环境保护中的水中油/VOC分析仪

简介

现在,环境比以往任何时候都是全球每个人的关键问题之一,从政治家、科学家到普通公众。负责任的企业必须认识到保护生态系统的重要性,对污染环境的起诉不仅会导致昂贵的罚款,还会对企业的公众形象造成无法弥补的损害。

相应地,环保机构的起诉和媒体对这些案件的兴趣都在上升。自来水公司也认识到这一问题的重要性,并投资于检测和监测设备,不仅用于清洁的取水,也用于雨水排水沟的废水排放。这导致一些知名公司被告上法庭,巨额罚款和昂贵的清理工作。

在其中一些涉及碳氢化合物污染物的案例中,VOC预警检测技术本可以防止或大大减少对环境的影响和清理费用。现有的VOC检测方法安装简单,易于维护和校准,并且拥有成本很低。

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挥发性有机物(VOCs)

挥发性有机物 (VOCs) 自然存在于大气中。人类、植物和动物自也会自然的产生它们,然而,高于一定水平的呼入会对它们造成损害。

下面是一些比较常见的VOCs及其工业来源。“挥发性有机化合物”一词实际上涵盖了非常广泛的有机化合物。在 附表中可以找到VOCs及其阈值的列表。

最常见的挥发性有机化合物和工业来源

VOC 工业来源
BTEX(苯,甲苯,乙苯,二甲苯),己烷,环己烷,三甲苯。 汽油、柴油、燃料油、油漆稀释剂、油基污渍和油漆、杀虫剂、矿物酒精和家具抛光剂
丙酮,乙醇,异丙醇,甲基丙烯酸酯,乙酸乙酯 指甲油,洗甲水,古龙水,香水,外用酒精,发胶
四氯乙烯(PERC)和三氯乙烯(TCE) 干洗液,污渍去除剂,织物/皮革清洁剂
d-柠檬烯(柑橘气味),a-蒎烯(松树气味),异戊二烯 柑桔油或松子油清洁剂,溶剂和一些气味掩盖产品
四氢呋喃,环己烷,甲基乙基酮(MEK),甲苯,丙酮,己烷,1,1,1-三氯乙烷,甲基异丁基酮(MIBK) PVC水泥及底漆,各种粘合剂,接触水泥,模型水泥
二氯甲烷,甲苯,旧产品可能含有四氯化碳 除漆剂、除胶剂
二氯甲烷,全氯乙烯,TCE,甲苯,二甲苯,甲基乙基酮,1,1,1-三氯乙烷 采购产品脱脂剂,喷雾渗透油,刹车清洁剂,化油器清洁剂,商业溶剂,电子清洁剂,喷雾润滑剂
1,4-二氯苯,萘 飞蛾球,飞蛾片,除臭剂,空气清新剂
氟利昂(三氯氟甲烷、二氯二氟甲烷) 来自空调、冷冻机、冰箱、除湿机的制冷剂
庚烷、丁烷、戊烷 一些油漆,化妆品,汽车产品,皮革处理,杀虫剂的气溶胶喷雾产品
甲醛 采购产品软垫家具,地毯,胶合板,压木产品

清理费用

设备故障、储罐泄漏、故意破坏、意外泄漏或非法倾倒只是VOCs污染环境的几种方式。

随着环保局将案件提交法庭的效率越来越高,环境问题也受到了越来越多的公众和政治审查,导致对破坏环境者处以更严厉的惩罚、罚款和负面宣传。

以下是一些已经发生溢漏和泄漏的例子,但没有适当的程序来控制或检测这些溢漏。这导致环境部门对相关企业提起法律诉讼,并发布罚款和清理污染的结果。

泄漏的代价

2005年7月,在大约4个星期的时间里,大约653吨煤油从位于米尔福德港沃斯顿的一个储存设施的一个储罐底部的一个小洞中泄漏出来。

由此造成的污染导致附近Hazelbeach溪的生境遭到破坏,并于2005年8月关闭了该海滩。

该公司随后被威尔士环境局起诉并认罪,被罚款29,900英镑,并被要求支付39,801英镑的费用。此外,该公司估计,清理行动花费了他们大约300万英镑。

设备故障的成本

一家燃料分销公司承认,其2.2万升红色柴油污染了克莱斯特河的一条支流。

在河道中发现大量石油后,泄漏被追溯至该公司,但初步检查显示,他们的电脑系统没有库存损失。压力测试和挖掘显示,供应管道上有一个洞,通向一个燃料分配岛。

地方法官认可了该公司承担的环境整治工作,并对他们处以5000英镑罚款,罚款金额3700英镑。

最近(2019年),北爱尔兰环境署发现红色柴油排放到巴利克莱尔河 并采取了相应行动。

人为失误的代价

运输公司被责令支付£6867的罚款和费用后集油器溢出,污染泰晤士河厚厚的黑色废机油和引起严重损害当地的野生动物。

该公司在法庭上承认,他们未能清空集油器,使其无法正确运行。大约有40只天鹅受到影响,其中一些不得不被谢泼顿的天鹅保护区拯救。

破坏公物的代价

石油从叉车维修站点最终在斯伯丁附近的排水导致一个天鹅必须清理和无脊椎动物的死亡。

该公司承认污染哈蒙德贝克的一条支流后,被斯伯丁地方法院处以8000英镑的罚款,并责令支付4000英镑的环境代理费用。

环境署官员被告知,现场的一个油罐被破坏,一根管道被扯掉。

该公司当时没有意识到水箱所在的区域下面有一个地表水排水管,所以没有通知该机构发生了泄漏。相应的,如果早点意识到石油已经进入地表水的排水沟,对环境的影响可能也会降低。

