074室内微细颗粒污染物的研究发展全文

室内微细颗粒污染物的研究发展中南大学吕琪铭邓启红黄钊邓权威摘要：微细颗粒污染物大量悬浮于人们赖以生存的大气中，它极易被人体吸入，对人类健康造成严重威胁。本文通过对国内外在颗粒物的物性、来源、传输行为以及控制技术等方面的研究状况分析，展望我国在微细颗粒污染物研究领域的发展前景。关键词：微细颗粒污染物；室内空气品质；污染源；净化机理；低温等离子体AReviewonIndoorUltra-fineParticulateMatterLüQiming,DengQihong,HuangZhao，DengQuanwei(SchoolofEnergyScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha,Hunan410083,China)Abstract:Ultra-fineparticulatematterlargelysuspendingintheairisoneofmajorindoorpollutantsources,mainlyproducedfrommotorvehiclesexhaustemission,theburningoffossilfuelandtobaccosmoking.Sinceitcanbebreathedintoourrespiratoryorbloodcirculationsystems,Ultra-fineparticulatemayleadtorespiratorydiseaseand/orlungcancer.Thisstudyreviewscurrentunderstandingofthecharacteristics,sourcesandtransportfateofparticulates,whileprospectstheorientationoftheresearchonultra-fineparticulatematter.Keyword:ultra-fineparticulatematter;IAQ;pollutantsource;purificationmechanism;lowtemperatureplasma1引言近年来，随着我国工业生产、交通运输等行业迅速发展，城市中的办公楼宇、居民住宅、公共建筑的装修不断升级，使得室内空气污染的来源和影响因素愈趋复杂化。另一方面，由于生活形态和消费观念的改变，现代人在室外工作休闲的时间减少，而停留在室内的时间增长（约占一天80%~90%的时间）。因此，如何减少室内空气污染，创造清洁的居室环境，对维持人体健康起着重要作用。空气中悬浮颗粒物（suspendedparticulatematter,SPM）是空气污染物中的一种，它包括所有分散和悬浮在空气中的液体或固体颗粒污染物，其粒径范围从几纳米（nm）到几百微米（μm）。根据粒径d大小的差异，可以作出如下分类：①粗颗粒物（coarseparticulate），粒径范围d﹥10μm（以PM30为代表）；②细颗粒物（fineparticulate），粒径范围2.5μm﹤d﹤10μm（以PM10为代表）；③微细颗粒物（ultra-fineparticulate）,粒径范围d﹤2.5μm（以PM2.5为代表）。粗颗粒污染物多产生于固体破碎、燃烧残余物的结块等，在重力作用下可以降落；细颗粒污染物PM10多产生于工业废气排放、机动车尾气以及煮食烹饪等，大部分可以被鼻黏膜过滤，很少能进入呼吸系统；而微细颗粒污染物PM2.5易富集空气中的有毒重金属、酸性氧化物、有机污染物、细菌和病毒等，能在人体呼吸系统深处沉积并对人类的生命安全造成威胁。由此可见，研究微细颗粒污染物PM2.5的浓度分布与变化规律及其对人体健康的影响在室内空气污染研究领域中显得尤为重要。我国在该领域的科学研究起步较晚，目前尚未建立完善的颗粒污染物，特别是微细颗粒污染物（如PM2.5）的监测机制。