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多氯萘的来源、排放特征及环境管理

罗语焉 ,  刘国瑞

化学进展 ›› 2025, Vol. 37 ›› Issue (11) :1704-1718

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化学进展 ›› 2025, Vol. 37 ›› Issue (11) :1704-1718 DOI: 10.7536/PC20250502
综述与评论
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多氯萘的来源、排放特征及环境管理

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The Sources, Emission Characteristics, and Environmental Management of Polychlorinated Naphthalenes

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摘要

多氯萘(PCNs)是《斯德哥尔摩公约》管控的持久性有机化合物。因其持久性和长距离迁移性,PCNs广泛分布于环境中,甚至在青藏高原和北极等偏远地区也已被检测到。PCNs的环境来源主要包括作为历史化学品的使用和释放以及现代工业活动中的无意产生和排放。精准量化其排放特征,对于制定针对性的污染防治策略、有效降低其在环境中的残留水平至关重要。本文总结了PCNs排放研究的现状,包括其排放源、排放因子及排放清单的编制进展。历史排放研究表明,PCNs的排放与工业化进程密切相关,多数地区呈现先上升后下降的趋势。无意排放的研究表明,不同行业和工艺的PCNs排放因子差异显著,且受污染控制措施的影响较大。尽管已有研究取得了一定进展,但全球PCNs排放的系统性研究仍显不足,尤其是在排放因子的测定和排放清单的编制方面。未来研究需进一步完善排放清单,加强监测和管理,以有效控制PCNs的环境风险。

Abstract

Polychlorinated naphthalenes (PCNs) are persistent organic compounds that are regulated by the Stockholm Convention. Because of their persistence and long-range transport, PCNs are widely distributed in the environment, even in the Tibetan Plateau and Arctic area. Historical manufacturing and unintentional release from human industrial activities are the two major sources of PCNs. Accurate characterization of PCNs is essential for the development of targeted pollution prevention strategies and effective reduction of their residual levels in the environment. In this paper we summarize the current status of emission studies on PCNs, including their emission sources, emission factors and progress in emission inventories. Historical emission studies show that PCN emissions are closely related to the industrialization process, with an increasing and then decreasing trend in most regions. Studies on unintentional emissions show that the emission factors of PCNs vary considerably between industries and processes and are strongly influenced by pollution control measures. Although some progress has been achieved, the systematic study of global emissions of PCNs is still inadequate, particularly in the determination of emission factors and the compilation of emission inventories. Future research is needed to further improve the emission inventory and strengthen monitoring and management to effectively control the environmental risks of PCNs.

Contents

1 Introduction

2 Properties of PCNs

2.1 Physicochemical properties of PCNs

2.2 Toxicity of PCNs

2.3 Environmental behavior of PCNs

3 Current status of global management policies for PCNs

4 Source of PCNs

5 Progress in the study of historical production and emission of PCNs

5.1 Estimation of historical production

5.2 Release of PCNs as historical chemicals

6 Unintentional emissions of PCNs

6.1 Emission factors for PCNs

6.2 Emission inventories of PCNs

7 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

多氯萘 / 排放清单 / 持久性有机污染物 / 排放因子 / 环境管理

Key words

polychlorinated naphthalenes / emission inventories / persistent organic pollutants / emission factors / environmental management

引用本文

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罗语焉, 刘国瑞. 多氯萘的来源、排放特征及环境管理[J]. 化学进展, 2025, 37(11): 1704-1718 DOI:10.7536/PC20250502
Yuyan Luo, Guorui Liu. The Sources, Emission Characteristics, and Environmental Management of Polychlorinated Naphthalenes[J]. Progress in Chemistry, 2025, 37(11): 1704-1718 DOI:10.7536/PC20250502

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1 引言

多氯萘(polychlorinated naphthalenes,PCNs)是一类由2个稠合苯环组成的持久性有机污染物(POPs),其中1~8个氢原子被氯原子取代。PCNs于20世纪初开始作为化学品生产,广泛用于各种工业应用[1]。由于对人类健康和环境的损害,PCNs生产在20世纪末被终止,当前主要来源于工业无意产生[2]。2015年,二到八氯萘由于其毒性、持久性、生物累积性和在环境中的远距离迁移潜力而被列入《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》,旨在消除来自作为化学品的生产和使用、工业生产过程中的无意释放以及库存含PCNs废物[3]。

