大氣有害顆粒物室內(nèi)自然沉降實(shí)驗(yàn)研究*

覃宗勝，孟忠偉，沈旭東

（1嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江嘉興 314031；2流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，汽車與交通學(xué)院（西華大學(xué)），四川成都 610039；3嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江嘉興 314036）

大氣中的有害顆粒物(PM)，主要貢獻(xiàn)者是汽車尾氣[1]、烹飪油煙以及工業(yè)廢氣[2-3]。大氣有害顆粒物對(duì)人體有極大的危害，一些研究已經(jīng)證實(shí)大氣有害顆粒物可以引起慢性肺病[4-5]以及心血管疾病，美國(guó)環(huán)保局（EPA）的試驗(yàn)證明，吸附在微粒表面的可溶有機(jī)（SOF）具有誘變作用，其組份的90 %以上為致癌物質(zhì)[6-9]，絕大多數(shù)微粒的粒徑在0.01μm～1.0μm 之間，能長(zhǎng)時(shí)間懸浮在大氣中，很容易通過(guò)呼吸系統(tǒng)進(jìn)入肺泡中并沉積下來(lái)，較小微粒甚至可以進(jìn)入血液中，對(duì)人體健康的威脅很大。目前隨著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展，我國(guó)對(duì)大氣有害顆粒物污染進(jìn)行了積極防治，通過(guò)控制有害氣體排放可有效控制污染，但大氣有害顆粒物污染形勢(shì)依舊嚴(yán)峻[4]。

目前，個(gè)人防霧霾的基本措施一般采取出行戴口罩，在家緊閉門(mén)窗，有條件的在室內(nèi)安裝空氣凈化器，根據(jù)TalkingData 移動(dòng)數(shù)據(jù)研究中心調(diào)查研究顯示，城市安裝空氣凈化器家庭占比低于11.39 %，空氣凈化器的日均使用率為32.78%，依靠緊閉門(mén)窗使顆粒物的自然沉降來(lái)實(shí)現(xiàn)潔凈空氣的方法較為普遍，目前對(duì)大氣有害顆粒物研究主要集中在污染來(lái)源以及特征、化學(xué)成分及組成，病理學(xué)研究等方面，而對(duì)民眾普遍采用的緊閉門(mén)窗顆粒物自然沉降來(lái)實(shí)現(xiàn)潔凈空氣的方法，缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與測(cè)試評(píng)價(jià)。

因此，該研究采用激光離散式顆粒物傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，針對(duì)居家辦公條件下，在室外大氣有害顆粒物不同污染濃度下，緊閉門(mén)窗后采用自然沉降對(duì)防治有害顆粒物污染效果進(jìn)行分析，為有害顆粒物自然沉降特性提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為個(gè)人防治霧霾措施提供實(shí)驗(yàn)與理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 測(cè)試地點(diǎn)與時(shí)間

測(cè)試地點(diǎn)為浙江嘉興市某普通辦公區(qū)域辦公室，參數(shù)為6.6m×7.8m×3.9m，傳感器至于室內(nèi)中心距離地面1.2m 處，與人體坐立辦公垂直距離地面距離保持一致。

1.2 儀器和分析方法

針對(duì)室內(nèi)典型有害顆粒物PM1.0、PM2.5、PM10采用攀藤g5傳感器采集數(shù)據(jù)，分析其自然沉降與室內(nèi)人員活動(dòng)對(duì)其影響，同時(shí)采用sht20 傳感器采集室內(nèi)甲醛在不同測(cè)試條件下的變化情況，評(píng)估分析緊閉門(mén)窗對(duì)室內(nèi)有害顆粒物及有害氣體的防治效果。

攀藤g5 顆粒物傳感器采用激光散射原理實(shí)現(xiàn)精確采集并計(jì)算單位體積不同粒徑的懸浮顆粒物個(gè)數(shù)，進(jìn)而換算為質(zhì)量濃度，最小測(cè)試半徑0.3μm，傳感器具體參數(shù)見(jiàn)表1，sht20 甲醛濃度傳感器基于電化學(xué)原理，進(jìn)行精確測(cè)試。

