道路石油沥青烟气成分分析及污染控制技术

摘要：：通过室内试验，得出了道路石油沥青随温度的升高，其有害成分和烟气量呈线形增长，据此提出了适合于公路沥青烟气收集、成分分析及污染控制的新思路。

关键词：沥青烟气；多环芳烃；成分分析；污染控制

中图分类号：TU761文献标识码：B文章编号：1009-9166（2010）032(C)-0059-02

引言：道路用石油沥青在高温条件下（100―190℃），会释放出危害人体和环境的有害烟气。沥青烟气是一种特殊的污染物质，主要由液态烃类颗粒物和气态烃类衍生物组成，所含的多环芳烃（如苯并比）对人体危害很大。在公路沥青路面施工过程中，石油沥青加热、拌和、运输、摊铺、碾压等都会释放出对人体和环境有极大危害的烟气。史宝成[1]等通过气相色谱―质谱联机分析检测出沥青烟中存在196中主要有机污染物质，其中含量较高的能被我们确认的共有81中，主要是多环芳烃。这些物质造成环境污染，严重影响人、动物，植物的生长发育，如果人长期处于沥青油烟污染的环境中，可引起呼吸道和皮肤等疾病，同时诱发癌症。

随着人们环保意识的加强和以人为本、环保施工理念的深入人心，道路用石油沥青的污染和沥青烟气的治理越来越引起人们的重视。

一、路用石油沥青烟气成分分析

（一）重量法测定沥青烟气量

重量法测定沥青烟气量主要原理及试验方法如下：称取一定质量的道路石油沥青m1，置于可加热容器中，通过可调温电热套加热到一恒定温度，持续加热一定时间，每半小时称取容器中沥青样品质量m2，m3，m4……ms（不含容器质量），至试样基本保持恒定为止（前后两次称量恒定）。计算该温度条件下沥青烟气产生比例P（%），公式如下：

取沥青新样品，重复以上试验，并分别加热到其它指定温度（100―190℃），测定沥青烟气的产生量。

通过试验我们可以发现，随着加热温度的逐渐升高，沥青烟气的产生量呈上升趋势，在较低温度（100℃）时，沥青试样重量基本保持恒定不变，产生烟气量极少。其主要原因在于石油沥青中存在着很多易挥发性成分，而且其溶点、气化点都不同，由此造成很多成分在较低温度下不易挥发出来。

（二）沥青烟气的收集

纵观国内外对于沥青烟气的收集方法，溶剂吸收法收集沥青烟气不失为一种经济实用的方法。因多环芳烃溶于苯、甲苯、二甲苯、氯仿、乙醚、丙酮等有机溶剂，本试验拟采用苯作为吸收溶剂。称取一定质量的石油沥青试样，将其置入蒸馏瓶中，并插入温度计，放置于可控温电热套中加热至一指定温度，在出口处串联二支各装有200ml吸收溶剂的容器吸收沥青烟气，在末端安设可调流量的抽气设备。待沥青温度上升至指定的一恒定温度时，开启抽气设备，调节至一合适流量，开始收集沥青烟气，并每隔半小时称取沥青试样剩余质量，待剩余试样质量前后两次称量基本保持恒定后停止收集沥青烟气。

取沥青新样品，重复以上试验，并分别加热到其他指定温度（100―190℃），收集沥青烟气。其试验如图1所示：

（三）沥青烟气成分分析

沥青烟的组分主要是多环芳烃，包括萘、菲、蒽、酚、咔唑、吡啶、吲哚、茚等一百多种有机物。医学研究表明，它们对人体及动植物均会造成严重危害，特别是其中的多节环烃苯并芘，是一类致癌物或强致癌物[2]。一般沥青烟中含有2.61%―40.7%的游离碳，其余为烃类及其衍生物等。因沥青本身成分复杂，不同的沥青成分有很大的差异，因而沥青烟的成分也相当复杂。总体分析，沥青烟的组分与沥青相近，主要有多环芳烃（PAH）及少量的氧、氮、硫的杂环化合物。已知其中有萘、菲、酚、咔唑、吡啶、吡咯、吲哚、茚等100多种。道路石油沥青烟气的成分测定可采用气相色谱――质谱联机分析沥青烟：气相色谱―质谱联机分析方法是结合气相色谱和质谱两种分析方法优点并能高效分离化合物研究其分子结构的分析方法。质谱是将样品转化为气态离子按其质荷比的不同，在电磁场中分离开来记录得到的图谱，所用仪器为质谱仪。质谱法可进行有效的定性分析，但对复杂有机化合物分析特别是有机物的定量分析有些困难。而气相色谱法具有分离效率高、定量分析简便的特点，所以将气相色谱与质谱两者结合，可以发挥两种分析方法各自的优点：气相色谱是质谱法理想的“进样器”，试样经色谱分离后以纯物质形式进入质谱仪，质谱仪是气相色谱理想的“检测器”。该方法采用苯收集沥青烟气（如上），然后将溶有沥青烟样品的苯溶液及原样苯进行色质联机分析，已检测出的有机质有几百种，主要是多环芳烃。

