空調濾網灰塵中多環芳烴分布特征及來源研究

周宏倉,張翠翠,蔡華俠,宋園園,薛鴻斌 (南京信息工程大學環境科學與工程學院,江蘇 南京 210044)

空調濾網灰塵中多環芳烴分布特征及來源研究

周宏倉*,張翠翠,蔡華俠,宋園園,薛鴻斌 (南京信息工程大學環境科學與工程學院,江蘇 南京 210044)

利用氣相色譜-質譜法對6臺置于不同室內環境的空調濾網灰塵中16種優控多環芳烴(PAHs)進行分析測定.結果表明,6臺置于不同室內環境的空調濾網灰塵中16種PAHs均可檢出,且總濃度水平差異顯著,∑PAHs為0.475～13.090μg/g,平均濃度4.345μg/g,其中餐館∑PAHs的濃度最高;PAHs單體濃度也存在著較大的差異,其中苯并[a]蒽(BaA)的含量最高,其次為(Chr),苊(AcP)含量最低;6臺置于不同室內環境的空調濾網灰塵中PAHs的環數分布特征較為相似,4環和5環PAHs占優勢,平均比例分別為38.3%和28.3%;家居室ρ(BaA)/ρ(Chr)為0.680,餐館中ρ(BaA)/ρ(Chr)為1.564,初步判定2類主要的PAHs污染源分別是煙草煙氣的燃燒源和烹飪源;6臺置于不同室內環境的空調濾網灰塵中PAHs毒性當量差異明顯,其中苯并[a]芘(BaP)的毒性當量平均占55.7%.

空調濾網；灰塵；多環芳烴；毒性當量

Abstract：GC-MS technique was applied to determine 16 priority-controlled polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in dusts from air conditioner filters under six different indoor environments. 16 priority-controlled PAHs were detected in dusts from six air conditioner filters with a significant difference in concentration and with the highest PAHs concentration of 13.090μg/g in the restaurant. The average concentration of PAHs in dusts from six air conditioner filters is 4.345μg/g. There are also significant differences in the single PAH concentration with the highest concentration of BaA, followed by Chr, and the concentration of AcP is the lowest. The ring number distribution of PAHs is similar in the six air conditioner filters, dominated by 4- and 5-ring PAHs with the average percentage of 38.3% and 28.3% respectively. The ratio of mass concentration of BaA to Chr is 0.680 in the living room and 1.564 in the restaurant, from which it can be judged that the two main sources of PAHs are the smoke of tobacco combustion and cooking respectively. The TEQs of PAHs have an obvious difference, and the TEQ of BaP accounts for an average of 55.7%.

Key words：air conditioner filter；dust；polycyclic aromatic hydrocarbons；toxicity equivalent

空調對室內空氣具有降溫、除濕、升溫、凈化等用途,已成為人們舒適生活的必需品.室內空調若長期不進行維護清洗,濾網上就會粘附一定的灰塵,灰塵中富集病菌、重金屬、多環芳烴(PAHs)等污染物,其中PAHs對人體健康的威脅極大.許多 PAHs對人和動物都具有致癌、致畸和致突變特性,其人為來源包括煤、石油、木材、煙草等不完全燃燒[1-3].高環PAHs由于具有高沸點、低飽和蒸氣壓的特點,易于吸附在細顆粒物表面上,通過呼吸道、消化道、皮膚等進入人體而誘發各種疾病[4-6].夏季使用空調時,PAHs會在空調濾網灰塵中富集,如空調停止使用后至冬季使用制熱模式前,未能及時清除濾網灰塵,其吸附的一部分PAHs就會再次揮發至室內空氣中或參與到冷熱空氣的交換循環,造成二次污染,危害人體健康.