尽管国际社会已经采取了一系列措施来管控PCNs的排放,但其作为POPs的环境风险仍然存在。目前,已检测到多个PCNs的无意排放源,例如再生金属冶炼[4-5]、氯代化学品生产[6]、垃圾焚烧[7]等。PCNs可以通过大气环流、生物积累和迁移等途径传播扩散,并且已在全球许多地区的空气[8]、沉积物[9]、水[10]、生物群[11]和人类[12]中被检测到,包括偏远的极地地区[13]。此外,膳食摄入是POPs人体暴露的重要途径,膳食样品也有检出PCNs[14]。PCNs进入食物链后,可通过生物富集与放大作用,对人体构成潜在危害[15]。为了更好地理解和管理PCNs的环境影响,需要对其排放源、排放特征以及排放清单进行系统研究。本文旨在系统总结PCNs的排放源、排放因子以及排放清单的研究进展。通过分析现有研究数据,本文将为环境管理和政策制定提供科学依据,同时指出当前研究中存在的不足和未来需要进一步研究的方向。

2 PCNs的基本特性

2.1 PCNs的理化性质

PCNs是平面分子(分子式为C10H8-nCln;其中n的范围为1~8,图1),其物理化学性质与多氯联苯(PCBs)、多氯二苯并对二𫫇英和多氯二苯并呋喃(PCDD/Fs)相似,具备良好的稳定性、绝缘特性、低可燃性和惰性。除一氯萘在室温下为液体外,纯PCNs通常是无色的晶体化合物[16-17]。然而,大多数工业生产的PCNs并不是纯物质,由多种同类物组成的混合物。PCNs商业产品物理状态从低粘度液体到硬蜡,再到高熔点固体不等,熔点范围介于-40 ~180 ℃[18]。

PCNs同类物的物理化学属性因氯取代程度不同而差异很大。水溶性、蒸气压和亨利定律常数(KH)从一氯萘到八氯萘逐渐降低,而辛醇水分配系数(Kow)、熔点和沸点从一氯萘到八氯萘逐渐升高[19]。PCNs主要溶于有机溶剂,如苯、二氯甲烷、乙醚、己烷、异辛烷、石油醚和甲苯[16]。三氯萘至八氯萘亲脂性很强,其Kow较高,一般大于5。辛醇空气分配系数(Koa)随着氯化水平的增加,数值呈明显增加的趋势。从二氯萘到六氯萘,Koa数值增加了3个数量级以上[20]。PCNs为220~275 nm有强烈的吸收峰,而在275~345 nm有较弱的吸收峰。随着氯化度的增加,吸收最大值向更长的波长移动[16]。PCNs的一些物理化学参数如表1所示。

2.2 PCNs的毒性

PCNs具有与二𫫇英类似的毒性特征,其毒性与其平面结构及萘环侧位(β)氯取代更相关(图1)[21]。从一氯萘至八氯萘,都对生物体有持续的有害影响[22]。部分PCNs同类物结构与2,3,7,8-四氯二苯并对二𫫇英(TCDD)相似,展现出相似的毒性效应,包括胚胎毒性、肝毒性、免疫毒性、皮肤损伤及致癌性[21,23]。肝毒性主要表现为肝肿大、脂肪肝和脂肪变性,严重时可导致急性肝萎缩和肝硬化[18,24]。在神经毒性方面,PCNs影响γ-氨基丁酸(GABA)代谢,导致GABA和谷氨酸水平下降,进而引发动机形成过程受损(表现为与吞咽困难(aphagia)和渴感缺乏(adipsia)相关的食欲抑制效应)、运动活性降低(运动功能减退,hypokinesia)、长时记忆障碍以及对应激反应的显著减弱[23]。产前和发育毒性包括胎儿毒性、胚胎毒性和致畸性,可能导致骨骼发育不全、肾脏异常和神经系统发育障碍[23]。在内分泌干扰方面,PCNs具有雌激素样/抗雌激素样作用和雄激素样/抗雄激素样作用,可能干扰性激素功能,导致动情周期不规律和黄体生成素、促卵泡激素水平上升[25]。

此外,类似于TCDD的作用机制,PCNs可穿过细胞膜与与芳香烃受体(AhR)结合[17]。配体结合后,AhR-配体复合物会转移到细胞核,与AhR核转录激活因子结合形成二聚体[26]。形成的二聚体具有高亲和力,能够与特定目标基因的外源性反应元件(XREs)结合,从而上调特定基因(细胞色素P-450(CYP)家族的某些基因)的转录。特别是CYP基因(如CYP1A1、CYP1A2等基因)通常对代谢外源性化合物起重要作用。在此过程中,可能形成突变中间体,这可能会导致肿瘤的初步形成[23]。

