏说,“VOCs是臭氧和PM2.5的前体物,一些大气污染的空气质量模型研究显示,北京、广州等城市臭氧生成主要是由VOCs浓度决定的。而且,大气VOCs中的许多组分,如甲醛、苯系物等,本身就是有毒有害物质。”
 
但问题是,臭氧的产生跟氮氧化合物和VOCs的关系很复杂,是非线性的。“这对我们控制臭氧的决策具有非常重要的意义,如果措施不当,大气臭氧浓度的削减可能达不到预期的目标,因此大气臭氧的控制决策需要非常可靠的科学支撑。我们在国家自然科学基金支持下的项目就是研究北京市大气VOCs有何特点,只有了解它的组分、活性、来源,才能探索控制臭氧污染的途径。”邵敏说。
 
然而,研究VOCs的特点是一项困难的工作,因为VOCs并不是单一的污染物,而是由烷烃、烯烃、芳香烃等上百上千种污染物组成的一个巨大的家族,其各组成成分的来源、特点、化学性质、生成臭氧和PM2.5的能力都不同。
 
邵敏项目组花了5年的时间测量北京市的汽车尾气、汽油挥发、居民燃煤、石油化工、加油站挥发等主要污染源VOCs的组成特点,获得不同来源大气VOCs的成分谱。与此同时,测量北京市不同时间、不同地点大气中多达100余种VOCs的浓度变化规律。在此基础上,经过统计分析得到北京不同地区VOCs的来源。“这样才能对北京市大气臭氧的控制决策提出建议。”邵敏说。
 
机动车尾气是最大杀手
 
据介绍,汽车的VOCs排放源和很多因素有关,排放的途径除了尾气外,还有汽油挥发。另外,汽车种类、生产年份、不同排放标准所造成的排放都不一样。“跟行驶状况也有很大的关系,高速公路上行驶和城市中大部分时间处于怠速状态有很大不同。所以我们组织了针对机动车排放的台架实验、道路实验、隧道实验、挥发实验等一系列的测试。”
 
邵敏说,台架实验就是把汽车放在底盘测功机上,由专门的测试员完全按照标准的操作程序、模仿城市道路上汽车的行驶状况——加速、匀速和怠速等,实验人员再把尾气采回实验室进行化学分析。项目组总共做了50多辆各类车,每辆车重复实验3~7次。
 
在调查了各类对VOCs排放可能有重大贡献的污染源之后,项目组发现,北京大气中几种高活性的烯烃化合物主要来源于机动车尾气,而臭氧生成50%~60%的贡献来自机动车,15%来自汽油挥发。
 
基于这种情况,项目组提出:如果能在制造燃油的过程中减少烯烃组分,在尾气净化技术中不是考虑降低所有污染物,而是有针对性地降低烯烃的组分,解决臭氧污染问题将会事半功倍。
 
城市VOCs的快速变化值得关注
 
在更大的区域尺度上,还有一些重要的排放源值得关注。如生物质燃烧也是一个重要的污染物排放源,但对其进行准确的量化分析存在难度。邵敏说:“机动车尾气、工业排放等污染源属于有组织源,因为机动车数量、排放情况跟燃烧效率的关系,在道路上行驶状况等,都是可以调查的。而生物质燃烧是无组织源,排放的时间和空间规律具有随机性,我们不知道烧了多少秸秆,用什么方式烧的。这些信息对确定污染物排放量有很大影响。我们的方法就是通过在实验室燃烧系统上模拟外场条件进行燃烧,测量生物质燃烧的排放因子和排放特征。”
 
针对实际中量大面广的污染源很难进行调查的现实,项目组也找到了确定污染源对空气质量贡献的解决方法。“我们现在的方法是不依赖于单个污染源的调查,而是直接测出各类污染源的VOCs组成的成分谱。”邵敏说,“所有污染源都做出这么一个谱分布,再测出环境中VOCs的谱分布,通过统计方法就能计算出每个源的贡献率,这是一种典型的自上而下的研究方法。”
 
今后一旦能源结构发生变化,大气和污染源排放中的VOCs组成就会相应有很大变化。“做这个工作很艰辛,需要一直跟踪这样的变化,而快速的变化也是现阶段我国城市和一些城市群区域的一个重要特点。”邵敏说,“但是我们现在把技术方法建立起来了,不管如何变化,我们还是可以通过污染源和环境空气的测量,将重要污染源的相对贡献及时计算出来。”
 
“虽然谱初步做出来了,但这只是最基础的工作,每类谱都有很大的误差,影响因素非常多,50辆车做出的结果不能说具有代表性。”邵敏介绍,项目组下一步的工作就是在此基础之上识别主要的影响因素、降低误差,使污染物谱分布具有推广意义。
 
邵敏说:“毕竟北京、上海、广州相对于全国的城市来说还是具有典型意义的,现在全国发展很快,我们的工作就是在这几个城市积累经验,其他城市再遇到类似问题可以少走弯路。”
 
为奥运期间空气质量控制提供依据
 
为了验证2008年北京奥运会期间的空气质量控制措施是否有效,北京市在今年8月的“好运北京”测试赛期间进行了尝试性的机动车限行。邵敏说,4天时间里,空气污染指数明显下降,达到15%~25%,大气中的VOCs浓度水平也有类似幅度的下降。这次限行可以验证北京市控制空气质量的方向是否正确、北京限行120万辆车是否足够、北京的空气质量改善如何与周边城市和地区配合。
 
“北京奥运期间的空气质量保障方案,已上报国务院正式批准了,奥运期间的空气质量是成功举办奥运会的一个关键因素,大气VOCs的研究工作是其中的一个组成部分。”邵敏说,“为了奥运会成功举办,北京市已经把能做的都做到了最好。”
 
据悉,国家环保总局开始考虑增加臭氧、一氧化碳等指标来更全面地评价我国城市空气质量。中国环境监测总站专门召开过一次会议讨论如何开展VOCs监测。据邵敏介绍,除了北京,其实我国很多地方也已经做起来了,如上海、沈阳、杭州等城市。“中国环境领域发展非常快,大学在其中做了一些先导性的工作,希望能为在全国进行大气VOCs监测和研究的业务化运行作出一些贡献。”
 
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