測(cè) 試 懸 浮 顆 粒 物 粒 徑 ≥3μm 至 1.0μm 記 為PM1.0； 粒 徑 ≥1.0μm 至 2.5μm 記 為 PM2.5； 粒 徑≥25μm 至 10μm 記為 PM10。

表1 傳感器具體參數(shù)Table 1 Specific parameters of sensor

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同污染濃度有害顆粒物自然沉降分析

2.1.1 重度污染時(shí)PM 自然沉降分析

如圖1 所示為測(cè)試地點(diǎn)空氣污染重度污染時(shí)（粒徑 小 于 2.5μm 的 PM＞150μg/m3）， 室 內(nèi) 空 氣 流 動(dòng)靜止?fàn)顟B(tài)下有害顆粒物自然沉降特性。初始時(shí)PM 粒徑 2.5μm～10μm 的 顆 粒 物 濃 度 為 166μg/m3， 粒徑 1.0μm～2.5μm 的顆粒物濃度為 133μg/m3，粒徑0.3μm～1.0μm 的顆粒物濃度為83μg/m3，三者占比為：43.4%、34.8%、21.7%；當(dāng)測(cè)試結(jié)束時(shí)（700s），三者的濃度占比為：41.7%、36.0%、22.2%，三者自然沉降速率分別為：1.76μg（/m3·min）、0.67μg/（m3·min）和0.510μg/（m3·min），由此可見(jiàn)顆粒物粒徑越大大氣中所占百分比下降越快，沉降速率越快。由于緊閉門(mén)窗，室內(nèi)釋放的甲醛在700s 時(shí)間內(nèi)由原來(lái)0μg/m3 上升至13μg/m3。

圖1 重度污染時(shí)室內(nèi)顆粒物自然沉降Fig. 1 Natural settlement of indoor particles under severe pollution

如圖2 所示為重度污染情況下室外有害顆粒物濃度變化趨勢(shì)，由圖可知室外有害顆粒物在測(cè)試期間幾乎無(wú)明顯變化，粒徑在 2.5μm～10μm、1.0μm～2.5μm、0.3μm～1.0μm 分別均值為 140μg/m3、165 和 90μg/m3，甲醛在700s 的時(shí)間內(nèi)在11μg/m3～39μg/m3的范圍波動(dòng)。

2.1.2 中度污染時(shí)PM 自然沉降分析

如圖3 所示為測(cè)試地點(diǎn)空氣污染中度污染時(shí)，室內(nèi)空氣流動(dòng)靜止?fàn)顟B(tài)下有害顆粒物自然沉降特性。初始時(shí)PM 粒徑 2.5μm～10μm 的顆粒物濃度為 105μg/m3，粒徑 1.0μm～2.5μm 的顆粒物濃度為 92μg/m3，粒徑0.3～1.0μm 的顆粒物濃度為58μg/m3，三者濃度占比為105:92:58，截取700s 測(cè)試時(shí)間數(shù)據(jù)可見(jiàn)顆粒物下降趨勢(shì)不明顯，添加測(cè)試數(shù)據(jù)線性趨勢(shì)線三者的下降斜率分別為-0.0048、-0.0022、-0.0038，下降速率緩慢；甲醛在700s 的時(shí)間內(nèi)由原來(lái)40μg/m3上升至47μg/m3。

圖3 中度污染室內(nèi)顆粒物自然沉降Fig. 3 Natural settlement of indoor particles with moderate pollution

為進(jìn)一步顯示下降趨勢(shì)，取測(cè)試時(shí)間為7000s，如圖4 所示，三者的下降斜率分別為-0.0028、-0.0022、-0.0012，下降速率緩慢；當(dāng)測(cè)試結(jié)束時(shí)三者的濃度占比為：81:72:47，三者自然沉降速率分別為 0.25μg/（m3·min）、0.17μg/（m3·min）和 0.09μg/（m3·min）。