2.3 PCNs的环境行为

PCNs作为一类典型的POPs,其环境行为表现出显著的持久性、生物累积性和长距离传输特性。PCNs在大气中的持久性受到氯取代程度和取代位置有关。除了一氯萘外,所有的PCNs的大气半衰期均超过2 d[19]。在各个同类物组中,所有α位置都被氯取代的同类物更为持久。而具有-C(β)Cl-C(α)H-C-C(α)Cl-片段的同类物持久性较低,在该片段中,α氢原子和碳原子上的电子密度相对较低[27]。由于PCNs化学结构中缺乏可水解的官能团,不易发生水解反应,但可发生光降解[17]。PCNs光降解并不局限于任何特定的环境条件,即使在低海拔地区也可以被观察到[28]。此外,PCNs的生物降解能力也较为有限。研究表明,某些低氯代同类物(如Mono-CN1、Mono-CN2)可以在特定微生物(如白腐真菌)的作用下发生降解[29]。在自然环境中,PCNs的降解速度极为缓慢。例如,在土壤和沉积物样品的分析显示,三至七氯萘的半衰期超过1年[19]。

PCNs的亲脂性使其能够在生物体内生物累积,并通过食物链进行生物放大。随着氯化程度的增加,PCNs的生物累积程度也相应上升。以鱼类为例,一氯萘的生物富集因子为191,而四氯萘最高可达34 000,显示出极强的生物累积能力。然而,八氯萘由于其特殊的化学结构,生物累积程度相对较低[18]。在生物积累过程中,PCNs的同类物表现出显著的差异性。低氯代同类物在低营养级生物(如浮游动物和小型鱼类)中占主导,而高氯代同类物在高营养级生物(如大型鱼类、海洋哺乳动物和鸟类)中的比例增加。这种分布模式与PCNs的代谢能力密切相关。部分PCNs同类物由于具有未被氯取代的邻位碳原子,更易被生物体代谢或排泄。而未被氯取代邻位碳原子的同分异构体(如Hexa-CN66/67和Penta-CN54)则更容易在生物体内积累,尤其是在高营养级生物中[11]。

PCNs的长距离环境传输能力是其全球分布的重要原因[30]。低氯代同类物因挥发性较高,可随大气环流进行长距离迁移,从而在全球范围内广泛分布[20]。相比之下,高氯代同类物则更多通过海洋运输进行远距离扩散,其在大气中的迁移能力相对较弱[20]。监测数据进一步证实了PCNs在极地环境中的广泛分布。Harner等[31]报道了北极空气中的PCNs,并表明大气中的主要PCNs同类物是三氯萘和五氯萘。 Dong等[32]分析了从北极的斯瓦尔巴群岛和南极的南设得兰群岛的中国极地科学考察站周边采集的底栖海洋沉积物和几种生物体内的PCNs。结果显示:在北极和南极地区沉积物中的∑PCNs(75种同类物)总质量分数(以干质量(dw)计)分别为274~837 pg/g(平均485 pg/g)和72~243 pg/g(平均142 pg/g);底栖海洋生物群中的∑PCNs(75种同类物)总质量分数(以干质量(dw)计)为37~388 pg/g和53~852 pg/g。Dong等[13]分析了斯瓦尔巴特群岛北极土壤和植物中PCNs的浓度和分布,土壤中的∑PCNs(75种同类物)质量分数(以干质量(dw)计)为5.3~2550 pg/g,植物中的∑PCNs(75种同类物)质量分数为77~870 pg/g。

3 PCNs的全球管理政策现状

近年来,PCNs在全球范围内受到了严格的政策监管。图2总结了全球PCNs管控相关法规。在国际层面,PCNs最早于1998年被列入《控制危险废物越境转移及其处置巴塞尔公约》(简称《巴塞尔公约》)附件八中,将含PCNs的废物被归类为危险废物[33]。随后,2001年,《保护东北大西洋海洋环境公约》(OSPAR公约)将三到八氯萘(除五氯萘)列入优先控制名单中。2002年,五氯萘也被补录至名单中[34]。2009年,联合国欧洲经济委员会(UNECE)《长距离跨界空气污染公约》(CLRTAP)下的《关于持久性有机污染物的议定书》也提议将PCNs列入附件I(禁止生产和使用),该修正案于2023年2月26日生效[35]。2015年5月,《斯德哥尔摩公约》第七次缔约方大会通过SC-7/14号决定,将PCNs正式列入附件A(消除类)与附件C(无意产生类),该修正案于2016年12月15日生效[3]。