國內外一些關于室內PAHs污染特征與污染源的研究[7-10]表明,室內活動如烹飪、燃煤/氣、吸煙等產生的PAHs污染水平比室外更為嚴重,室內PAHs的污染特征在不同季節和不同溫度下有顯著的差別.朱利中等[6]對室內空氣中PAHs污染特征及來源進行了分析比較,得出室內空氣中PAHs濃度變化較大,苯并[a]芘(BaP)主要來自室內抽煙.Li等[11]、Ohura等[12]和Lu等[13]發現中低環PAHs主要來自人為的室內活動,與室外環境無明顯的相關性.關于大氣顆粒物中PAHs污染特征及污染源也有一定的研究,楊金香等[14]和劉頤婷等[15]對不同功能區大氣顆粒物中PAHs污染特征進行了研究,得出不同環數PAHs所占比例較一致,4、5環PAHs占優勢;戴莉等[16]和段菁春等[17]還對區域大氣顆粒物中PAHs的來源識別做了相關的分析和研究.目前國內外針對室內空調濾網灰塵中PAHs分布特征展開全面研究的相關報道很少.

本文利用氣相色譜-質譜聯用儀(GC-MS)對6臺置于不同室內環境的空調濾網灰塵中的16種PAHs進行分析測定,研究不同室內環境下空調濾網灰塵中PAHs的濃度、分布特征及其毒性當量,為研究室內環境中PAHs污染的控制和治理提供依據.

1 實驗部分

1.1樣品采集

選取6臺置于不同室內環境的空調,采集空調濾網上的灰塵樣品,采集后的灰樣置入棕色樣品瓶避光保存.各采樣點的基本情況如表1所示.

表1 各空調采樣點主要特點描述Table 1 The main features of all sampling points

1.2樣品預處理

將采集的灰樣稱重后轉移至濾紙筒,加入100mL二氯甲烷,于65℃水浴中用250mL索氏提取器萃取8h后,用K-D濃縮儀和氮氣吹脫濃縮至近干.將濃縮液用色譜純二氯甲烷定容至2mL,經孔徑為0.45μm有機相針式過濾器移入2mL棕色色譜用樣品瓶中,整個操作盡量避光進行.

1.3樣品分析

利用GC-MS(Agilent 6890/5975B)分析US EPA推薦的16種優控PAHs:萘(NaP)、苊烯(AcPy)、苊(AcP)、芴(Flu)、菲(Phe)、蒽(AnT)、熒蒽(FluA)、芘(Pyr)、苯并[a]蒽(BaA)、(Chr)、苯并[k]熒蒽(BkF)、苯并[b]熒蒽(BbF)、苯并[a]芘(BaP)、茚并[1,2,3-cd]芘(IcdP)、二苯并[a,h]蒽(DbA)、苯并[g,h,i]苝(BghiP).PAHs標樣購自美國SUPELCO公司(EPA 610 Polynuclear Aromatic Hydrocarbons Mix).氣相色譜分析條件:色譜柱為HP-5MS毛細管色譜柱(30.0m×0.25mm× 0.25μm);進樣口溫度:300℃;不分流進樣;進樣量1μL;載氣為He;程序升溫:初始溫度70℃,保持4min,以10℃/min升至300℃后保持10min.質譜條件:EI離子源,電子能量:70eV;離子源溫度:230℃;四極桿溫度:150℃;掃描質量范圍(m/z):45～350;選擇離子方式定量分析.QA/QC:用全程平行實驗和加標回收率實驗對分析過程進行質量保證和質量控制,系列化合物的相對標準偏差為4.1%～15.0%,加標回收率除萘較低(65.2%)外,其余都在80.0%～115.0%之間.樣品結果均經回收率校正和空白扣除.

2 結果與討論

2.1PAHs分布特征

由表2可見,16種PAHs在6臺空調濾網灰塵中均能檢測到,PAHs的單體濃度為0.001～5.201μg/g,以NaP、Chr、BbF、BaP和BghiP為主.除了NaP,其余的均是中高環PAHs.不同室內環境空調濾網灰塵中PAHs的分布特點為:餐館空調濾網灰塵中BaA的含量最高,其次為Chr和Pyr,AcP和AcPy含量最低,且Pyr濃度是其他采樣點的84.9～297.0倍;家居室空調濾網灰塵中BbF和強致癌的BaP含量較高;化學分析室空調濾網灰塵中BghiP的含量最高,AcPy含量最低;會議室空調濾網灰塵中BaP和BbF含量較高,BghiP含量較低.由此可見,在各空調濾網灰塵中,中高環PAHs占主導地位,其原因是由于高環PAHs的沸點高,飽和蒸氣壓低,易于通過冷凝、成核而吸附在顆粒物表面,當空調工作時,會隨空氣的不斷循環被空調濾網截留,從而在濾網灰塵中不斷累積,導致濾網灰塵中高環PAHs濃度偏高.相反低環PAHs沸點低,易于揮發,主要以氣體形式存在,在空調運行時,低環PAHs會在濾網灰塵中累積,但空調停止運行后,這些低環PAHs又會快速從濾網灰塵中解析出來,導致測定時濾網灰塵中PAHs含量偏低.

