船舶靠港期间颗粒物和挥发性有机物的排放特征研究

发表时间:2019-03-19阅读次数:

随着连绵不断的鸣笛声,一艘艘集装箱船到达货运港口,源源不绝带来货物,同时也带来颗粒物和挥发性有机物的污染。对于港口区域,船舶靠岸期间排放的污染物是影响当地大气环境质量的重要来源,但国内外与船舶靠港期间的颗粒物与气态污染物的排放特征相关的研究尚不透彻。

清华大学刘欢教授团队和暨南大学李梅副研究员团队合作,以河北省京塘港停靠的20艘集装箱船舶为研究对象,对其在燃料转换期间排放的挥发性有机化合物(VOCs)和颗粒物排放进行了采样分析,并在京唐港区利用单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪进行了大气环境在线监测。

研究背景

  

采样地点:河北省京塘港

采样时间:2016年12月27日至2017年1月15日

采样对象:20艘集装箱船舶在燃料转换期间排放的挥发性有机化合物(VOCs)和颗粒物。

VOCs采样与分析方法:利用苏玛罐采集气体样品,使用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)进行分析

颗粒物采样与分析方法:利用Tedlar采样袋采集船舶排放废气;使用单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪(SPAMS)进行分析;使用单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪(SPAMS)在港口区域进行大气环境现场监测。

 

研究成果

1、集装箱船舶VOCs排放特征

在检测到的VOCs污染物当中,烷烃和芳烃占比最高,特别是苯、甲苯、正庚烷、正辛烷和正壬烷,并计算了二次有机气溶胶(SOA)及臭氧生成潜势。

 

16艘集装箱船前32类VOC物种的质量百分比

 

 

基于船舶VOC成分谱计算的二次有机气溶胶(SOA)产率及臭氧(O3)生成潜势与早前研究结果的比较

(紫色点代表本研究中被测试的船只。柴油卡车分为:轻型柴油卡车(LDDTs)、中型柴油卡车(MDDTs)和重型柴油卡车(HDDTs)三种类型。)

2、集装箱船舶颗粒物排放特征

通过SPAMS的采样及分析,获得了颗粒物的平均质谱、化学组成、总颗粒和特定颗粒的粒径分布,以及船舶源排放硫酸盐颗粒的占比等信息。结果表明颗粒物以元素碳颗粒(35.74%)、元素碳-有机碳混合颗粒 (33.95%) 和富钠颗粒 (21.12%) 为主,占颗粒物总数的90.7%。船舶辅机排放颗粒物的粒径在0.2~2.5μm范围内,峰值在0.4μm左右。

 

SPAMS分析的20艘船只排放颗粒物样品的平均质谱图

 

 

粒径为0.2–2.5 μm范围内10类颗粒物的特定粒径分布

 

3、船舶排放中钒示踪元素研究

通过分析燃油成分转变前后颗粒物中含钒颗粒的占比,发现燃油品质升级后,船舶源颗粒物中钒含量显著降低,船舶辅机排放的含钒颗粒占比与周边背景大气中含钒颗粒的占比相当。当采用低硫柴油作燃料时钒已经不合适做为船舶排放的示踪物。

 

1月1日至16日期间20艘船舶与环境颗粒物样品中钒信号强度的对比。

(绿线表示环境颗粒物中平均的钒信号强度随时间变化。彩色点表示不同船只平均钒信号强度随采样时间的分布。)

4、硫酸盐酸粒排放研究

采用低硫柴油前后对比研究发现,环境空气中船舶排放的硫酸盐颗粒占比分别为23.82%和23.61%,虽然船舶源硫酸盐颗粒占比相较背景大气中硫酸盐颗粒的占比略有下降,但是依旧维持较高的数浓度。

 

船舶源硫酸盐、环境硫酸盐的平均颗粒数以及两者随时间的比值。绿线表示二者比值。红色虚线表示1月1日零时起,使用清洁柴油的规定开始生效。

主要结论

1.船舶排放VOCs的二次有机气溶胶(SOA)生成潜势比柴油和汽油车高,臭氧生成潜势却与之相当。

2.船舶排放的颗粒物以元素碳颗粒、元素碳-有机碳混合颗粒和富钠颗粒为主,占颗粒物总数的90.7%,粒径在0.2~2.5μm范围内。

3.当采用低硫柴油作燃料时,钒不合适作为船舶排放的示踪物。

4.采用低硫柴油前后对比发现,环境空气中船舶排放的硫酸盐颗粒占比无显著差异。

研究结果有助于深入了解港口地区船舶靠岸期间排放的VOCs污染特征、对二次气溶胶和臭氧的贡献,明确船舶排放的颗粒物污染物的主要成分和粒径分布,评估了含钒颗粒做为示踪物的可行性,为港区空气质量评估和污染物来源解析提供了有力的数据支持。

本次研究使用了由AG8公司自主研发、国际第一套拥有自主知识产权的PM2.5在线源解析质谱监测系统(SPAMS),面对港口地区复杂多变的大气环境条件,系统依然保持高度稳定性,为本次研究提供了可靠有效的数据支撑。

 

 

文章来源:Qian Xiao, Mei Li, Huan Liu, Mingliang Fu, Fanyuan Deng, Zhaofeng Lv, Hanyang Man, Xinxin Jin, Shuai Liu, Kebin He: Characteristics of marine shipping emissions at berth: profiles for PM and VOCs. Atmos. Chem.Phys..2018,18(13):9527-9545