室内颗粒污染检测技术、量化评估及其对人体健康危害的影响评价远不能满足相关管理部门的决策需要。因此，对我国室内微细颗粒物污染状况和改善措施进行研究是治理室内空气污染的必要环节。解决室内微细颗粒物的污染问题，为人们营造清洁、舒适和安全的家居生活与工作环境，可以有效地提高人们的生活质量和工作效率，将积极推动人类环境与社会可持续健康发展。2颗粒污染物的基础理论研究室内颗粒污染物对人体健康的影响，从而提出行之有效的控制方法是个相当复杂的过程，如图1所示，该过程包含室内颗粒污染物源，浓度分布关系，暴露评价，潜在剂量，人体健康效应。室内颗粒污染物的浓度、粒径分布变化与室内外污染源的强度、通风率、建筑结构等因素有关。此关图1颗粒污染物的研究过程浓度分布暴露评价吸入剂量健康评价控制方法污染源系通常根据质量守恒建立最简单的室内空气品质IAQ模型计算：MGCGCdCVi+−=di0τ（2-1）式中：Ci为室内污染物的浓度；Co为室外污染物的浓度量；V为外界面（如皮肤、鼻、口）与污染物接触的定性和定量评价，它描述接触的强度、（2-2）式中：E为暴露水平；C为暴露浓度；t为时间；t2-t1为暴露持续时间。摄入过程的剂量可以用式（2-3）计算（2-3）式中：Dpot为潜在剂量；IR(t)为吞咽或吸入速率。反应或病症。3国内外研究现状3.1微细颗粒污染物的物性、石油燃料、烟草等燃烧后产生，是一种成分非常复杂的混合物，具；M为室内污染源散发浓度；G为通风房间的有效体积。暴露评价是指人体频率和持续时间，并评价污染物质透过界面的速率、途径以及最终透过量和吸收量。暴露水平通常用公式（2-2）计算[1]：∫=21)(ttdttCE剂量是接触吸收界面（如皮肤、肺、胃肠道）并被吸收的污染物的量。[1]：∫=21)()(ttpotdttIRtCD人体健康效应是指颗粒污染物作用于人体的不良微细颗粒污染物主要由木材2有复围的微细颗粒物的沉降、穿透、再扬尘等物理特性进行研究微细颗粒污染物的来源不同，其化学成分也不尽相同。细颗粒主要是人为活动的产物。化工生产污染物极易进入呼吸系统深处，危害人体健康，这一现象引起国内外医学界的关注。如果颗微细颗粒污染物的来源源于室外污染源和室内污染源。室外污染源主要包括无植被覆盖的土壤、无烟家庭杂的物理特性、化学特性，甚至毒性。美国加利福尼亚大学对粒径分布在不同范，结果表明：粒径越大的颗粒污染物沉降得越快，易被阻挡，但容易再扬尘；而粒径越小的颗粒污染物沉降速率越慢（约为1.2mh-1），穿透墙体能力越强（如建筑围护结构对粒径在1~3μm范围内的微细颗粒几乎失去过滤作用）[2]。由此可见，微细颗粒物在空间的长时间停留大大增高了被人体吸入的几率。根据排放的颗粒物除了含有Pb、Cr、Mn等有毒元素，硫酸盐、硝酸盐及多种氧化物外，还含有大量的有机成分如多环芳烃（PAH）、硝基等。机动车排放的尾气主要附着多环芳烃，由光化学反应形成的二次污染主要还包含了C2-C36正烃类有机污染物。有机颗粒物的粒径一般都较小，多数分布在0.1~5μm的范围内，其中有55.7%粒子集中于粒径0.1~2μm范围[1]。研究表明：附载在细颗粒物上的正构烷烃和多环芳烃含量明显高于粗颗粒，如图2所示为吸附在不同粒径范围颗粒物的烷烃、多环芳烃占PM10的百分比[3]。微细颗粒粒污染物表面吸附着有害气体（如SO2、HF、Cl2等），被人体吸入后可刺激和腐蚀呼吸道黏膜，长期作用可引发慢性支气管炎、肺气肿、哮喘等呼吸系统疾病；而含有多环芳烃（PAHs）成分的颗粒污染物，是致癌、致畸、致突变的主要物质[4]。近年来的流行病学表明，微细颗粒污染物（PM2.5）的浓度与疾病的发病率和死亡率是密切相关的，其中PM2.5浓度每上升10μg/m3，心脑血管疾病、心肺疾病以及肺癌的患病率分别上升4%，6%，8%[5]。基于对这一发现高度重视，各国相关部门做出相应的规定。例如，为了避免过量的苯并芘（BAP）对人们的呼吸系统和血液系统产生不良影响,美国环保总署(EPA)规定室外空气中BAP的浓度要低于3μg/m3[6]。