室内气溶胶纳米颗粒物的粒径分布特征

第24卷第5期2007年9月中国科学院研究生院学报

Journal of the G raduate School of the Chinese Academy of Sciences V ol. 24N o. 5

　

September 2007

文章编号:100221175(2007) 0520705205

简报

3

室内气溶胶纳米颗粒物的粒径分布特征

张元勋　杨传俊　陆文忠　杨永兴　张桂林　李　燕

(中国科学院上海应用物理研究所, 上海201800) (2007年1月19日收稿; 2007年5月28日收修改稿)

Zh ang YX, Yang CJ , Lu WZ, et al . Ch aracterizing of the size distribution of indoor airborne nanop article. J ournal of the Graduate School of the Chinese Academy of Sciences , 2007,24(5) :705～709

摘　要　T M

重要意义. 采用WPS M odel 1000XP 之间的气溶胶纳米颗粒物. 10径分布特征. (500nm ) 对总粒子数浓度贡献较大, 而细颗

, 导致室内颗粒物粒子质量浓度通常比室外低, . 抽烟明显增大纳米颗粒物粒子数浓度

. 研究表明, 室内空气质量对人体健康的影响可能超过室外, 应当引起足够的重视和关注. 关键词　纳米颗粒物, 粒径分布, 室内空气中图分类号　X51

1　引言

气溶胶是由固体颗粒、液体颗粒或液体及固体颗粒悬浮于气体介质中形成的均匀分散体系, 可长时

μ间悬浮于空气中. 气溶胶中存在着大量的可吸入颗粒物(Inhalable Particles ) , 即空气动力学直径≤10m

μ的微粒, 它们通过呼吸系统进入人体并滞留在不同部位. 粒径大于5m 的微粒易被呼吸道阻留, 部分由

μ咳嗽、吐痰等排出体外, 但对局部粘膜产生刺激作用, 可引起慢性鼻炎、咽喉炎. 而小于5m 的微粒可直

μμ接进入肺部使人致病, 特别是0101m (10nm ) 到011m (100nm ) 粒径的微粒有50%会沉积在肺中造成肺μ部硬化, 对人体健康造成极大的威胁. 通常将粒径小于011m 的微粒称为“超细微粒”或“纳米颗粒物”,

[1,2]

研究气溶胶纳米颗粒物与人体健康的关系已成为近年来室内空气质量研究领域的新亮点.

研究表明, 城市人口每天有80%以上的时间在室内度过, 而婴幼儿、孕产妇和老弱病残者等敏感人群在室内活动的时间更长. 室内不仅含有室外流入的污染颗粒物, 而且含有很多产生纳米微粒的污染源, 例如, 家用电器、化学品、建筑装饰材料以及取暖、烹调、吸烟等人类活动所产生的多种污染物. 现已

[4]

查明, 受污染的室内空气中存在着30余种致癌物质, 其中主要有多环芳烃及其衍生物、重金属(Pb 、As 、Hg 、Ni 、Cr 等) 、石棉和放射性物质如氡(Rn ) 等. 其中绝大多数是以吸附在颗粒物上而存在于室内空

3中国科学院知识创新工程重要方向性项目(K JCX31SY W. N3) 、上海市自然科学基金项目(05ZR14143) 和北京正负电子对撞机国家实验室项目(vr 207004) 资助 E 2mail :[email protected]. cn

[3]

706中国科学院研究生院学报第24卷

气环境中. 由于建筑物密闭程度的增加, 所以污染程度往往比室外更为严重. 因此, 深入研究室内气溶胶, 尤其是纳米粒径颗粒物的环境行为和污染特征对研究室内空气质量具有重要意义. 本文使用MSP 公司生产的WPS M odel 1000XP 宽范围粒径谱仪, 实时测量4个典型工作场所粒径介于10～10000nm 的气溶胶颗粒物, 主要探讨粒径在10～500nm 间的气溶胶纳米颗粒物在不同室内条件的粒径分布特征.

T M

[5]

2　实验方法

211　测量仪器

T M

使用美国MSP 公司生产的WPS M odel 1000XP 宽范围粒径谱仪, 该谱仪将激光颗粒光谱(LPS ) 、微分迁移率光谱(DMA ) 和浓缩颗粒计数器(CPC ) 技术相结合, 可测量粒径介于10～10000nm 的气溶胶颗粒

物分布. WPS 气溶胶采样器以110L Πmin 的采样速度进行采样, 采用宽范围粒径扫描模式(SWS ) , 在10～500nm 粒径范围内, 设置96个通道, 使用DMA 快速扫描模式工作, 每道测量时间为4s. 而在500～10000nm 粒径范围内, 设置19个通道, 使用LPS 模式同时进行工作. 为保证分析测量的准确性, 每次实

T M

地测量时重复4次, 整个过程大约需要30min.

212　测试点选择

针对不同的室内状况, 11, 各测试点的具体情况见表1. 为了与室外状况进行比较, 4(T .