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检测方法和问题

VOCs的测量和检测方法多种多样;最精确,但最慢和最昂贵的是基于实验室的气相色谱、质谱和火焰电离检测(FID)分析仪,其成本可达10万美元甚至更多。

基于激光的水中油检测方法是可行的,但这些方法要求油以乳胶形式存在或在表面形成浮油(水面上的油)。这些方法只能检测到相对高浓度的油——水中的油通常为1ppm,水面上的油则更高。

油在水探测器测量反射率变化的表面——石油比水可以反射光线。该系统需要一个静止的表面,没有灰尘或枯叶,远离阳光直射。
水中的油探测器使用光散射技术或荧光技术,可以测量到1ppm的浓度。这项技术提供全天候的在线监测,但如果水的浑浊度很高,很容易产生错误的结果。探测器需要定期维护和清理样品室,因为微粒会堵塞系统。

幸运的是,有更经济、更快和更便携的VOC检测方法,例如光电离化检测器(PID)和电子鼻技术(E-NOSE)。

光电离检测器(PID)使用紫外线灯照射进来的气体。紫外线能使分子电离,产生离子电流,然后测量。PID是宽带探测器,并不是选择性的,因为他们电离所有通过探测器的分子,这有类似的电离能量作为UV灯使用。PID的优点是可以对VOC浓度进行快速的现场测量。

PID的一些缺点是:

  • 水蒸汽、冷凝、温度和淬火可以限制它们的性能在0.1ppm(受控条件下),但通常为1ppm。
  • PID需要定期维护和校准UV灯、驱动和检测电路。
  • 分析池也需要定期清洁,因为灰尘和微纤维会增加冷凝。
  • 校准过程是昂贵和复杂的,并使用10ppm压缩异丁烯气体。(见附录四)

电子鼻技术使用一种半导体材料(金属氧化物),应用于两个电极之间的非导电物质(衬底)。衬底被加热到一个温度(大约400摄氏度),在这个温度下,气体的存在会导致半导体材料的导电性发生可逆的变化。

  • 当没有气体存在时,氧气被电离到表面,传感器变成半导电的。
  • 当待测的气体分子存在时,它们会取代氧离子,减少电极之间的电阻。
  • 这种变化是用电来测量的,并且与被测气体的浓度成正比

这使得电子鼻成为一种宽带VOC检测技术。这类传感器技术的一个例子是MS1200 VOC监测器。

这种方法有以下优点:

  1. 高灵敏度,即分析仪可检测到浓度水平为1ppb的VOC。
  2. 传感器寿命长,不需要清洗。
  3. 考虑到传感器漂移和老化的影响,传感器在每次样品测量前自动归零。这是通过在每个采样周期通过传感器过滤干净的干燥空气来实现的。
  4. 分析仪中使用的过滤材料有2种,一种粉尘过滤器,另一种为活性炭。这些是系统中唯一使用的消耗品,每6个月只需更换一次。
  5. 由于传感器技术的鲁棒性,监视器可以部署为一个在线监测系统,提供24/7的检测和测量。

开发了验证检查程序;该方法将50ppb的甲苯溶于水中,监测仪对空气/甲苯蒸气混合物进行采样,以检测其反应。

总结

PID提供了快速的现场VOC检测和测量技术,但灵敏度较低,与电子鼻相比价格更贵。它们还需要增加维护,更频繁的校准,并且对湿度变化很敏感。

E-NOSE是一种具有成本效益、健壮、高灵敏度的解决方案,维护成本低,监测范围24/7。唯一使用的消耗品是过滤材料,每6个月只需更换一次,并进行简单的验证检查。

目前,MS1200监测仪已广泛应用于清洁取水监测中。现在还有一些地点正在使用该监测仪进行工业排放监测和挥发性有机化合物检测。

结论

目前已有几种检测工业排放VOCs的技术。有人认为,最健壮、灵敏和有效的方法是使用气敏半导体电子鼻器件,因为它们寿命长,不需要频繁的校准和简单的维护。本文以多传感器MS1200为例。

已提出的案例研究表明,在现代工业联合体中,这种工具可以很容易地部署和集成到现有的紧急/安全控制系统中。从而为使用它的公司和/或对排放的环境保护机构提供再保证。

表:阈限值

这里你可以看到一些比较常见的VOCs的阈值限值(TLV)。化学物质的TLV是人们认为工人在其工作生涯中可以日复一日地接触而不会对健康产生不利影响的水平。

VOC TLV 沸点°C 蒸汽压在 20 °C
0.5 ppm 80 10kPa
甲苯 50 ppm 111 2.3kPa
乙基苯 100 ppm 136 0.9kPa
二甲苯 100 ppm 144 0.91kPa
环己烷 100 ppm 81 10.3kPa
汽油 300 ppm 20-200 220kPa(丁烷)
丙酮 500 ppm 56 24kPa
异丙醇 200 ppm 83 4.4kPa
三氯乙烯 50 ppm 87 7.8kPa
四氢呋喃 50 ppm 66 19.3kPa
甲基乙基酮 200 ppm 80 10.5kPa
二氯甲烷 50 ppm 40 47.3kPa
1,1,1-三氯甲烷 350 ppm 74 13.3kPa
甲醛 0.3 ppm -20 3.46kPa at 25
n/a 100 2.3kPa