电子制造过程中由操作因素导致的挥发性有机化合物（VOC）排放：对臭氧生成、毒性以及基于风险的管理的影响

《Environmental Research》：Operation-resolved VOC emissions from electronics manufacturing: Implications for ozone formation, toxicity, and risk-oriented management

电子制造VOCs排放特征及风险导向管控研究揭示：基于光化学活性（OFP）和毒性加权浓度（TWC）的源解析显示，树脂挤出、胶黏应用等操作VOCs质量浓度差异显著（4-103 mg/m3），且存在系统性脱钩现象——TVOC与OFP（R2=0.46）相关性较弱于TVOC与TWC（R2<0.11）。研究构建操作层溯源框架，证实ABS挤出因热降解产生高浓度排放（达103 mg/m3），而溶剂清洗等工序释放复杂混合物。OFP主要由芳烃等高活性物种驱动，TWC则受微量剧毒物质（如丙烯醛）显著影响。该成果为精准制定风险导向的VOCs管控策略提供科学依据。

　　

陶俊|徐瑞|张志生|唐子军|方萍|费蕾蕾|李志辉|陈志航

中国广州暨南大学环境与气候研究所环境与气候学院

摘要

传统的基于质量的指标往往无法反映挥发性有机化合物（VOCs）对环境和健康的风险。为了支持珠江三角洲（PRD）电子制造业的风险导向管理，本研究调查了总VOC（TVOC）质量排放与其相关的臭氧形成潜力（OFP）和毒性加权浓度（TWC）之间的关系。OFP和TWC被用作基于源的指标，根据其内在的光化学反应性和毒理学危害来优先处理排放源。在预筛选了76个排放源后，对12个设施的26个代表性处理后排放源进行了表征。尽管受到末端处理过程的影响，这些处理后的排放特征仍能准确反映实际释放到大气中的化学成分。不同操作过程中的VOC源特征存在显著差异：挤出和粘合剂相关过程主要排放残留单体，而使用溶剂的过程则排放更复杂的混合物。OFP主要由少数高反应性物质（如芳香烃）驱动，TWC表现出较大变化，尽管某些微量物质（如丙烯醛）的质量分数较低，但对毒性的贡献却不成比例。统计分析揭示了排放质量、光化学反应性和毒理学风险之间的系统性脱钩。TVOC与OFP之间存在中等程度的相关性（R2=0.46，p<0.01），但与TWC无关（R2<0.11，p>0.05）。这种脱钩凸显了基于质量的控制的局限性，并强调了需要制定针对特定操作的缓解策略，以优先处理高影响物质。这些按操作分解的排放特征为完善排放清单和支持基于风险的VOC管理提供了坚实的基础。

引言

挥发性有机化合物（VOCs）是臭氧和二次有机气溶胶的关键前体，对城市光化学污染和人类健康风险有显著影响（Guo等人，2017；Wu和Xie，2018；Xiong等人，2022；Yuan等人，2013）。VOC源特征是受体建模、特定排放清单、基于反应性的排放控制和健康风险评估不可或缺的基础（Watson等人，2001；Wu和Xie，2017；Xiong等人，2022）。大多数关于VOC源特征的研究集中在传统行业，如车辆尾气、化石燃料燃烧、表面涂层和石化生产（Morino等人，2011；Na等人，2004；Simon等人，2010；Theloke和Friedrich，2007；Watson等人，2001）。在中国，早期研究同样主要集中在车辆排放、溶剂使用和石化过程（Liu等人，2008；Mo等人，2015；Sha等人，2021；Wang等人，2023；Yan等人，2016）。这些特征反映了过去几十年的产业结构和溶剂使用模式，对于捕捉快速变化的制造业动态来说分辨率有限。