表2 6臺置于不同室內環境的空調濾網灰塵中PAHs濃度(μg/g)Table 2 The contents of PAHs in dusts from six air conditioner filters (μg/g)

6臺置于不同室內環境的空調濾網灰塵中的PAHs總濃度存在顯著差異,∑PAHs介于0.475～13.090μg/g之間,平均濃度水平為4.345μg/g.其中餐館空調濾網灰塵中∑PAHs最高,而會議室最低.值得注意的是,與餐館具有相似居室活動特點的家居室,其∑PAHs為4.895μg/g,僅次于餐館,兩者的∑PAHs要明顯高于其他4處采樣點,其原因是:煙氣/煙草排放、燃煤/氣及烹調均可產生大量PAHs,雖餐館內大多裝有排氣扇、脫排油煙機等通風設備,但由于其燃煤/氣及烹調食物頻繁,污染物稀釋擴散不及時,并且餐館客流量大,室內活動復雜,從而導致其灰塵中∑PAHs明顯高于其他地方.

6臺置于不同室內環境的空調濾網灰塵中不同環數PAHs分布情況如圖1所示.從環數的分布來看,除了化學分析室,其他各處PAHs的環數分布情況相似,檢測出的PAHs均集中在4環和5環,分別為38.3%和28.3%.而中低環(2～3環)和高環(6環)含量很少.化學分析室6環PAHs占總含量的50%以上,高環PAHs毒性大、含量高,所以長期暴露在此分析室所產生污染的累積效應不可忽視.餐館中PAHs以4環為主,其含量占總量的80%,低環與高環濃度相對很低.

圖1 6臺置于不同室內環境的空調濾網灰塵中PAHs的環數分布Fig.1 Distribution of PAHs with different rings in dust from six air conditioner filters

2.2PAHs的源解析

環境中的PAHs主要來自于不同燃料(煤、石油、木柴等)的不完全燃燒,不同燃燒源產生不同的PAHs特征化合物,利用這些特征化合物的比值可以定性判斷PAHs的來源.國外已廣泛使用特征比值來進行PAHs的定性源解析[18].表3列舉了一部分污染源顆粒物中PAHs的特征比值.由于化學分析室、會議室、化學實驗室、辦公室的污染源復雜且污染物排放波動性大,本文僅對相對穩定的家居室和餐館進行污染源解析.

吸煙引起的居室環境污染,已引起人們的廣泛關注.據有關報道,煙草及香煙煙霧中含有較多的PAHs,尤其是對身體健康危害較大的BaP.國際癌癥研究機構已確定煙草煙氣中BaP的致癌活性最強,其含量為0.010～0.050μg/m3.研究表明,吸煙嚴重的家庭室內空氣中BaP濃度比不吸煙的家庭要高10倍以上[19],本研究中,家居室BaP的濃度為0.746μg/g,比會議室(0.127μg/g)高6倍.家居室ρ(BaA)/ρ(Chr)為0.680,接近車輛尾氣源與木柴燃燒源之間,特征明顯.ρ(IcdP)/ρ(BghiP)為0.028,與車輛尾氣(0.370)差異較大.ρ(Pyr)/ρ(BaP)和ρ(Phe)/ρ(AnT)作為特征判定均不明顯.

烹調油煙是廚房空氣中PAHs 的主要來源,包括油品本身含有的PAHs和在加熱過程中發生化學反應產生的PAHs,食物在煎炸、煙熏、燒烤等烹飪加工過程中都會導致PAHs的產生.餐館中ρ(BaA)/ρ(Chr)為1.564,接近燃煤源,也介于烹飪源與張利文等[20]2006年在室內PAHs污染源的化學組成特征研究中得出的實際廚房油煙特征比值之間,而ρ(BaP)/ρ(BghiP)為0.152,與之有差異,可能是因為餐館空氣污染源復雜(來自烹飪、吸煙等).餐館中空調濾網灰塵中PAHs主要來源于烹飪.