此外，煤矿产品暴露过量可能导致煤矿工人患肺癌、皮肤癌的几率上升，美国职业安全健康研究院对煤矿产品的暴露量作了一系列的限定[7]。烷烃多环芳烃d≤0.49μmd≤1.5μm020406080100图2附载化学成分的颗粒占PM10的百分比3.2室内微细颗粒污染物主要来风沙、尘土，海水雾滴；化工生产中的不完全燃烧形成的碳粒；机械加工的金属碎末；机动车排放的尾气产物及其在空气中由于光化学反应形成的二次污染物气溶胶；寺庙燃烧的拜香产物等[8]。室内最大的微细颗粒污染源是燃点香烟产生的微粒。NewYorkState研究显示，见图3，对于，室内PM2.5的浓度约为15μg/m3，其中60%来自室外污染源，40%来自室内未定义污染源；对于54%30%16%60%40%（1）室内有吸烟情况（2）室内无吸烟情况室内香烟产物室外污染源室内未定义污染源图3各种微细颗粒污染源在室内的影响比例3吸烟家庭，室内PM2.5的浓度约为49μg/m3，室内吸烟占54%，室外污染占30%，室内未定义污染占16%[9]。在过去二十年，哈佛大学公共卫生学院曾对哈佛六个城市1400个家庭进行检测，结果在所有吸烟的家庭中室内微细颗粒物浓度几乎都大于室外微细颗粒物的浓度，香烟产物是室内最主要的颗粒污染来源[10]。美国ResearchTriangleInstitute对NewYorkState的居民住宅中可能产生微细颗粒物的污染源，如香烟、煤油炉、瓦斯炉、木炭炉等进行取样检测，并评估其燃烧产物的成分与质量，同样指出燃点香烟比其他燃烧产生更多的PM2.5[11]。美国EPA开展的众多颗粒物浓度检测表明，在室内的各种燃烧中，燃点香烟使微细颗粒物PM2.5的浓度明显增加；烹饪产生大量的PM10，和少量的PM2.5[12-14]。表1列出在各研究中香烟产物对室内微细颗粒污染物的贡献量。表1吸烟对室内微细颗粒污染物的贡献量课题研究PM2.5浓度的日平均增量来源哈佛六市68个家庭（PM3.5样本）（无空调）每支烟0.88μg/m3（有空调）每支烟1.23μg/m3Dockery&Spengler（1981b）[10]Onondaga45μg/m3Sheldonetal.（1989）[11]NewYorkSuffolk47μg/m3Sheldonetal.（1989）[11]California178个家庭30~35μg/m3Özkaynaketal.（1995）[15]3.3微细颗粒污染物的传输微细颗粒污染物进入室内的途径主要有两种：一种是人为带入室内，例如，工作环境中的颗粒污染物因黏附于工作服而跟随人体进入居室。另一种是通风引入室内，借助门窗的自然通风或空调的通风系统进入房间。人为带入颗粒污染物可以通过采取简单措施避免，但借助通风方式引入的颗粒污染物却很难去除。在过去三十年，人们通过建立室内空气品质IAQ模型分析室内外污染浓度以及通风参数之间的关系。Shair等人针对室内气态污染物提出了一个良好混合反应器模式，如图4，该模型假定室内污染源s是稳定的、室外污染物浓度Co按时间正弦变化以及部分组分发生化学反应，并通过实验修正模型[16-19]。此后，Ishizu等人假定室内污染源s不稳定，进入空气与室内空气的混合是瞬间完成，建立了混合因子模式，如图5[20]。该模式克服了将室内有害物散发速度视作常数的缺陷，但缺乏对室外有害源特征的考虑，特别是室外存在与室内源相近的污染源时，它可能反映不了联合的叠加效应[1]。当室内污染物具有明显的颗粒物性状时，Dockery等人提出了另一种预测模型，即质量平衡模式[21]。该模型提出的背景是为了描述自然通风条件下，居住室内存在烟雾发生源和考虑大气中粒径小于0.1μm的超细颗粒在室内发生聚合、转化和沉积等效应而得到的。与混合因子模式不同的是，它强调了室内有害物因沉积、转化和发生反应而表现出的衰减特征。随后，不少研究者分别针对COx、VOCs、O3、NOx或香烟烟雾等污染物进一步提出新的数学