基于空氣中游離TDI濃度空間分布的校園塑膠操場污染研究
——以北京師范大學第三附屬中學為例

北京師范大學第三附屬中學（100088） 張 強 高暐暐 邵 然 趙建波 王邵瑋 劉博瑋

指導教師 李 泉

基于空氣中游離TDI濃度空間分布的校園塑膠操場污染研究
——以北京師范大學第三附屬中學為例

北京師范大學第三附屬中學（100088） 張 強 高暐暐 邵 然 趙建波 王邵瑋 劉博瑋

指導教師 李 泉

由于傳統的校園塑膠操場鋪設多選用甲苯二異氰酸酯（TDI）型聚氨酯（PU）材料，而校園空氣中存在的游離TDI會影響師生的身體健康，本文作者在江西省質譜科學與儀器重點實驗室的協助下，在北京師范大學第三附屬中學兩個校區塑膠操場上方及其周邊采集了空氣中游離TDI的空氣樣品，并借助質譜儀檢測出其相對豐度，經過對數據的分析總結出空氣中游離TDI的濃度在時間、水平位置、距地面高度等維度的分布規律，并從保護師生身體健康的角度提出了塑膠操場的使用建議，同時也對校園塑膠操場的建設提出了寶貴意見，以供在校師生和校方決策人員參考。

塑膠操場；空氣；游離TDI；濃度；空間分布

一、研究背景及現狀

1. 問題的提出

操場是我們每天運動和玩耍的場所，我們有時在操場會聞到一種刺激性氣味，這引起了我們研究小組的注意。隨著研究的深入我們了解到塑膠地操場因其性價比較高現已被廣泛使用，尤其是學校操場多采用此材質。其中聚氨酯（PU）是塑膠運動場地重要的鋪裝材料，目前，國內PU塑膠運動場地所用的原料最普遍的是甲苯二異氰酸酯（TDI）型和二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）型兩種。一直以來國內鋪設的絕大部分是TDI型PU塑膠運動場地，其在高溫或強光作用下,能釋放大量游離的TDI單體。[1]TDI是常用的多異氰酸酯的一種，在國家標準GB5044—1985《職業性接觸毒物危害程度分級》中，TDI為Ⅱ級（高度危害）毒物，屬可疑人體致癌物。有研究表明，TDI型PU塑膠運動場地中游離的單體TDI占總量的3.48%， 可以通過吸入其蒸氣和氣溶膠或食入吸收進入體內，[2]對人的呼吸系統有嚴重的刺激性，可能會引起過敏反應，造成呼吸困難等癥狀，甚至危及生命[3]。隨著研究的深入我們又產生了疑惑：我們的校園塑膠操場是什么材質的？在校園空氣中是否有游離的TDI單體存在？如果有，它的分布有什么規律？對我們的身體是否有傷害？我們平時在操場活動時應注意些什么等眾多問題，于是我們研究小組又確定了本文的研究方向。

2. 國內外研究現狀

目前國內外關于塑膠運動場地的研究主要分兩類，一類主要是針對鋪設材料的研究，比如塑膠跑道的安全性問題、經濟型塑膠跑道的研究、新型環保塑膠跑道的研究、塑膠成分有毒性的研究、塑膠成分TDI與MDI的對比研究等；另一類則主要是針對塑膠運動場地上空及周圍空氣中游離TDI濃度的測量技術及分析研究，如質譜法、顯色光度法、氣相色譜法、高效液相色譜法和氣質聯用法等技術的研究，其中也不乏對塑膠運動場地上空及周圍空氣中游離TDI分布規律的研究，但一般都是針對不同環境進行對比研究，對于同一環境，尤其是占地面積較小的中學室外塑膠操場上空及周圍空氣中游離TDI的研究還未見。

二、研究目的、意義及方法

1. 研究目的和意義

本研究小組提出這一研究課題的目的就是希望通過檢測研究我校（北京師范大學第三附屬中學）空氣中游離TDI濃度的分布狀況，進而對我校塑膠操場帶來的污染情況進行一個初步的評估，為我校師生在塑膠操場進行活動提出合理化建議，同時也希望引起校方乃至教育部門的重視，對學校塑膠操場的污染進行深入的研究，為我校和其他學校塑膠操場的建設提供參考意見。

2. 研究思路

本研究小組在在我校北校區、南校區共計12個采樣點采集了樣品，然后在東華理工大學所屬的江西省質譜科學與儀器重點實驗室的賈濱、洪鋒兩位碩士生和老師的指導下分別在中午和傍晚采集了96份樣品；之后兩位碩士生利用中科院化學研究所的質譜儀對樣品進行了質譜分析；最后我們共同通過對數據的整理、分析得出了我校空氣中游離TDI在時間、水平位置、距地面高度等維度的分布規律，為我們給學校提出合理化建議提供理論依據。

3. 采樣點的選擇

受本研究小組人員數量、采集用品數量、樣品采集時間等因素的限制，我們在我校北校區水平空間共選擇了8組采樣點，南校區共選擇了4組采樣點，各組采樣點的水平空間分布如圖1、圖2所示。采樣點的選擇考慮了以下因素的影響：①籃球場和跑道不同材質的影響；②南校區風雨操場與籃球場建設年代不同的影響；③距塑膠操場水平距離的影響；④建筑物可能對污染氣體擴散的影響等。此外，采樣點盡量選取在平時師生經常活動的區域。

