胡曉紅，田 帆，邱鵬程，王 苗，鐘 瑤，仝慶華

(1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 楊浦區(qū) 200093;2.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院,上海 普陀區(qū) 200062)

粉筆塵是一類常見的影響廣大師生健康的氣溶膠。文獻(xiàn)[1]為證實(shí)粉筆塵對(duì)教師健康的危害程度和危害性質(zhì)，對(duì)教室粉筆塵進(jìn)行了衛(wèi)生學(xué)監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明教師作業(yè)點(diǎn)處的粉筆塵濃度大于衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[2]對(duì)粉筆塵的成分進(jìn)行了分析，并研究了細(xì)粉筆顆粒物質(zhì)(PM2.5)對(duì)大鼠肺泡巨噬細(xì)胞(AMS)的影響，研究結(jié)果表明粉筆PM2.5的細(xì)胞毒性可能與活性氧的產(chǎn)生有關(guān)。國內(nèi)外關(guān)于粉筆的研究主要集中于粉筆的成分[3-4]和健康威脅方面[5]，并且有相應(yīng)的除塵裝置發(fā)明和無塵粉筆的研究，而對(duì)粉筆塵粒徑大小、各粒徑濃度分布等方面研究甚少。粒徑大小決定了顆粒物在呼吸系統(tǒng)沉積的位置和數(shù)量，氣溶膠顆粒物直徑小于或等于10μm的顆粒(PM10)被世界衛(wèi)生組織稱為可吸入顆粒。PM10顆粒能通過呼吸進(jìn)入人體的呼吸道，而PM2.5顆粒表面吸附的大量有毒有害物質(zhì)，能進(jìn)入血液循環(huán)到達(dá)其他器官[6-8]。據(jù)調(diào)查，目前常規(guī)學(xué)校的教學(xué)方式大部分是在教室內(nèi)完成授課活動(dòng)，并且在下雨或者寒冷天氣教室門窗處于半關(guān)閉或者全關(guān)閉的狀態(tài)[2,9]。本文利用超細(xì)顆粒氣溶膠粒徑譜儀研究門窗關(guān)閉情況下教室內(nèi)粉筆氣溶膠的粒徑分布以及其在室內(nèi)隨時(shí)間擴(kuò)散情況，對(duì)粉筆塵氣溶膠顆?？臻g分布進(jìn)行初步研究。論文研究結(jié)果可為室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)提供參考，并為粉筆塵對(duì)人體健康影響提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)研究方法與過程

實(shí)驗(yàn)在上海理工大學(xué)一間可容納80人的常規(guī)教室內(nèi)進(jìn)行，教室長9.9m，寬5.0m，高3.0m，共3扇窗(1.2m×1.4m)和2扇門(2.0m×0.9m)。為避免室外污染物的影響，實(shí)驗(yàn)在春季(3～4月)室外空氣質(zhì)量等級(jí)為輕度污染的天數(shù)進(jìn)行。在門窗緊閉的情況下，先在黑板上進(jìn)行正常板書，為防止書寫時(shí)引起的粉筆灰對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)造成影響，靜置3小時(shí)后測(cè)試教室本底氣溶膠濃度。隨后正常擦拭黑板，將Fidas-100超細(xì)顆粒氣溶膠粒徑譜儀置于講臺(tái)以及距離黑板不同位置的課桌上，對(duì)教室內(nèi)粉塵濃度隨時(shí)間變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。德國PALAS公司生產(chǎn)的Fidas-100超細(xì)顆粒氣溶膠粒徑譜儀器是一款超細(xì)顆粒氣溶膠粒徑譜儀，適用于測(cè)量超細(xì)顆粒質(zhì)量和顆粒尺寸，儀器可每秒給出PM1、PM2.5、PM4、PM10、TSP(PMtot)顆粒數(shù)目。

2 黑板中心處粉筆氣溶膠的擴(kuò)散

如圖1和圖2所示，給出了擦黑板前后距黑板80cm(講臺(tái)處)不同粒徑氣溶膠的濃度分布情況。從圖中可以看出，密閉情況下，擦黑板前PM1、PM2.5、PM4、PM10的濃度均小于100μg/m3；擦黑板后PM2.5、PM4、PM10值均顯著上升，其中PM10值達(dá)1300μg/m3，較擦黑板前升高了近13倍，由此可見粉筆塵中PM10小粒徑粉塵所占比例較大。從圖2中還可看出，在擦拭黑板2min左右PM10粉筆塵氣溶膠濃度達(dá)到最高值，之后開始下降，需28min后才能降至《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[10]規(guī)定的限定值150μg/m3，可見粉筆塵對(duì)教師的威脅不容忽視。粉筆塵除化學(xué)成分對(duì)人體危害外，另一重要危害在于其粒徑，粒徑越小，越容易被人體吸入呼吸道深處。從圖2中粒徑可看出，粉筆塵進(jìn)入人體呼吸道深處及在肺泡沉積的可能性非常高；另外，細(xì)小的顆粒物表面過渡金屬元素能誘導(dǎo)多種化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生活性氧自由基，對(duì)人體細(xì)胞組織與遺傳基因造成氧化性損傷，最終導(dǎo)致疾病[11-13]。因此粉筆氣溶膠的粒徑大小、濃度分布以及其化學(xué)組分對(duì)認(rèn)識(shí)教室顆粒物污染及其控制有重要意義。