在国家层面,日本最早于1979年在环境法中将PCNs列为最危险化学品,禁止其进口和生产[36],这一早期管控措施比国际公约提前近20年。在欧洲地区,欧盟通过了一系列法规来强化对PCNs的管控。根据CLRTAP的决定,欧盟于2012年6月19日首次将PCNs纳入《POPs法规》附件Ⅰ(生产禁令)与Ⅲ(排放控制),2014年,在附件Ⅳ设定10 mg/kg的废物质量分数限值,最终2019年通过整合性修订,形成了涵盖全生命周期的管控框架[37-39]。2012年,加拿大根据《禁止特定有毒物质法规》,全面禁止了PCNs的生产、使用、销售和进口。瑞士也全面禁止了包括PCNs在内的所有卤化萘的生产和使用[40]。中国根据《〈关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约〉列入PCNs等3种类持久性有机污染物修正案》,自2023年6月6日起,全面禁止生产、使用和进出口PCNs等5种持久性有机污染物[41]。

4 PCNs的来源

环境中PCNs来源可分为人为源和天然源。早在2009年,加拿大环境与气候变化部的PCNs筛选评估报告中提出PCNs的一种可能的天然源是在森林火灾等情况下木材燃烧[19]。Wang等[42]的研究证实了这一点。人为源是环境中PCNs的主要来源,可分为:(1)有意生产;(2)无意生产;(3)库存和废物[17]。历史上有意生产和使用的PCNs混合物曾经是环境中PCNs的主要来源。工业合成方法产生的PCNs通常是在氯化铁和氯化锑催化剂的作用下对萘进行氯化得到的[43]。PCNs曾被广泛用于多种工业领域,包括染料制造、木材杀菌剂、纺织和造纸工业,以及作为发动机油添加剂和绝缘材料[17]。尽管已经停止其生产和使用,但由于其持久性和难降解特性,作为历史化学品的PCNs释放当前仍然是许多环境中重要来源之一。例如,Wu等[44]通过同类物谱图分析,认为Halowax(一种历史上广泛使用的PCNs工业混合物)可能是山东省一个工业区的排放源之一;Nigar等[45]则通过同类物比例分析,认为Halowax可能是孟加拉国达卡市电子垃圾、工业垃圾和垃圾填埋场的排放源之一。

目前,PCNs的无意生产已在多种工业生产过程中被广泛检测到,包括氯化烃生产、垃圾焚烧以及冶金过程[2,46-47]。PCNs的工业无意形成主要通过3种机制:从头合成、氯酚前体合成以及氯化/脱氯化反应,这些机制在某种程度上与PCDD/Fs的形成途径相似[2,48]。在热化学生产过程中,连续氯化是PCNs形成的重要机制。萘分子亲电氯化时,亲电氯化位置的优先级顺序为1=4=5=8>2=3=6=7,且氯化发生的位置受到温度和氯自由基浓度的影响[6,48]。除了连续氯化反应外,PCNs还可能通过其他机制形成。例如,在氯乙烯生产过程中,多氯丁二烯成环反应可能为八氯萘生成机制[6]。此外,氯酚前体的合成过程涉及自缩合和交叉缩合反应。在高温条件下(600~1200 K),氯代苯氧基自由基会发生自缩合或与其他氯化物进行交叉缩合,生产高度氯化的氯萘[49]。

5 PCNs历史生产与排放研究进展

5.1 历史产量估算

PCNs最早于1833年合成,于1909年在美国获得专利[50]。20世纪初,PCNs的首个专利用途是作为电容器中的阻燃剂和介电流体[43]。在第一次世界大战期间,PCNs首次成为重要的防护涂层材料,特别是在德国。第二次世界大战后,PCNs的产量开始减少,逐渐被用于绝缘目的的塑料和PCBs所替代。历史上,PCNs的主要生产国家包括美国、德国、英国、法国、意大利、日本、波兰和俄罗斯(表2)。

不同研究对PCNs全球产量的估算存在显著差异,这主要源于估算方法的不同,且部分研究并未描述具体的估算方法。Falandysz等[21]通过将全球PCBs产品总产量(约150 万t)与PCBs产品中的PCNs浓度中值(0.0067%)相乘,得出PCNs的总量为100 t;AMAP[51]未明确说明估算方法,指出PCNs产量为2万~4万t;Jakobsson等[16]指出,20世纪20年代PCNs产量约为9000 t,也未提及具体依据;Bogdal等[52]提出的“PCNs产量不超过PCBs产量的10%”这一假设,估算PCNs产量为13万t;UNEP[53]指出PCNs产量为1.5万~4万t。