圖4 中度污染室內(nèi)顆粒物自然沉降（7000s）Fig. 4 Natural settlement of indoor particles with moderate pollution (7000s)

如圖5 所示為中度污染情況下室外有害顆粒物濃度變化趨勢(shì)，由圖可知室外有害顆粒物在測(cè)試期間室外大氣有害顆粒物逐漸降低，其降低速率與圖4 對(duì)比，小于室內(nèi)自然沉降速率，甲醛在7000s 的時(shí)間內(nèi)在10μg/m3～29μg/m3的范圍波動(dòng)。

圖5 中度污染室外顆粒物濃度變化（7000s）Fig. 5 Concentration change of indoor particles with moderate pollution (7000s)

2.1.3 輕度污染時(shí)PM 自然沉降分析

如圖6 所示為測(cè)試地點(diǎn)空氣污染輕度污染時(shí)，室內(nèi)空氣流動(dòng)靜止?fàn)顟B(tài)下有害顆粒物自然沉降特性，初始時(shí) PM 粒徑 2.5μm～10μm 的顆粒物濃度為 82μg/m3，粒徑 1.0μm～2.5μm 的顆粒物濃度為 68μg/m3，粒徑0.3μm～1.0μm 的顆粒物濃度為 42μg/m3，三者濃度占比為82:68:42，截取700s 測(cè)試時(shí)間數(shù)據(jù)可見(jiàn)顆粒物下降趨勢(shì)不明顯，添加測(cè)試數(shù)據(jù)線性趨勢(shì)線三者的下降斜率分別為-0.0026、-0.0025、-0.0018，下降速率緩慢；甲醛在700s 的時(shí)間內(nèi)由原來(lái)10μg/m3上升至12μg/m3。

圖6 輕度污染室內(nèi)顆粒物自然沉降Fig. 6 Natural settlement of indoor particles with slight pollution

為進(jìn)一步顯示下降趨勢(shì)，取測(cè)試時(shí)間為2000s，如圖7 所示當(dāng)測(cè)試結(jié)束時(shí)三者的濃度占比為：79:65:40，三者自然沉降速率分別為：0.09μg/m3·min、0.09μg/m3·min、0.06μg/m3·min，由此可見(jiàn)自沉降速率幾乎趨近于零，此段測(cè)試時(shí)間內(nèi)室內(nèi)甲醛含量逐步上升，由原來(lái)10μg/m3上升至13μg/m3。

圖7 輕度污染室內(nèi)PM 自然沉降Fig. 7 Natural settlement of indoor particles with slight pollution

由以上實(shí)驗(yàn)分析可見(jiàn)：在大氣有害顆粒物重度污染時(shí)，關(guān)閉窗門(mén)利用顆粒物的自沉降可以降低室內(nèi)有害顆粒物濃度，顆粒物粒徑越大下降速率越快；當(dāng)室外為中度或輕度污染時(shí)，緊閉門(mén)窗室內(nèi)有害顆粒物自沉降效果差，同時(shí)室內(nèi)有害氣體甲醛會(huì)逐步上升，不利于健康。

2.2 自然沉降條件下PM 的室內(nèi)的波動(dòng)幅度分析

為測(cè)試分析在自然沉降狀態(tài)下，室內(nèi)有害顆粒物的自然沉降波動(dòng)幅度，取測(cè)試點(diǎn)數(shù)值與趨勢(shì)線對(duì)應(yīng)數(shù)值的絕對(duì)差值進(jìn)行分析。

如圖8～圖10 所示，分別為有害顆粒物污染為重度、中度、輕度污染時(shí)，室內(nèi)自沉降條件下，不同粒徑顆粒物的自然沉降與趨勢(shì)線對(duì)應(yīng)值的波動(dòng)差值絕對(duì)值。PM粒徑 2.5μm～10μm、1.0μm～2.5μm、0.3μm～1.0μm最大波動(dòng)幅度分別為：重度污染時(shí)（12.69，9.78，4.94），中度污染時(shí)（8.22，3.73，2.86），輕度污染時(shí)（5.85，5.13，3.26）；同時(shí)不同污染濃度下，都呈現(xiàn)不同時(shí)間條件下顆粒物粒徑越大，其波動(dòng)幅度越大的趨勢(shì)，由此可見(jiàn)，顆粒粒徑越大顆粒物測(cè)試濃度變化越大，其在空氣中分布越不均勻，顆粒物粒徑越小在空氣中懸浮分布越均勻。

