教室粉笔气溶胶空间分布实验研究

胡晓红，田 帆，邱鹏程，王 苗，钟 瑶，仝庆华

(1.上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 杨浦区 200093;2.上海市特种设备监督检验技术研究院,上海 普陀区 200062)

粉笔尘是一类常见的影响广大师生健康的气溶胶。文献[1]为证实粉笔尘对教师健康的危害程度和危害性质，对教室粉笔尘进行了卫生学监测，结果表明教师作业点处的粉笔尘浓度大于卫生标准。文献[2]对粉笔尘的成分进行了分析，并研究了细粉笔颗粒物质(PM2.5)对大鼠肺泡巨噬细胞(AMS)的影响，研究结果表明粉笔PM2.5的细胞毒性可能与活性氧的产生有关。国内外关于粉笔的研究主要集中于粉笔的成分[3-4]和健康威胁方面[5]，并且有相应的除尘装置发明和无尘粉笔的研究，而对粉笔尘粒径大小、各粒径浓度分布等方面研究甚少。粒径大小决定了颗粒物在呼吸系统沉积的位置和数量，气溶胶颗粒物直径小于或等于10μm的颗粒(PM10)被世界卫生组织称为可吸入颗粒。PM10颗粒能通过呼吸进入人体的呼吸道，而PM2.5颗粒表面吸附的大量有毒有害物质，能进入血液循环到达其他器官[6-8]。据调查，目前常规学校的教学方式大部分是在教室内完成授课活动，并且在下雨或者寒冷天气教室门窗处于半关闭或者全关闭的状态[2,9]。本文利用超细颗粒气溶胶粒径谱仪研究门窗关闭情况下教室内粉笔气溶胶的粒径分布以及其在室内随时间扩散情况，对粉笔尘气溶胶颗粒空间分布进行初步研究。论文研究结果可为室内环境监测实验提供参考，并为粉笔尘对人体健康影响提供依据。

1 实验研究方法与过程

实验在上海理工大学一间可容纳80人的常规教室内进行，教室长9.9m，宽5.0m，高3.0m，共3扇窗(1.2m×1.4m)和2扇门(2.0m×0.9m)。为避免室外污染物的影响，实验在春季(3～4月)室外空气质量等级为轻度污染的天数进行。在门窗紧闭的情况下，先在黑板上进行正常板书，为防止书写时引起的粉笔灰对后续实验造成影响，静置3小时后测试教室本底气溶胶浓度。随后正常擦拭黑板，将Fidas-100超细颗粒气溶胶粒径谱仪置于讲台以及距离黑板不同位置的课桌上，对教室内粉尘浓度随时间变化情况进行监测。德国PALAS公司生产的Fidas-100超细颗粒气溶胶粒径谱仪器是一款超细颗粒气溶胶粒径谱仪，适用于测量超细颗粒质量和颗粒尺寸，仪器可每秒给出PM1、PM2.5、PM4、PM10、TSP(PMtot)颗粒数目。

2 黑板中心处粉笔气溶胶的扩散

如图1和图2所示，给出了擦黑板前后距黑板80cm(讲台处)不同粒径气溶胶的浓度分布情况。从图中可以看出，密闭情况下，擦黑板前PM1、PM2.5、PM4、PM10的浓度均小于100μg/m3；擦黑板后PM2.5、PM4、PM10值均显著上升，其中PM10值达1300μg/m3，较擦黑板前升高了近13倍，由此可见粉笔尘中PM10小粒径粉尘所占比例较大。从图2中还可看出，在擦拭黑板2min左右PM10粉笔尘气溶胶浓度达到最高值，之后开始下降，需28min后才能降至《室内空气质量标准》[10]规定的限定值150μg/m3，可见粉笔尘对教师的威胁不容忽视。粉笔尘除化学成分对人体危害外，另一重要危害在于其粒径，粒径越小，越容易被人体吸入呼吸道深处。从图2中粒径可看出，粉笔尘进入人体呼吸道深处及在肺泡沉积的可能性非常高；另外，细小的颗粒物表面过渡金属元素能诱导多种化学反应，产生活性氧自由基，对人体细胞组织与遗传基因造成氧化性损伤，最终导致疾病[11-13]。因此粉笔气溶胶的粒径大小、浓度分布以及其化学组分对认识教室颗粒物污染及其控制有重要意义。