表1A3A4A5B1B2B3C1D1D2

T

, 物理实验厅实验楼, 办公室实验楼, 办公室

走廊学生公寓楼, 走廊学生公寓楼, 房间学生公寓楼, 房间办公楼, 办公室会议中心, 走廊会议中心, 会议厅办公楼, 楼顶

m 151001225

地面结构水泥地水泥地木地板木地板水泥地地砖

室内状况装修后3年装修后3年装修后未使用装修后3年装修后3年装修后半年装修后半年刚装修完工装修后半年装修后1年装修后1年

202030

地砖地砖地砖地砖

300化纤地毯

室外

3　结果与讨论

311　粒子数浓度粒径分布

图1显示了11个不同室内测试点和对照点粒子数浓度粒径分布的拟合结果. 统计检验表明, 纳米颗粒物粒子数浓度呈现对数正态分布, 符合单峰模式的有A2和B1, 双峰模式的有A1、A3、A4、A5、B2、C1、D1和T , 三峰模式的有B3和D2. 峰值位置分布没有规律性, 粒子数浓度分布主要取决于室内实时

状况. D2、A1和C13个点粒子数浓度粒径分布都比室外小,A3、A4、B3和D14个点粒径100nm 以下的超

细颗粒物粒子数浓度比室外大, 而粒径大于100nm 的细颗粒粒子数浓度比室外小. A5走廊的门直接和外界相连, 因此它和室外大气的纳米颗粒物分布最接近. D1粒子数浓度最高, 为2116×10Πm L , 比室外

6

参照点T 的粒子数浓度1140×10Πm L 高出50%, 由于会议中心的室内为非抽烟区, 抽烟需在D1走廊

6

内, 由此形成的烟雾导致超细颗粒物浓度严重升高.

μμ将粒径为0101～10m 的颗粒物细分为4级进行统计(10～100nm 、100～524nm 、01524～21739m 、

　第5期张元勋, 等:室内气溶胶纳米颗粒物的粒径分布特征7　　07　

μ21739～10m ) , 并计算室内与室外的粒子数浓度之比(I ΠO ) , 结果列于表2. 发现有4个测试点的总浓度比室外高, 其余各点接近或比室外低. 从I ΠO 结果可以看到, 各测试点第1分级(10～100nm ) 的I ΠO 值都比粒径较大的其他3个分级大, 而且大部分测试点第1分级的粒子数比室外参照点T 的粒子数高, 表明10～100nm 的超细纳米颗粒物不仅来自室内, 还有来自室外的污染, 它对室内空气粒子数浓度贡献最大. 室内汇聚了大量的超细粒子, 粒径越小, 其比表面积越大, 越容易吸附有毒有

[6,7]

害物质, 进入肺部, 引起各种疾病.

图1　室内环境粒子数浓度的粒径分布　

表2　不同粒径范围的粒子数浓度和室内外比值

size A1A2A3A4A5B3C1D1D2

T

10～100nm

n Πm L

100～524nm

n Πm L

μ0. 524～2. 739m

n Πm L

μ2. 739～10m

n Πm L

μ0. 01～10m

I ΠO 0. 2851. 0962. 2331. 0. 9051. 5850. 2642. 0990. 395

I ΠO 0. 5720. 1280. 0. 2960. 1620. 1660. 1210. 4020. 2130. 181

I ΠO 0. 1. 1450. 1590. 1570. 1120. 4660. 1150. 156

I ΠO 0. 0. 6480. 3211. 0300. 2860. 3760. 6760. 1360. 2730. 197

I ΠO 0. 8061. 6280. 8751. 0670. 7640. 6841. 1470. 3051. 5340. 331

[***********][***********][***********]87410

[***********][***********][**************]09

[***********][***********]

843. 711. 93. 34. 37. 81. 63. 22. 311. 6

[***********][***********][***********][1**********]41

312　粒子质量浓度粒径分布

图2是粒子质量浓度粒径分布拟合结果. 由图2可见, 粒子质量浓度主要呈单峰模式, 符合对数正态分布. A5点的质量

33

浓度为2131×10μg Πm , 高出室外T 参照点粒子质量浓度

33

(1175×10μg Πm ) 的20%, 其余各测试点的室内粒子质量浓度都比室外低. 由于A5是走廊, 室内外气溶胶融于一体, 加上人员走动影响, 导致A5质量浓度为最高. 从图1中的粒子数浓

度粒径分布已经知, 粒径100nm 的细颗粒对质量浓度贡献较大.

图2　室内粒子质量浓度粒径分布　

μ同样, 对粒径为0101～10m 的颗粒物细分为4级进行统

计, 计算室内外的粒子质量浓度比值(表3) . 从表3中各分级的I ΠO 值可见, 除了走廊A5处质量浓度I ΠO 值略高外, 其余室内颗粒物质量浓度明显都要比室外低. 这表明, 室内颗粒物质量浓度呈现比室外低的特征, 表现出室内污染以纳米粒径超细颗粒物为主的特点.