美国作为PCNs的主要生产国,其生产活动始于1912年,并于1980年由美国最后一家PCBs制造商Chemisphere公司停止生产[18]。然而,据美国环保局(EPA) 1975年报道,美国唯一的PCNs制造商是Koppers公司,该公司在宾夕法尼亚州Bridgeville的一家工厂以Halowaxes的商标名生产PCNs[55]。Koppers公司于1977年停止生产[18]。受早期化学品统计数据缺乏的影响,早期PCNs的生产信息存在缺乏甚至有些描述不统一的现象。根据Klimczak等[1]的报道,1912—1937年,美国PCNs年产量约为100 万磅(460 t),而在20世纪20年代(1920—1930年),年产量激增至2000万磅(9100 t),这一阶段产量出现大幅增长。此外,1910—1960年,美国PCNs总产量在50 000~150 000 t。根据EPA 1975年的报道[55],1956年PCNs产量为700 万磅(3200 t),1972年产量降至500 万磅(2300 t),至1978年产量进一步下滑至70 万磅(320 t)。

与全球产量相比,波兰生产的PCNs数量较少。其生产活动主要由位于波兰东南部Mościce-Tarnów工业区的Zakłady Azotowe-Mościce集团负责。该集团采用气态氯和FeCl3为催化剂,在130 ℃下将熔融萘氯化数小时,直到达到合适的质量密度。随后,获得的混合物在减压下蒸馏,在液态中获得Mono-CN1,固体产品为Woskol。Mono-CN1的年产量为15 t,高氯化(三到八氯萘)Woskol的年产量为9 t。1936—1939年,Mościce生产的PCNs总量为47 t Mono-CN1和36 t Woskol。1947—1948年,Mościce化工厂从第二次世界大战期间持续的破坏中部分重建。Mono-CN1和Woskol的生产得到恢复,被用于一种名为Xylamit的产品(一种木材防腐剂),该产品于1950—1987年生产。据估计,1951—1987年,Woskol的总产量为369 t,Mono-CN1的总产量为602 t[1]。

1940—1976年,日本生产了约4000 t PCNs,并于1979年禁止了其生产和使用[56]。德国的生产一直到1983年才停止,据联合国环境规划署(UNEP)报道,Bayer公司在1980—1983年每年生产100~200 t PCNs,1983年停止生产[57]。英国在20世纪60年代中期停止,但1970年代仍有少量PCNs生产[43]。自1919年起,ICI(Runcorn)及其前身已生产Seekay waxes。俄罗斯除了在Usolie-Sibirskoe生产一氯、三氯萘和高氯化萘外,还有Orgsteklo工厂和Orgsintez工厂生产PCNs[1]。

5.2 PCNs作为历史化学品的释放

PCNs的历史排放研究主要采用沉积物岩芯、树木年轮和综合环境介质等分析方法,这些研究在揭示排放规律和来源方面取得了显著进展。研究人员通过采集不同深度的沉积物芯样本,并利用放射性同位素(如210Pb、137Cs等)确定沉积物的年代,从而建立PCNs浓度与时间的对应关系。例如,Gevao等[58]发现英国Esthwaite Water湖的PCNs通量在20世纪40年代前稳定,20世纪50年代末至60年代初达到峰值后逐渐减少。Horii等[59]在北浦湖的研究也显示PCNs浓度在20世纪80年代初达到峰值后降低。Yamashita等[60]对东京湾的研究表明,PCNs排放自20世纪60年代上升,1980年达到峰值后下降,其来源与燃烧过程和高氯化PCNs产品相关。在胶州湾的研究显示,PCNs排放自20世纪50年代开始增长,90年代初达到峰值后降低,且与木柴和煤炭燃烧、Halowax输入以及城市固体废弃物焚烧密切相关[61-62]。Li等[63]对北美五大湖的研究表明,PCNs浓度在20世纪先上升后下降,不同湖区峰值时间存在差异。Lee等[64]在韩国蔚山湾的研究表明,PCNs排放与当地工业化进程密切相关,1930—1980年,浓度先上升后下降,20世纪80年代至21世纪初排放增加,2006—2015年因管控措施而降低。

研究发现年轮中的亲脂性POPs不会在茎中重新分布,因此成为历史示踪剂。Odabasi等[65]通过树木年轮分析发现,土耳其阿利亚加工业区的PCNs排放自20世纪70年代起随工业化进程增加,尽管其生产与使用在20世纪80年代中期停止,但由于持续的工业排放,环境浓度仍上升。

