塑料制造过程中全挥发性有机化合物的排放：对大气的影响及毒性的产生

《Journal of Environmental Sciences》：Speciated emissions of full-volatility organic compounds from plastic manufacturing: atmospheric impacts and toxicity generation

　　

Dongyang Wu|Qing’e Sha|Luyun Liu|Citao Zhang|Shan Jiang|Qing Guo|Junhao Xu|Jialin Song|Renjun Li|Liufen Cai|Haoqi Chen|Guanghui Li|Zhangmin Xiang|Bin Jiang|Zhuangmin Zhong|Duohong Chen|Boguang Wang|Junyu Zheng

中国广州511443，济南大学环境与气候学院

摘要

塑料制造业是全挥发性有机化合物（F-VOCs）的重要来源，这些化合物会影响空气质量与人类健康。然而，塑料制造过程中产生的中等、半挥性和低挥发性有机化合物（I/S/LVOCs）及其在不同制造类型中的变化性尚未得到充分研究，这阻碍了对它们在大气和毒理学影响的细致评估。本研究系统地分析了六种代表性塑料制造类型的F-VOCs，包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯人造皮革（PVC1）和聚氯乙烯薄膜（PVC2）。结果表明，I/S/LVOCs占总F-VOCs排放量的24.2%–56.5%，而这在基于一级气相色谱-质谱（GC-MS）的传统VOC测量方法中常常被忽视。此外，它们还贡献了76.0%–90.8%的二次有机气溶胶潜力（SOAP）、14.9%–32.2%的臭氧形成潜力（OFP）以及23.9%–75.7%的预测毒性。F-VOCs的排放系数差异显著，范围从15.7 ± 4.0 g/t（PVC2）到576.6 ± 237.3 g/t（ABS），其中ABS和PVC1的OFP、SOAP和预测毒性高于其他类型。此外，含氮物种也占了较大比重，占F-VOCs排放量的2.9%–35.9%、SOAP的3.2%–18.4%以及预测毒性的6.7%–54.3%。部分排放化合物与近期发现的塑料中有问题的化学物质一致，例如1,3-苯二胺、4-甲基和双(2-乙基己基)邻苯二甲酸酯。总体而言，这些结果扩展了特定塑料类型排放特性的研究范围，并为制定基于源头的控制策略提供了数据支持，有助于更准确地评估二次污染和健康相关影响。

引言

塑料制造业是全球工业生产的基石，其产品几乎渗透到所有领域，包括纺织品（约占全球塑料需求的7.3%）、汽车（约8.4%）、建筑和施工（约18.9%）以及包装（约41.4%）（Houssini等人，2025年；Wiesinger等人，2021年）。这种普遍性推动了塑料产量的快速增长（Wiesinger等人，2021年）。自1950年以来，全球塑料累计产量已超过8.7亿吨（Huang等人，2025b年），目前年产量已超过3.5亿吨（Plastics Europe，2023年）。如果当前趋势持续，预计到2050年这一数字将翻一番（Ke等人，2025年；OECD，2022年）。与此同时，塑料制造业规模的迅速扩张及其生产能力增强引发了环境和健康方面的担忧。最近的研究表明，塑料行业会排放大量挥发性有机化合物（VOCs），对空气质量与人类健康产生重大影响（Gu等人，2023年；Jiang等人，2023年；Ren等人，2024年），尤其是在受持久性臭氧（O₃）和细颗粒物（PM_2.5）影响的工业集群中。

除了传统的VOCs外，塑料制造业还会排放具有更复杂分子结构、更高分子量和更低有效饱和浓度（C*，μg/m³）的有机物质，例如中等、半挥发性和低挥发性有机化合物（I/S/LVOCs）。根据C*的分类，VOCs、IVOCs、SVOCs和LVOCs涵盖了连续的挥发性范围，统称为全挥发性有机化合物（F-VOCs）（Chang等人，2022年；Huang等人，2024年；Huang等人，2025a年；Shen等人，2023年）。以往的研究报告了来自特定含氮塑料、树脂或相关热处理过程的含氮VOCs/SVOCs。例如，这些塑料在低温加热时会释放含氮半挥发性化合物（Watanabe等人，2007年）。柔性聚氨酯泡沫会释放随时间变化的挥发性化合物，其中包含含氮物种（Hornyák-Mester等人，2023年）。类似地，对丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）的热降解研究也发现了含氮化合物（Brebu等人，2000年）。此外，材料挤出/三维打印系统的排放物中也发现了来自特定聚合物丝材的含氮化合物（Azimi等人，2016年；Davis等人，2019年）。这些研究表明，各种含氮有机化合物可能存在于塑料相关排放物中。然而，大多数研究集中在实验室加热/降解过程、产品脱气或消费者规模的挤出情况，而非实际塑料制造过程中的现场测量。

关于塑料相关源头的大气排放研究主要关注传统的VOCs。例如，Huang等人（2013年）使用一级气相色谱-质谱（1D GC–MS）针对废物塑料回收过程中的一组有限的I/SVOCs（如多环芳烃和邻苯二甲酸酯），并证明这些物质对总排放量有显著贡献。Zhao等人（2026年）使用传统的VOC测量方法，为广东省的塑料制品行业建立了局部VOC源谱和过程特定的排放系数。他们发现氧化挥发性有机化合物（OVOCs）、芳香族化合物和烷烃是主要组别，具有较高的臭氧形成潜力（OFP）。然而，这些研究并未提供基于现场的塑料制造过程中F-VOCs的表征，尤其是I/S/LVOCs部分，而这在方法上存在明显局限。大多数研究依赖于传统的1D GC–MS VOC目标测量方法，这些方法通常只能覆盖部分I/S/LVOCs的分子种类。这些方法往往导致大量色谱信号（通常占80%–90%）未能被识别为未解析的复杂混合物（UCM）（Huang等人，2025a年；Khare等人，2020年；Wu等人，2025年）。因此，塑料制造排放物的物种覆盖范围、排放系数（EFs）和挥发性特征仍不完整。