708中国科学院研究生院学报

表3　不同粒径范围的粒子质量浓度和室内外比值

size A1A2A3A4A5B1B2B3C1D1D2

T

第24卷

10～100nm (μm Πg Πm 3)

[***********]345928109

I ΠO 0. 3760. 3221. 0060. 7441. 1730. 5140. 5350. 6440. 3150. 5390. 260

100～524nm (μm Πg Πm 3) [***********][**************]7

1640

I ΠO 0. 5980. 1150. 1190. 1871. 3320. 1180. 1310. 0840. 4390. 1500. 187

μ0. 524～2. 739m

(μm Πg Πm 3) [***********][***********]

I ΠO 0. 7040. 1910. 1690. 1691. 1030. 1890. 1900. 2070. 4310. 1400. 147

μ2. 739～10m

(μm Πg Πm 3) 74. 8208. 6226. 8116. 0373. 184. 6131. 0230. 541. 089. 412

I ΠO 0. 2140. 5970. 6500. 3321. 0680. 2420. 3750. 6600. 1170. 2560. 198

μ0. 01～10m

(μm Πg Πm 3) [***********][**************]I ΠO 0. 5770. 2010. 2280. 2191. 2270. 1680. 1920. 2080. 3950. 1730. 179

313　抽烟前后的粒径分布

, , 环境中的烟草烟雾也是室内气溶胶的

[8]

, .

2

在25m 办公室(A4) 内, 分别测定抽8支红梅牌香烟前后的颗

粒物粒径分布, 图3显示了抽烟前后室内空气纳米颗粒物的粒径分布拟合结果. 由图3可见, 抽烟前, 粒子数浓度粒径分布呈现双峰模式, 峰位置在18nm 和53nm. , 纳米级粒子数浓度为

623

1123×10Πm L , 粒子质量浓度为3187×10μg Πm . 抽烟后, 粒子数浓度呈单峰分布, 纳米级粒子数浓度升高到1103×10Πm L ,

33

g Πm . 可见, 吸烟前后室内纳粒子质量浓度升高到8164×10μ

米颗粒物粒子数浓度和粒子质量浓度的粒径分布发生了显著变化, 其浓度分别增加了1个数量级. 虽然香烟的过滤嘴能过

[9]

滤掉粒径>500nm 以上的粒子, 但它对于纳米量级的烟雾颗

7

图3　室内吸烟前后的粒子数浓度和粒子

质量浓度的粒径分布　

粒几乎不起任何作用. 由于烟草的烟雾中含有3800余种化合物, 含有较高浓度的苯、C O 、尼古丁、多环芳

[10]

烃(PAHs ) 、醛等有害物质, 使各种呼吸系统、肺癌发病率的相对危险度增加数倍. 因此, 建立吸烟有害健康的理念, 保持室内通风, 减少室内扬尘, 切断室外颗粒物污染源, 有助于减小室内颗粒物浓度.

4　结论

本研究表明, 室内与室外空气质量存在显著的差异. 室内超细纳米颗粒物对总粒子数浓度贡献较大, 而细颗粒物对总粒子质量浓度贡献较大, 导致室内颗粒物粒子质量浓度通常比室外低. 由于室内环境中的悬浮颗粒物可能来自室外污染源(包括自然源和人为源) , 也可能来自室内污染源(抽烟、壁炉、烹调、家电、打扫等室内活动引起的颗粒物重新悬浮等) , 且呈现以纳米粒径超细颗粒物为主的特点, 粒径虽然小, 但颗粒数目浓度极大, 超细微粒对人体的伤害比非超细微粒要大得多. 所以, 室内空气质量对人体健康的影响可能超过室外, 应当引起足够的重视和关注.

室内抽烟明显增大纳米颗粒物粒子数浓度和粒子质量浓度, 对吸烟者本人和被动吸烟者都会产生极大的危害. 人的一生中绝大部分时间在室内度过, 所以从人体健康角度来看, 控制和降低室内空气污染显得更为迫切和重要.

　第5期张元勋, 等:室内气溶胶纳米颗粒物的粒径分布特征7　　09　

感谢科艺仪器有限公司上海代理处的设备支持.

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Characterizing of the size distribution of indoor airborne nanoparticle

ZH ANG Y uan 2Xun 　Y ANG Chuan 2Jun 　LU Wen 2Zhong 　Y ANG Y ong 2X ing 　ZH ANG G ui 2Lin 　LI Y an

(Shanghai Institute o f Applied Physics , Chinese Academy o f Sciences , Shanghai 201800, China )

Abstract 　The number and mass concentrations of aeros ol particulate size ranging from 10to 10000nm in indoor and outdoor air was measured using wide range particle spectrometer (M odel 1000XP WPS ) produced by MSP C orporation , and the nanoparticle size (10～500nm ) in various room conditions was highlighted. It was found that the ultrafine particles (10～500nm ) has m ore contribution to the total number concentration , and the fine particles (500～10000nm ) has m ore contribution to the total mass concentration. The results als o showed that the mass concentration of indoor fine particulates was lower than that of outdoor and the nanoparticles are dominant in indoor atm osphere. The number or mass concentrations of nanoparticle increases greatly when sm oking happens. K ey w ords 　nanoparticle , size distribution , indoor atm osphere