不同地区PCNs历史排放特征表现出明显差异。从排放趋势来看,多数地区呈先上升后下降的趋势,但峰值出现的时间以及后续下降的速率各有不同。在影响因素方面,工业化进程是驱动PCNs排放变化的关键因素。目前通过此类研究对于局部区域的PCNs排放规律和污染状况已有一定了解,然而,对于全球历史排放的系统研究仍相对匮乏。

6 PCNs无意排放

排放清单的研究历史悠久,能够较为精确地确定研究区域的污染物排放水平。其编制依赖于多方面信息,包括行业测量数据、州及地方提交的数据、气象数据、活动水平数据,以及其他基于现有科学的估算数据。这些数据被整合入多个排放清单模型,并经过质量保证检查与利益相关者审查。最终形成的清单广泛应用于排放预测、近期空气质量预测、环境与人类健康影响分析、满足国际报告要求,以及监管空气质量建模和规划[66]。排放清单的构建主要采用排放因子法、物料衡算法、模型反演法、监测计算法等,其中排放因子法应用最为普遍[67]。排放清单编制主要流程如图3所示。

6.1 PCNs排放因子

近年来,随着全球对POPs管控的重视,PCNs排放因子的研究逐渐成为环境科学领域的热点。排放因子作为量化污染物排放的关键参数,能够为编制准确的排放清单提供重要支撑。工业生产、金属冶炼、垃圾焚烧等是PCNs的主要排放源,PCNs排放因子在来源、污染控制措施、国家和地区方面都存在显著差异,在数值上可相差9个数量级(图4)。表3汇总了当前已发布的PCNs排放因子。如表3所示,在钢铁行业中,电弧炉的PCNs毒性当量(TEQ)排放因子(21.6~30.1 ng/t)显著高于转炉(0.3~1.5 ng/t)。有色金属生产中,再生金属生产的排放因子普遍高于原生金属生产,例如再生铜生产的TEQ排放因子为35.1~264 ng/t,远高于原生铜生产的0.2~13 ng/t,这主要与原料差异有关[68]。相比之下,家庭供暖和生物质燃烧的PCNs排放因子较低,如英国家庭使用硬木和家用煤供暖的TEQ排放因子分别为9 ng/t和2 ng/t。污染控制措施的效果显著影响PCNs的排放水平。例如,配备静电除尘器(ESP)、湿式洗涤器(WS)和选择性催化还原(SCR)技术的垃圾焚烧厂的PCNs排放水平((1.88±0.472)ng/m³,标准状况下)显著低于配备旋风分离器(CY)、半干式吸收器(SDA)、活性炭喷射(ACI)和袋式除尘器(BH)的垃圾焚烧厂的排放水平((23.2±0.983)ng/m³,标准状况下)[69]。这种差异主要源于SCR对高氯化PCNs的高效催化还原作用,以及WS对低氯化PCNs的部分捕获能力。尽管ESP可能导致PCNs的生成,但SCR的高温操作能够有效分解PCNs。相比之下,CY+SDA+ACI+BH组合虽然通过吸附作用去除PCNs,但由于操作温度较低、记忆效应以及废物中较高的氯含量,导致其整体去除效率较低,排放因子较高。

除总量和TEQ外,PCNs同类物分布对于理解排放特征、评估毒性风险、进行源解析和模拟环境归趋至关重要[17]。在质量排放因子方面,PCNs主要以低氯代CNs(Mono-CN,Di-CN,Tri-CN)为主(表3),如CN1,CN2,CN24/14等,在多个源(如部分垃圾焚烧、镁冶炼、家庭供暖)的排放因子中被检测到浓度较高。不同工艺、不同污染控制技术、甚至不同国家/地区的同类型源,其排放的PCNs同类物谱图存在显著差异。例如,中国垃圾焚烧采用ESP+WS+SCR主要排CN1/CN2,而采用CY+SDA+ACI+BH主要排CN1[69],日本采用BF+AC(活性炭)主要排CN33/37[56],德国采用SDS(半干法洗涤塔)+AC+BF主要排CN52/60[70];钢铁生产不同环节(转炉、电弧炉)和不同控制设施(BH、WS、CY)排出的主要同类物也不同(如CN3、CN14/26、CN25/13、CN11/8、CN23等)[71-72]。在TEQ排放因子方面,则主要以高氯代PCNs为主,六氯萘66/67(Hexa-CN66/67)和七氯萘73(Hepta-CN73)是多个排放源(包括垃圾焚烧、钢铁生产、铁矿石烧结、镁冶炼等)中TEQ的主要贡献者(表3)。这些同分异构体具有平面结构且β位被氯取代(符合类二𫫇英结构特征),具有高毒性当量因子(TEF)[21],因此即使浓度不是最高,其对总TEQ的贡献也往往最大。