圖1 距黑板80 cm本底氣溶膠濃度情況

圖2擦黑板后距黑板80cm氣溶膠濃度情況

如圖3所示，給出了擦黑板后距黑板180cm氣溶膠濃度變化情況。從圖中可以看出，距離黑板180cm處(第一排課桌)氣溶膠最大濃度較講臺(tái)處(距黑板80cm)減小，其中PM10的濃度值減少至一半，且其濃度達(dá)到峰值所需要的時(shí)間變長?？梢姺酃P塵對(duì)教師的危險(xiǎn)較學(xué)生大，因教師所處位置可吸入顆粒濃度值更高。我國多項(xiàng)調(diào)查表明，教師的咽炎、支氣管炎患病率明顯高于行政管理人員[14]。表1給出了垂直黑板中心方向上不同位置處顆粒濃度情況。從表中可以看出，監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離黑板越遠(yuǎn)，氣溶膠濃度峰值越低，濃度達(dá)到峰值所需要的時(shí)間越長。這主要是由于粉塵顆粒在擴(kuò)散的過程中會(huì)不斷地相互碰撞造成動(dòng)能的損失而沉降、粗顆粒由于重力造成的沉降以及細(xì)顆粒凝聚形成沉降，以上3種原因均會(huì)使得空氣中的粉塵顆粒濃度降低。而隨著擴(kuò)散時(shí)間的增加、擴(kuò)散距離的增大均會(huì)引起粒子碰撞概率以及碰撞次數(shù)的增加，從而導(dǎo)致粉塵濃度的進(jìn)一步降低。

圖3 擦黑板后距黑板180 cm處氣溶膠濃度變化情況

測(cè)量位置與黑板的垂直距離y/cmPM10達(dá)到的最高濃度/μg·m-3PM2.5達(dá)到的最大濃度/μg·m-3PM10濃度達(dá)到最大值所需時(shí)間t/min801 313.11230.962180587.18114.334280516.81109.276380499.18112.678480384.0093.619580190.2561.549

3 平行黑板方向不同位置處粉筆氣溶膠的濃度

表2中給出了擦拭黑板后平行黑板方向不同位置處PM10顆粒濃度情況。從表中可以看出，在同一橫排測(cè)量結(jié)果中，粉筆氣溶膠在中間位置(黑板正對(duì)位置)處測(cè)得濃度大于兩側(cè)濃度。在同一橫排，靠窗位置處的氣溶膠濃度值低于靠門和中間位置處，且粉筆氣溶膠的峰值濃度不呈遞減規(guī)律。這主要是由于靠窗側(cè)，雖窗戶關(guān)閉，但仍有室外新鮮空氣從縫隙中進(jìn)入室內(nèi)，這部分氣流會(huì)促使靠窗位置處的顆粒快速擴(kuò)散，使其濃度降低?？梢姡瑸楸ＷC較好的室內(nèi)空氣品質(zhì)，即便是寒冷的冬季也應(yīng)保證一定開度的通風(fēng)窗開啟或采用合適的通風(fēng)方式(如機(jī)械送風(fēng)系統(tǒng)或負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng))，保證教室內(nèi)有足夠高的換氣次數(shù)，以助顆粒物擴(kuò)散。從表2中可以看出，擦拭黑板造成教室顆粒物污染十分嚴(yán)重，使教室內(nèi)靠近黑板側(cè)一半?yún)^(qū)域的PM10氣溶膠濃度超出我國室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)顆粒物濃度限定值。為確保師生健康，需改善教學(xué)條件減少黑板書寫或采用多媒體教學(xué)方式，以減少教室內(nèi)顆粒污染物。

表2 擦拭黑板后平行黑板方向不同位置處PM10顆粒濃度

4 結(jié)束語

論文利用超細(xì)顆粒氣溶膠粒徑譜儀研究了教室內(nèi)粉筆氣溶膠的粒徑分布以及其在室內(nèi)隨時(shí)間的擴(kuò)散情況，對(duì)粉筆氣溶膠顆?？臻g分布進(jìn)行初步研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，講臺(tái)位置的粉筆氣溶膠濃度上升最快并且峰值最高。教師長期的教學(xué)工作需要板書和擦黑板，距離黑板近，長時(shí)間吸入粉筆灰，其受到的傷害會(huì)比學(xué)生更大。因此，為保護(hù)廣大師生的健康，必須改善教學(xué)條件或采用多媒體教學(xué)方式減少黑板書寫，以減少教室內(nèi)顆粒污染物。此外，對(duì)粉筆的研究不應(yīng)僅局限于書寫率、書寫質(zhì)量等方面，對(duì)其產(chǎn)生的粉塵粒徑大小、凝聚情況等進(jìn)行研究亦非常重要。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，因外界環(huán)境空氣從窗戶滲入造成靠窗位置的氣溶膠濃度較低，因此，即便是寒冷的冬季也應(yīng)保證一定開度的通風(fēng)窗開啟或采用機(jī)械通風(fēng)方式保證教室內(nèi)通風(fēng)情況，以保證較好的室內(nèi)空氣品質(zhì)。