表3 各類污染源顆粒物中PAHs的特征比值[21-26]Table 3 Diagnostic ratios of PAHs in different particles

2.3PAHs毒性當量(TEQ)

PAHs的TEQ可以通過下式計算[27]:

式中:Ci為單個PAHs的濃度;TEF定義為:將BaP的TEF看作1,通過比較其他PAHs對人體的危害程度與BaP對人體危害程度的大小,確定單個PAHs的TEF.

由圖2可見,6臺置于不同室內環境的空調濾網灰塵中PAHs TEQ濃度差異明顯,介于151.842～1010.713ng/g之間.辦公室空調濾網灰塵中PAHs TEQ濃度最高,為1010.713ng/g.其原因是由于辦公室內大量計算機的內部元器件通常都有封裝材料保護,而封裝材料主要是塑料,塑料在制造過程中通常會加入含有低含量PAHs等有機物的添加劑,由于計算機使用頻率高且使用時間長,導致計算機內部元器件發熱甚至出現不正常高溫,使得塑料添加劑中的PAHs因受熱釋放出來.任宇[28]研究證實計算機釋放出來的PAHs主要是4～6環PAHs,其TEF值遠遠大于低環PAHs.僅次于辦公室的是家居室和餐館,兩處PAHs分別為典型的煙草源和烹飪源,TEQ濃度分別為901.024ng/g和782.258ng/g.BaP的TEQ濃度都相對很高,平均占據PAHs TEQ濃度的55.7%,其中家居室的BaP TEQ濃度占其總濃度的73.8%.經計算,家居室PAHs TEQ濃度是無煙會議室的5.9倍,可見煙草煙氣產生PAHs的毒理效應很高,進一步表明空調若長期不進行清洗,餐廳廚房工作人員以及家庭主婦長期暴露在高濃度高毒性的PAHs環境中,危害很大.

圖2 6臺置于不同室內環境空調濾網灰塵中PAHs毒性當量Fig.2 TEQs of PAHs in dusts from six air conditioner filters

3 結論

3.16臺置于不同室內環境的空調濾網灰塵中,16種PAHs均可檢出.PAHs單體濃度為0.001～5.201μg/g,以NaP、Chr、BbF、BaP和BghiP為主,BaA含量最高,其次為Chr和Cyr,AcP和AcPy含量最低.∑PAHs介于0.475～13.090μg/g之間,平均濃度4.345μg/g,餐館的∑PAHs最高.6臺置于不同室內環境的空調濾網灰塵中PAHs的環數分布特征相似,4環和5環PAHs占優勢,2、3環和6環比例較低.

3.2家居室ρ(BaA)/ρ(Chr)為0.680,接近汽油車尾氣與木柴燃燒的特征比值之間.餐館中ρ(BaA)/ρ(Chr)為1.564,介于烹飪源與實際廚房油煙特征比值之間,兩處主要的PAHs污染源分別是煙草煙氣的燃燒源和烹飪源.

3.36臺置于不同室內環境的空調濾網灰塵中的PAHs TEQ濃度差異明顯,介于151.842～1010.713ng/g之間.其中BaP的TEQ濃度平均占總濃度的55.7%.

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ZHOU Hong-cang*, ZHANG Cui-cui, CAI Hua-xia, SONG Yuan-yuan, XUE Hong-bin (School of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China). China Environmental Science, 2010,30(10)：1303～1308

X502

A

1000-6923(2010)10-1303-06

周宏倉(1972-),男,安徽六安人,副教授,博士,主要從事大氣污染物生成機理與控制技術、固體廢物資源化與能源化技術以及節能減排技術的研究.發表論文60余篇.

2010-01-22

國家自然科學基金資助項目(50608040);教育部留學回國人員科研啟動基金資助項目;江蘇省科技支撐計劃(工業)項目(BE20090165);2006年江蘇省高校“青藍工程”優秀青年骨干教師項目

*責任作者, 副教授, zhouhongcang@163.com