圖1 北京師范大學第三附屬中學北校區1-8號采樣點水平分布示意圖

圖2 北京師范大學第三附屬中學南校區9-12號采樣點水平分布示意圖

另外，每組采樣點按照高度分別選擇了距地面0m處、0.5米處、1.0米處、1.5米處四個垂直采樣點，一方面考慮了距地面高度對污染氣體擴散的影響，另一方面考慮了初高中生不同身高、站立與蹲坐的高度差異可能帶來的差異。

4. 樣品的采集和實驗方法

在每組采樣點四位小組成員按尺子的高度分別在四個采樣點同時用注射器緩慢抽入20mL的空氣樣品，然后將針尖插入裝有1mL丙酮的樣品瓶中緩慢將20mL空氣推入瓶中進行洗氣，由此制備出空氣樣品的丙酮溶液。由于TDI易溶于丙酮，在常規條件下不與丙酮發生反應，因此若空氣樣品中含有TDI即可在溶液中富集。在采集樣品的同時分別用氣溫計和碎紙屑測量出當時的氣溫和風向。

圖3 ESI原理圖

將中午和傍晚采集的96份樣品帶到實驗室采用電噴霧電離質譜技術（ESI-MS）在未經任何樣品預處理的條件下直接對溶解于丙酮中的操場空氣樣品進行了質譜分析（見圖3、4）。儀器的其他工作條件為：離子傳輸管溫度175 ℃，電噴霧電壓4 kV，噴霧氣壓0.8 MPa，樣品流速5 μL/min。

圖4 TDI的ESI質譜圖

圖5 空白樣品和操場空氣樣品的ESI質譜譜圖

三、實驗數據與分析

1. 實驗資料與數據

采樣地點：北京師范大學第三附屬中學北校區及南校區

采樣時間：2011年10月12日12:50-13:35（南校區），13:55-14:50（北校區），16:55-17:25（南校區），18:00-18:55（北校區）

樣品量：20mL空氣，1mL丙酮樣品

實驗數據：見下

表1 2011年10月12日中午采集樣品中TDI的相對豐度（%）

表2 2011年10月12日傍晚采集樣品中TDI的相對豐度（%）

2. 數據分析

分析ESI質譜譜圖（見圖5）發現操場空氣樣品比空白樣品的信號強，表明該實驗方法可以有效地檢測出所采集的操場空氣中的痕量TDI。但是譜圖中,信號均相對較低，表明操場空氣中游離的TDI含量并不是非常高。

分析中午、傍晚在北校區、南校區12個采樣地各4個高度的樣品中的TDI相對豐度數據（見表1、2）可知：

（1）傍晚獲得的樣品中TDI的相對豐度明顯低于中午檢測到的樣品中的TDI相對豐度。說明太陽輻射日變化導致的氣溫日變化對塑膠操場TDI的揮發量產生了顯著的影響。

（2）在塑膠操場的正中央，隨著垂直高度的增高，空氣中游離TDI的含量會逐漸降低（如1、9、12號采樣點樣品數據所示）。水平方向位于塑膠操場下風向區的采樣點數據顯示：隨著距操場距離的增加空氣中游離TDI的濃度會大幅降低，至約100米處，降至操場上空游離TDI濃度的50%左右（如4、7、8采樣點樣品數據所示）。說明塑膠操場是空氣中游離TDI的主要產生源。

（3）在塑膠操場外圍0～1.5米的高度范圍內，我校校園內空氣中游離TDI含量并不存在明顯的隨高度發生變化的情況，或者說存在著細微的隨高度增加游離TDI濃度降低的趨勢。這應當與校園內游離TDI產生區域的面積比例有關，游離TDI產生區域的比例越大，則隨高度升高其濃度降低的趨勢越明顯，相反，則隨高度升高其濃度降低的趨勢越不明顯，甚至有可能出現隨著高度升高游離TDI濃度也升高的整體趨勢，如有些采樣點下墊面是水泥地，水泥地中午受太陽照射后溫度較高，易產生上升氣流，隨著空氣擴散到此地的游離TDI會隨著上升氣流又向上擴散，因此這樣的采樣點地表處的游離TDI含量反而比較高位置的游離TDI含量低（如4、5、6、8、10號采樣點樣品數據所示），且0.5m～1.5m的高度范圍內，游離TDI含量隨高度升高而降低的趨勢并不明顯，基本維持穩定。此外，空氣中游離TDI濃度的高低分布很可能還與當時的風向、風速等因素有關。總之，空氣中游離TDI的含量隨高度的變化受下墊面的性質、風向、風速等多重因素影響，因而更為復雜。