随着新兴制造业的扩张（工信部，2024年），电子生产已成为中国VOC排放的重要来源（Liang等人，2020）。然而，在现有的VOC源特征数据集中，这一行业仍被忽视（Sha等人，2021）。这种忽视部分是由于电子VOC排放的高度过程依赖性，同一设施内不同操作步骤中的溶剂配方和原材料投入存在显著差异。最近的研究表明，半导体、集成电路、印刷电路板（PCB）、显示器和电子终端产品制造过程中的溶剂使用操作是主要的VOC来源，同时特定操作过程也存在很大变异性（Lv等人，2021；Shen等人，2018）。例如，半导体制造通常排放C?–C?烷烃和三氯乙烯，而集成电路和PCB生产主要释放异丙醇（IPA）和丙酮。显示器制造以甲基乙基酮（MEK）和甲基异丁基酮（MIBK）为主，而终端产品组装主要排放乙醇和IPA。这些对比表明，电子制造中的VOC种类更多地受到特定操作实践的影响，而不仅仅是行业标签。因此，基于行业的特征可能无法完全捕捉材料-操作-排放之间的联系，特别是在名义上相似的溶剂使用操作在不同工艺步骤中产生不同VOC特征的情况下。因此，需要按操作分解的特征来保留电子制造中的材料-操作-排放联系，否则在设施或子行业层面平均排放数据时可能会掩盖这一联系。

基于我们在2022–2024年在珠江三角洲（PRD）进行的实地调查（第2.1节），发现树脂挤出和粘合剂相关操作以及溶剂使用是当代电子制造中VOC排放的重要来源。然而，这些操作在现有的源特征数据集中大多未被充分描述（Sha等人，2021）。这种数据缺失导致现代电子供应链中的聚合物外壳生产和结构粘合相关的排放在当前特征中代表性不足。为了填补这一空白，本研究为PRD地区的电子制造业开发了一个可追溯的、按操作分解的源特征框架。该框架结合了（i）官方记录中记录的原材料和工艺信息，并通过现场检查进行了验证，以及（ii）对12个调查设施的处理后排放源中VOCs的现场测量。首先，研究了末端处理对VOC种类变化的影响，以评估处理后特征中的潜在系统差异（第3.1节）。然后为关键过程编制了按操作分解的VOC源特征，包括挤出、粘合剂应用和溶剂清洗（第3.2节），并量化了它们的臭氧形成潜力（OFP；第3.3节）和毒性加权浓度（TWC，作为相对危害潜力的筛选指标（第3.4节）。这种综合的材料-操作-排放方法提供了特定于树脂的、按操作分解的特征，反映了当前的电子制造实践，并为受体建模、排放清单开发和基于风险的空气质量管理提供了证据基础。

研究区域和工厂选择

珠江三角洲（PRD）是全球最大的电子制造中心之一，以其密集的工业集群、整合的供应链和多样的生产操作而闻名。为了确保调查的操作能够反映PRD电子制造业的主要排放来源，候选工厂的选择基于区域环境管理记录、政府批准文件和环境影响评估（EIA）文件。

挤出操作

挤出是电子制造中广泛使用的成型步骤，会产生特定于树脂的VOC排放。研究了四个挤出工艺，包括两条ABS挤出生产线、一条PC挤出生产线和一条PVC-PC挤出生产线，TVOC浓度范围为4至103 mg m?3（图1）。ABS挤出的TVOC浓度最高，其中一个案例略微超过了广东省标准（DB44/2367-2022）规定的100 mg m?3限制。

VOC排放和控制重点

由于挤出、粘合剂应用和溶剂使用操作相关的不同排放机制，测量的TVOC水平存在显著差异。树脂挤出操作的TVOC浓度相差一个数量级（4–103 mg m?3），主要归因于ABS、PC和PVC基树脂的热稳定性差异。ABS挤出排放的TVOC浓度最高，这可能是由于部分热降解所致。

结论

本研究通过系统地描述挤出、粘合剂相关和溶剂使用操作的VOC排放，建立了电子制造业的按操作分解的VOC源特征框架。通过在操作层面解析排放，该方法明确了材料-操作-排放之间的联系，并为评估排放VOC物种的光化学和毒理学意义提供了可追溯的操作基础。我们的发现表明……

CRediT作者贡献声明

徐瑞：调查。唐子军：方法论、调查。张志生：撰写——审稿与编辑、监督、数据管理。陶俊：撰写——初稿、正式分析、概念化。李志辉：调查。陈志航：验证、调查。方萍：验证、调查。费蕾蕾：调查。

未引用的参考文献

Kim等人，2024；Li等人，2021；Wang等人，2014。

数据可用性

本研究使用的数据可从张志生处获取：[e-mail]。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2023YFF0714700）和国家自然科学基金（编号41875160）的支持。