尽管这些数据为理解不同行业和工艺的排放水平提供了重要参考,但仍存在一些不足之处。在UNEP《关于编制PCNs清单的指导意见》(以下简称《指导意见》)中给出来自PCBs工业混合物的PCNs排放因子为39 000~1 300 000 mg/t[53]。其排放因子均是等同于PCBs产品PCNs浓度,即其对应活动水平应为PCBs产品量[73]。类似地,Huang等[74]的研究中提到的1 300 000 mg/t的排放因子是基于中国主要PCBs产品“PCB3”(另称,1号PCBs)储存的电容器中绝缘油中PCNs的浓度,而非直接测定的排放浓度。此外,四氯化碳生产过程中PCNs的排放因子也是将其等同于产品浓度[47]。然而,在计算过程中,通常活动水平为产品生产量而非排放量[47,73]。这种做法忽略了产品在封闭系统(如电容器中的绝缘油)中的排放限制,PCNs的实际排放水平可能远低于其浓度。此外,未考虑产品生命周期(包括生产、使用、储存和处置)中PCNs排放的复杂性,例如废弃产品的处理方式(如焚烧或填埋)会显著影响PCNs的实际排放量。

此外,UNEP《指导意见》中给出的飞灰和底灰的排放因子[53],采用灰中的PCNs浓度作为排放因子,其对应的活动水平为飞灰或底灰的排放量。然而,这一方法在实际应用中存在一定局限性。灰中PCNs浓度受燃烧条件、原料组成及污染控制技术的影响可能导致排放量估算偏差。更精确的排放量计算需整合工厂运行数据。以水泥厂为例,计算方法见式(1)。

$E=C\times M$

式中:E为PCNs排放量;C为飞灰中PCNs浓度;M为飞灰排放量。参考中国生态环境部《排放源统计调查产排污核算方法和系数手册》,水泥生产过程中颗粒物排放量计算需考虑以下关键参数:产污系数(单位产品或原料的污染物生成量)、产品产量或原料用量(活动水平基础数据)、污染物治理技术的平均去除效率以及治理设施的实际运行率[75]。计算方法见式(2)。

$\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{排}}={G}_{\mathrm{产}}-{R}_{\mathrm{减}}\\ =\sum \left({G}_{{\mathrm{产}}_{i}}-{R}_{{\mathrm{减}}_{i}}\right)\\ =\sum [{P}_{\mathrm{产}}\times {M}_{\mathrm{i}}\left(1-{\eta }_{\mathrm{T}}\times {\kappa }_{\mathrm{T}}\right)]\end{array}$

式中:G产i为工段i颗粒物的平均产生量;P产为工段某污染物对应的产污系数;Mi为工段i的产品总量/原料总量;R减i为工段i某污染物的去除量;ηT为工段i某污染物采用的末端治理技术的平均去除效率;κT为工段i某污染物采用的末端治理设施的实际运行率。这种多参数计算能够更真实地反映实际排放特征,但对数据获取的全面性和准确性提出了更高要求。

6.2 PCNs排放清单

PCNs的无意排放清单研究主要涵盖垃圾焚烧、有色金属冶炼、焦化行业及其他工业过程。早期研究因缺乏排放因子,多基于PCDD/Fs和PCBs的排放数据进行估算。Falandysz等[21]估计20世纪氯相关热过程和其他过程的PCNs的总产量可粗略估计为l~10 t。该结论根据每年涉及氯的热过程和其他过程而排放到环境中的PCDD/Fs的量为全球10~100 kg,并且全球因燃烧和其他氯相关过程而产生的PCNs似乎没有超过PCDD/Fs的生成量得出。Yamashita等[73]基于全球PCBs的生产量以及PCBs中PCNs的平均浓度,估算出PCBs使用导致的PCNs排放量为169 t。Denier van der Gon等[104]考虑了垃圾焚烧、填埋和PCBs生产3个PCNs的潜在来源,并基于5个分类(公共热电,住宅、商业和其他燃烧,工业,溶剂和产品使用以及废物处理)来估算PCNs的排放量。结果显示,2000年UNECE欧洲区域的PCNs年排放量为1 t。其中,废物处理占总排放量74%,工业占11%,住宅、商业和其他燃烧占10%。该研究工业过程排放因子通过假设PCB中PCNs平均含量为0.05%±0.04%得出,其他源排放因子则是根据粗略估计的PCNs与PCDD/Fs的平均比率为50∶1得出。