图1 距黑板80 cm本底气溶胶浓度情况

图2擦黑板后距黑板80cm气溶胶浓度情况

如图3所示，给出了擦黑板后距黑板180cm气溶胶浓度变化情况。从图中可以看出，距离黑板180cm处(第一排课桌)气溶胶最大浓度较讲台处(距黑板80cm)减小，其中PM10的浓度值减少至一半，且其浓度达到峰值所需要的时间变长。可见粉笔尘对教师的危险较学生大，因教师所处位置可吸入颗粒浓度值更高。我国多项调查表明，教师的咽炎、支气管炎患病率明显高于行政管理人员[14]。表1给出了垂直黑板中心方向上不同位置处颗粒浓度情况。从表中可以看出，监测点距离黑板越远，气溶胶浓度峰值越低，浓度达到峰值所需要的时间越长。这主要是由于粉尘颗粒在扩散的过程中会不断地相互碰撞造成动能的损失而沉降、粗颗粒由于重力造成的沉降以及细颗粒凝聚形成沉降，以上3种原因均会使得空气中的粉尘颗粒浓度降低。而随着扩散时间的增加、扩散距离的增大均会引起粒子碰撞概率以及碰撞次数的增加，从而导致粉尘浓度的进一步降低。

图3 擦黑板后距黑板180 cm处气溶胶浓度变化情况

测量位置与黑板的垂直距离y/cmPM10达到的最高浓度/μg·m-3PM2.5达到的最大浓度/μg·m-3PM10浓度达到最大值所需时间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处粉笔气溶胶的浓度

表2中给出了擦拭黑板后平行黑板方向不同位置处PM10颗粒浓度情况。从表中可以看出，在同一横排测量结果中，粉笔气溶胶在中间位置(黑板正对位置)处测得浓度大于两侧浓度。在同一横排，靠窗位置处的气溶胶浓度值低于靠门和中间位置处，且粉笔气溶胶的峰值浓度不呈递减规律。这主要是由于靠窗侧，虽窗户关闭，但仍有室外新鲜空气从缝隙中进入室内，这部分气流会促使靠窗位置处的颗粒快速扩散，使其浓度降低。可见，为保证较好的室内空气品质，即便是寒冷的冬季也应保证一定开度的通风窗开启或采用合适的通风方式(如机械送风系统或负压通风系统)，保证教室内有足够高的换气次数，以助颗粒物扩散。从表2中可以看出，擦拭黑板造成教室颗粒物污染十分严重，使教室内靠近黑板侧一半区域的PM10气溶胶浓度超出我国室内空气质量标准颗粒物浓度限定值。为确保师生健康，需改善教学条件减少黑板书写或采用多媒体教学方式，以减少教室内颗粒污染物。

表2 擦拭黑板后平行黑板方向不同位置处PM10颗粒浓度

4 结束语

论文利用超细颗粒气溶胶粒径谱仪研究了教室内粉笔气溶胶的粒径分布以及其在室内随时间的扩散情况，对粉笔气溶胶颗粒空间分布进行初步研究。实验结果表明，讲台位置的粉笔气溶胶浓度上升最快并且峰值最高。教师长期的教学工作需要板书和擦黑板，距离黑板近，长时间吸入粉笔灰，其受到的伤害会比学生更大。因此，为保护广大师生的健康，必须改善教学条件或采用多媒体教学方式减少黑板书写，以减少教室内颗粒污染物。此外，对粉笔的研究不应仅局限于书写率、书写质量等方面，对其产生的粉尘粒径大小、凝聚情况等进行研究亦非常重要。在实验中发现，因外界环境空气从窗户渗入造成靠窗位置的气溶胶浓度较低，因此，即便是寒冷的冬季也应保证一定开度的通风窗开启或采用机械通风方式保证教室内通风情况，以保证较好的室内空气品质。