圖8 重度污染室內(nèi)PM 自然沉降波動(dòng)Fig. 8 Fluctuation of indoor particle natural settlement in severe pollution

圖9 中度污染室內(nèi)PM 自然沉降波動(dòng)Fig. 9 Fluctuation of natural settlement of indoor particles with moderate pollution

圖10 輕度污染室內(nèi)PM 自然沉降波動(dòng)Fig.10 Fluctuation of natural settlement of indoor particles with slight pollution

2.3 空氣擾動(dòng)和室內(nèi)人員對(duì)室內(nèi)PM 的影響

如圖11 所示為室內(nèi)有兩人，測(cè)試時(shí)間段內(nèi)緊閉窗戶，同時(shí)有人員進(jìn)出（在前1000s 進(jìn)出5 次，但對(duì)空氣擾動(dòng)較小），室內(nèi)的有害顆粒物濃度變化，由圖可知人員進(jìn)出對(duì)室內(nèi)有害顆粒物濃度的影響較小，室內(nèi)有人時(shí)在低濃度下，有害顆粒物濃度加速下降。添加測(cè)試數(shù)據(jù)線性趨勢(shì)線三者的下降斜率分別為：-0.0037，-0.0033，-0.0025與圖6 所示的室內(nèi)無(wú)人員時(shí)的下降趨勢(shì)線斜率-0.0026，-0.0025，-0.0018 比較有較明顯的下降速率提升；同時(shí)測(cè)試期間由于測(cè)試地點(diǎn)有新家具的進(jìn)入和受室外太陽(yáng)光直射，室內(nèi)甲醛含量快速上升。

圖11 輕度污染有人員進(jìn)入時(shí)室內(nèi)PM 自然沉降波動(dòng)（2700s）Fig. 11 Fluctuation of indoor PM natural settlement (2700s)in case of light pollution with personnel entering

由此可見(jiàn)當(dāng)室內(nèi)存在人員時(shí)，室內(nèi)有害顆粒物濃度下降速率將較快增加，人體相當(dāng)于有害顆粒過(guò)濾體，此時(shí)有害顆粒物將進(jìn)入人體，危害人體健康，同時(shí)緊閉門(mén)窗室外陽(yáng)光照射會(huì)加快室內(nèi)甲醛釋放。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)大氣有害顆粒物重度污染時(shí)關(guān)閉窗門(mén)利用顆粒物的自沉降可以降低室內(nèi)有害顆粒物濃度，顆粒物粒徑越大下降速率越快，如實(shí)驗(yàn)所示，PM 粒徑2.5μm～10μm、1.0μm～2.5μm、0.3μm～1.0μm 自 然沉降速率分別到達(dá)：1.76、0.67 和 0.51μg/m3·min；當(dāng)室外為中度或輕度污染時(shí)，緊閉門(mén)窗室內(nèi)有害顆粒物自沉降效果差，同時(shí)室內(nèi)有害氣體甲醛會(huì)逐步上升，不利于健康。

（2）有害顆粒粒徑越大顆粒物濃度變化越大，其在空氣中分布越不均勻，顆粒物粒徑越小在空氣中懸浮分布越均勻。

（3）緊閉門(mén)窗室內(nèi)存在人員時(shí)，室內(nèi)有害顆粒物濃度將快速下降，人體相當(dāng)于有害顆粒過(guò)濾體，此時(shí)有害顆粒物將進(jìn)入人體，危害人體健康，同時(shí)緊閉門(mén)窗室外陽(yáng)光照射會(huì)加快室內(nèi)設(shè)施甲醛釋放。