近年来,研究主要通过排放因子法和实测数据对PCNs的无意排放进行了较为系统的估算。Zhang等[47]在假定四氯化碳副产物的年产量等于排放量的基础上,估计2010年四氯化碳生产过程中PCNs排放量为427 kg (TEQ 536 g)。Ba等[82]估算了2007年中国再生有色金属工业的PCNs排放量,结果显示,该行业PCNs总排放量(以毒性当量TEQ计)为1.27 g/a。其中,再生铜生产是主要排放源,TEQ排放量为0.86 g/a,占总排放量的67.7%;再生铝生产TEQ排放量为0.39 g/a,占比30.7%;再生铅和再生锌生产的TEQ排放量较低,分别为0.009 g/a和0.01 g/a,合计占比1.5%。Nie等[84]估计中国镁冶炼的PCNs的年排放量为1651 g。Liu等[85]估计中国铁矿石烧结过程中PCNs的TEQ年排放量为1390 mg。Li等[94]估计2013年中国铁矿石烧结过程PCNs排放量为568 kg (TEQ 10.7 g),2014年排放量为574 kg(TEQ 10.8 g)。Dat等[69]估计中国台湾的24个大型城市生活垃圾焚烧厂PCNs TEQ年排放量为5.14~9.43 mg/a。Liu等[83]估计全球焦化行业PCNs的TEQ年排放量为430~692 mg,平均排放337 mg。Wang等[99]估计2003—2015年中国烧结厂总共排放了17364 g(以TEQ计),其中通过烟气途径排放了15486 g,通过残留物途径排放了1878 g。2005—2015年,烧结厂的PCNs总排放量呈现下降趋势,累计减少约1549 kg(TEQ 211 g)。Yang等[105]编制了2014年中国垃圾焚烧和冶金来源的PCNs排放清单。结果表明,2014年中国PCNs总排放量为511.6 kg(TEQ 7650.8 mg)。其中,垃圾焚烧、再生有色冶炼、电弧炉炼钢和铁矿石烧结厂分别占总排放量的38.8%、15.4%、29.2%和16.6%。中国东部沿海和华北河北地区工业活动密集,人口密度高,是PCNs的主要来源。Huang等[106]估计了1960—2019年中国大陆37个排放源的8种PCNs同类物的省级排放量。结果显示,2019年PCNs排放总量达到757.0 kg,其中河北省位居各省之首,钢铁行业是最大的排放源。

7 总结与展望

本文对PCNs排放研究现状进行了全面梳理,涵盖了排放源、研究方法、时空分布等多个方面。PCNs排放源复杂多样,历史上的作为化学品生产使用排放已对环境造成长期污染,当前无意排放成为主要来源,其中城市垃圾焚烧、金属冶炼等工业活动贡献显著。研究方法不断发展,但仍存在排放因子测定难度大、模型模拟精度受限等问题。空间上不同地区排放差异大,时间上排放趋势受政策和工业发展等多种因素影响。

目前研究的不足之处在于,对一些复杂排放源(如生物质燃烧、化工产品生产过程中杂质PCNs的释放)的排放特征认识不够清晰,缺乏全球统一的排放因子数据库,导致排放清单准确性和可比性不足。需要特别指出的是,排放因子的计算精度依赖于排放浓度的准确测定,而当前PCNs分析方法的差异(如低沸点组分回收率低、基质干扰显著等)直接影响最终排放因子和清单的计算结果。此外,排放清单仅计算总体排放量,缺乏系统、全面的同类物分析限制了更精细的源解析和环境归趋研究。不同环境介质间PCNs迁移转化过程对排放估算的影响研究不够深入,难以准确预测其环境归趋。未来研究应聚焦于:(1)开发精准监测与标准化分析技术,特别是低浓度、复杂基质样品,例如探究烟气中气相与颗粒物中PCNs排放差异。同时需要建立标准化的样品前处理流程和质控体系,以显著降低实验室间分析误差,提升数据可比性。(2)构建全球尺度统一规范的排放清单编制体系,综合考虑不同地区工业结构、技术水平差异,完善排放模型参数。此外,标准化报告更完整的同类物信息,特别是具有源指示性或高毒性的同类物,以提升排放清单的质量和应用价值。(3)深入研究PCNs在多介质环境中的迁移转化规律,耦合大气、水、土壤等环境模型,提升对其环境行为的预测能力。通过这些研究,为PCNs的有效管控和全球环境质量改善提供更有力的科学支撑,助力实现《斯德哥尔摩公约》中PCNs削减和消除目标。

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基金资助

中国科学院战略性先导科技专项(XDB0750400)

国家自然科学基金项目(22376204)

国家自然科学基金项目(22576189)

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