（4）采樣點的通風狀況會對此地空氣中游離TDI的濃度產生較為顯著的影響。2號采樣點由于在墻邊和樹蔭下，通風條件不是非常理想，而且有樹蔭遮蓋，游離TDI不易向上飄散，因此游離TDI在此囤積，維持較高的濃度，且含量隨高度變化而變化并不明顯。6號采樣點由于通風效果較差，三面圍墻，再加上距離操場較近，因而其空氣中游離TDI的濃度比操場外其他采樣點的濃度都要高。

（5）紅色顆粒狀塑膠跑道產生的TDI有可能比綠色光滑塑膠場地要多（如中午測得的3號采樣地樣品的數據所示），但也有可能是3號采樣地受到了其東側樓房的阻擋作用而產生了空氣的堆積，從而導致了其游離TDI含量較高，而非紅色塑膠跑道比綠色塑膠跑道產生更多的游離TDI。

（6）使用年限較久的塑膠操場相對于較新的塑膠操場，游離TDI的釋放量較少（如12號較1號和9號采樣點樣品數據所示），但其游離TDI濃度仍高于塑膠操場外其他采樣點（如12號較10號和11號采樣點樣品數據所示）。

四、結論和建議

綜上所述，本研究得到以下幾點主要結論，并給出相應的建議：

1. 結論

（1）從時間上來看，氣溫高低對塑膠操場TDI的釋放量有著明顯的影響，在秋季等晝夜溫差不大的季節也十分明顯。另外，隨著塑膠操場的使用，其TDI的揮發量會逐漸降低并達到正常水平。

（2）從水平空間上來看，作為空氣中游離TDI的源頭，塑膠操場上方空氣中游離TDI的濃度較操場周邊要高出一倍左右；塑膠操場周邊空氣中游離的TDI濃度受通風狀況、風向、建筑物布局等因素的綜合影響而存在差異：通風良好的區域，游離TDI的濃度會較低；塑膠操場下風向的區域，游離TDI的濃度會偏高；狹長的、長廊式的建筑物布局不利于游離TDI濃度隨距塑膠操場距離的增加而迅速降低。

（3）從垂直空間上來看，塑膠操場中央地帶上空的游離TDI濃度會隨著高度的增加而降低；塑膠操場周邊人體頭部活動的高度范圍（0.5m～1.5m）內不存在明顯的TDI濃度隨高度變化的趨勢。

總之，校園空氣中游離TDI的含量的多少受塑膠操場材質和建造時間、氣溫、距塑膠操場水平距離、距地面垂直距離、風向、風速、通風條件、下墊面性質等多種因素綜合影響。

2. 建議

（1）在校師生盡量避免在地表溫度較高的午后到塑膠操場上活動，活動時應盡量避免長時間躺臥和坐下，平時盡量不要在房前、墻角等通風條件不好的地方長期觀看球賽等。

（2）在校師生進行日常非運動的活動時建議在與塑膠操場有一定距離的上風向區域。新建校在規劃時建議相關部門把塑膠操場盡量建在校園所在地區盛行風的下風向區域，且塑膠操場的下風向區的建筑物布局應當有助于游離TDI的迅速擴散，并應盡量少有人員經過和活動。

（3）建議學校或相關教育部門深入調查學校塑膠操場的污染情況，對污染嚴重的塑膠操場進行重建，使用低毒性、低揮發性的材料，如用MDI型的PU材料替代TDI型的PU材料，使我們在更綠色的環境中健康學習、生活。

五、反思與不足

反思這次的課題研究，我們不僅有了很多成果，同時也發現了許多不足，主要體現在以下幾個方面：

（1）由于受研究經費、研究時間、研究人員等影響，本次實驗選擇在秋季進行，而沒能選擇氣溫較高的夏季，這可能使塑膠操場帶來的游離TDI污染程度的研究結果受到一定的影響；

（2）本實驗采用了ESI-MS技術而非國家標準，因而實驗數據只能作為相對量來研究，不能得出我校空氣中游離TDI污染是否超出國際標準的結論；

（3）本次研究采集的樣品數量較少，并且僅用碎紙屑大致的測量了風向，并沒有測量風速，難以排除由于局部空氣的擾動導致的誤差。

綜上所述，本課題未來還具有深入研究的潛力。

[1] 李建強, 周瑜芬, 丁健樺, 楊水平, 陳煥文.運動場地游離甲苯-2、4-二異氰酸酯的直接電噴霧萃取電離質譜分析[J].分析化學 儀器裝置與實驗技術, 2008,36(9): 1300-1304.

[2] 關穎.塑膠運動場及其相應的塑膠材料[J].中國石油和化工標準與質量,2011,39(1):36-39.

[3] 吳莞.PU類塑膠材料在運動場地的應用現狀與發展[J].中國石油和化工標準與質量,2011,(5):195.

說明：感謝賈濱、洪鋒碩士，感謝無償提供技術幫助和實驗用品的ESI-MS技術的發明人——江西東華理工大學的陳煥文教授，感謝北京師范大學地理與遙感科學學院的趙大山碩士以及北京師范大學第三附屬中學的劉紅、馮慧、張玉平、崔雅良、張玉華、魏山等老師。

（責任編校：朱楠）

* 本文系中國教育學會地理教學專業委員會2012年度研究性學習專項課題重點項目研究成果。