其他工业领域的现场测量表明，不同的制造类型显著影响有机化合物的排放特性（Huang等人，2025a年；Huo等人，2026年；Shi等人，2023年）。在一项针对塑料行业的过程解析VOC研究中，Zhao等人（2026年）强调了不同塑料生产过程之间的显著差异。由于不同塑料制造类型的树脂/原料组成、添加剂包装和操作条件存在显著差异，预计F-VOC排放物（包括EFs、挥发性分布和成分谱）也会表现出明显差异。然而，据我们所知，目前文献中尚未报道在当前制造条件下对多种塑料制造类型进行综合的基于现场的F-VOC排放特性分析。近期关于烹饪（Guo等人，2023年）、交通（Huo等人，2024年）和电子废弃物拆解（Yu等人，2024年）的研究表明I/SVOCs与较高的毒性相关，但其影响仍不甚明了。这些局限性的存在阻碍了对该领域F-VOC排放的全面量化，从而影响了对其环境和健康影响的评估。

在中国，塑料产业主要由主要商品树脂系统主导，尤其是聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）和ABS（CPPIA，2023年）。此外，乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚氨酯（PU）以及聚酰胺（PA）和聚碳酸酯（PC）等工程塑料在特定应用领域也发挥着重要作用（Ren等人，2026年；Stark等人，2012年）。例如，EVA广泛用于鞋类和光伏封装，PET用于饮料包装和纺织纤维，PU用于泡沫、涂层和密封剂，而PA和PC则用于汽车和电子部件。

为了更好地表征现场条件下的塑料制造F-VOC排放，我们对四家代表性企业进行了系统的采样和分析。研究涵盖了代表中国主要商品树脂系统的六种塑料制造类型，包括PE、PP、ABS和PVC。PVC进一步细分为两条不同的下游产品路线（人造皮革和薄膜）。此外，EVA也被纳入研究范围，因为它是一个添加剂/发泡密集型制造系统，既体现了材料的代表性，又反映了与F-VOC排放相关的过程依赖性变化。通过结合传统的VOC和羰基测量方法以及全面的二维气相色谱飞行时间质谱（GC×GC-TOF-MS）对I/S/LVOCs进行分析，我们确定了特定塑料类型的EFs、挥发性分布和化学种类，并进一步评估了OFP、二次有机气溶胶潜力（SOAP）和毒性。这项研究提供了基于现场的、针对塑料类型的F-VOC测量结果，涵盖了完整的挥发性范围，改进了塑料制造的排放表征，有助于更准确地评估其对空气质量和健康的影响。

章节片段

现场采样

我们选择了四家具有代表性的塑料制造企业，并在六种工艺类型的排放控制装置出口进行了现场采样：ABS、EVA、PP、PE、PVC人造皮革（PVC1）和PVC薄膜（PVC2）。附录A的表S1列出了每种塑料制造类型的详细信息。所有测量均在常规生产条件下进行。采样遵循了生态环境部发布的GB/T 16157-1996和HJ 759-2015标准。

总排放浓度（ECs）和排放系数（EFs）

图1a和b分别展示了六种塑料制造类型的F-VOC总排放浓度（ECs）和排放系数（EFs）。ECs的范围为5.1 ± 2.7至14.9 ± 6.3 mg/m³，其中PVC1的ECs最高，PE的ECs最低。这些测量结果略高于Ren等人（2024年）报告的PP、PS和ABS的ECs（0.28–10.6 mg/m³）以及Gu等人（2023年）报告的塑料产品的ECs（2.97–11.38 mg/m³）。这些差异可能是由于分析方法的不同所致。

结论与意义

本研究揭示了塑料制造过程中F-VOCs的广泛种谱及其在制造类型间的显著差异。ECs的范围为5.1 ± 2.7至14.9 ± 6.3 mg/m³，排放系数（EFs）的范围为15.7 ± 4.0至576.6 ± 237.3 g/t。EVA、PP和PE的排放物主要存在于log₁₀(C*) ≥ 6的气相中。相比之下，ABS、PVC1和PVC2的排放物以log₁₀(C*) ≥ 3的物种为主，且颗粒态I/SVOC的比例较高。在EVA中，I/S/LVOCs占总F-VOCs的56.5%

Dongyang Wu: 起草初稿、数据可视化、方法验证、实验设计、数据分析、概念构建。Qing’e Sha: 文章审稿与编辑、项目监督、资源协调、资金筹集、数据管理、概念构建。Luyun Liu: 实验设计、数据分析。Citao Zhang:Shan Jiang: 数据验证、数据分析。Qing Guo: 文章审稿与编辑。

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的研究结果。

致谢

本项目得到了中国国家自然科学基金（项目编号42305112）、中国国家重点研发计划（项目编号2022YFC3700604）以及广东省基础与应用基础研究基金（项目编号2025A1515011328）的支持。