二、路用石油沥青烟气污染控制方法

沥青烟主要由气、液两相组成，液相部分是十分细微的挥发冷凝物，气相部分是不同气体的混合物。对于这种浓度不高，成分又极为分散的沥青烟，用一般方法很难将其净化。

（一）目前沥青烟气的控制主要有以下几类方法

燃烧法――因为沥青烟的基本成分为碳氧化合物，其中又含有油粒及其他可燃性物质。当温度控制在800―1000℃之间，供氧充足，燃烧时间在0.5s左右，烃类物质就可以燃烧的很完全，其他杂质也能彻底燃烧。如温度过高，部分沥青烟容易形成颗粒，以粉尘形式随烟气排出，形成二次污染。

电捕法――这种方法是基于静电场的物理性质而进行的。沥青烟中的颗粒及大分子进入电场后，在静电场的作用下，它们可以载上不同电荷，并驱向极板，在被捕集后聚集成液体状靠自身重力作用顺板流下，从静电捕集器底部定期排出，从而达到净化沥青烟的目的。该方法的缺点是：一次性投资大，对烟的温度要求较高，一般控制在70―80℃，因其不能用于碳粉尘的捕集，而必须采用湿式静电捕集器，也就增加了污水处理设备。吸附法――可采用焦炭粒、炉渣、白云石或滑石粉等具有粒径小，多孔，且有较大比表面积的物质作为吸附剂，对沥青烟进行物理吸附。具体吸附剂的选定应结合生产性质和当地吸附剂的来源情况，选用固定床及输送床等，可依据沥青烟的浓度、吸附剂的性质、净化标准等条件而定。这种方法采用的吸附剂不用再生，可直接用于生产，系统运行费用低，无二次污染。吸收法――采用汽油、柴油等有机类液体做吸附剂，使沥青烟的混合气与吸收剂逆流充分接触并洗涤，除去有毒组分，达到净化的目的。此类方法多用于焦化厂、涂料厂和石油化工厂。其净化效率低，存在二次污染，技术上还有待进一步提高。以上方法中，吸附法是一种经济、环保的方法，值得进一步研究。但是在污染源头上进行治理和处置才是控制和治理沥青烟根本的方法。

（二）道路用石油沥青烟气污染控制方法的几点思考

由于道路用石油沥青混合料生产、加工的特殊性，面积大，路线长，空间开阔，决定了上述的几种方法在减少路用沥青烟气方面存在着一定的局限性。因此，有必要寻找一种适合于道路沥青生产的减少沥青烟气的方法，研究一种低烟气环保路用沥青，减少对工作环境和人的危害。思路一：沥青抑烟剂的开发。由于道路沥青生产的特殊性，参考改性沥青的改性机理，可以考虑研发一种降低沥青烟气的改性剂。由于苯并芘类致癌物质和蒽、菲等光毒物质都属于多环芳烃，拟将以类物质作为目标控制对象。根据此类物质在人体内亲电反应的特征，确定抑制剂的两条选择标准：首先要满足分子结构相似相溶，然后要具有供电子基团，这样就容易同多环芳烃发生反应，形成取代以后的非致癌物，从而消除或降低沥青中的苯并芘的含量。思路二：降低路用沥青的使用温度――温拌沥青混合料的应用。由于道路用沥青随着加热温度的提高，在同等条件下产生的烟气呈线形增长，因此降低道路沥青的使用温度将大大减少其中有害烟气成分的产生。

结语：着人们环保意识的提高和道路沥青混合料的广泛应用，生态环保型沥青混合料的开发将是未来公路事业的发展方向。如何采用经济实用的方法来减少道路施工对环境的污染，将是我们研究工作者所面临的挑战。

作者单位：重庆交通大学土木建筑学院

参考文献：

[1]史宝成.沥青烟气组分的气相色谱――质谱联机分析[J].环境化学.2001.3:200―201.

[2]张中豪.空气中沥青烟的浓度测定及其治理[J].化学世界.2000:47―50.