室内空气污染检测

第一作者/通讯作者：Dikaia Ε. Saraga通讯单位：Atmospheric Chemistry & Innovative Technologies Laboratory, INRASTES, NCSR Demokritos, Aghia Paraskevi, Athens 15310, Greece论文DOI：10.1016/J.SCITOTENV.2023.165744成果简介由于室内污染来源的多样性和高度可变性，室内空气污染的源解析(SA)具有挑战。近日，环境领域国际期刊Science of the Total Environment发表的题为“Source apportionment for indoor air pollution: Current challenges and future directions”的综述文章，回顾了目前使用的SA技术的相关信息，以及该领域的研究空白和局限性。引言过去二十年里，越来越多的科学证据表明，室内空气污染可能比室外严重得多。直接或间接来源都可能导致室内环境污染。考虑到人们大部分时间都在住宅、办公室或其他公共建筑中度过，人类的空气污染暴露主要发生在室内。然而，空气质量标准和指南主要是针对室外空气制定的。考虑到在不同室内微环境中的暴露时间较长，室内和室外空气污染对健康的影响非常相关，特别是在弱势群体中。因此，了解室内污染物的行为和来源，并将其与室外污染物区分开，对于健康风险评估、制定室内空气质量监管准则以及设计和实施旨在减少人类暴露于污染空气中的缓解战略都至关重要。源解析包括用于获取有关一个或多个源在特定时间内对特定区域的影响的信息的各种技术。室内污染物浓度水平，受室内和室外源以及影响其物理化学特性的物理参数（如：通风、光照、温度、相对湿度、室外条件等）的控制，在空间和时间尺度上与室外有显著不同。虽然主要的室内来源已经被确认，但仍需要了解室外产生的污染物穿透室内对室内污染物浓度的贡献，以及上述参数对SA的作用。本文对2009年1月至2022年12月期间有关室内空气SA研究的科学文献进行综述，以便对未来室内空气SA研究提供指导。图文导读1、统计概述Fig. 1. a–c. Distribution of source apportionment studies (January 2009–December 2022) for indoor air by a) number of studies per country b) targeted pollutants c) SA method used.根据地理位置，有47%的研究在亚洲进行，34%在欧洲，15%在美国、加拿大和南美洲，2%在非洲，2%在澳大利亚和新西兰。在室内环境方面，48%的研究在住宅建筑中进行，29%在学校和大学建筑中进行，11%在办公楼中进行。此外，2%的研究集中在养老院，2%的研究集中在餐馆和酒吧，1%的研究集中在医院。7%的研究考察了具有特殊特征的室内环境（酒店、游戏中心、工业设施、教堂和购物中心）。36%的研究包括在两个或两个以上的季节取样。48%的研究包括室内和室外测量，52%的研究只包括室内测量。2、室内源解析方法PMF、PCA和CMB用于64%的室内SA研究。CMB模型的优点是，不需要输入大量数据，例如，不需要在采样位置重复测量。此外，CMB输出不需要额外识别贡献源/影响因素。该模型求解了源贡献，同时明确地考虑了每个物质同时存在的室内和室外源。但缺乏特定来源的化学特征的变化限制了该模型的应用。利用PMF和PCA方法对室内SA的研究较为丰富。它们已被应用于PM和VOCs的来源分配。主要优点是不需要来源的特定化学特征，通过对受体处获得的化学数据集的多变量分析来识别相关来源。所有的观测结果都可以放入一个大模型中。缺乏非负性约束是PCA和CMB的重要限制。3、目标污染物室内SA研究中最常用的PM组分是细颗粒物PM2.5，其次是PM10、PM1和超细颗粒物(UFP)。很少有研究关注总悬浮颗粒(TSP)、室内表面沉降尘埃和可吸入的PM或PM4。超过20%的研究对VOC、羰基和醛类进行了室内SA。确定这些有机化合物的室内来源具有挑战性，因为其中许多物质在室内和室外环境中有多种来源，其强度可能因温度、相对湿度和其他因素而有所差异。4、已知来源和贡献在每个室内SA研究中确定的源数量在2到13之间。绝大多数研究强调了室外源的作用。鉴定来源的数量和类型在很大程度上取决于SA方法中用作示踪剂的化学物质的选择。SA文献中考虑的室内污染源可分为以下几种：建材和家具、室内燃烧、烹饪、再悬浮、清洁和消费品、室内产生的二次污染物以及其他产品和活动。大约三分之一的研究中，两个或两个以上的来源作为组合或混合来源呈现。总结与展望各项研究中室外环境对室内空气污染物浓度的影响差异很大。典型的室外源对室内水平有不同程度的影响，其贡献大小可能因当地条件以及所选的 SA 技术而有所不同。由于室内发生的物理化学过程，室外污染物的化学特征在进入室内环境时会发生变化。相反，室内 VOC 排放的影响越来越被认为是室外 VOC 浓度的重要影响因素。这项工作强调了室内空气污染SA的一些研究空白，包括室内空气质量监测和数据选择的优化，以及将室内空气物理化学过程纳入已经制定的SA方法中。

国际著名学术期刊《自然》最新发表一篇评论文章呼吁，人们对室内空气污染及其健康影响所知甚少，需要全球行动应对这一被忽视的挑战。在这篇评论文章中，英格兰首席医疗官克里斯托弗惠蒂(Christopher Whitty)、英国卫生和社会护理部黛博拉詹金斯(Deborah Jenkins)、英国约克大学阿拉斯泰尔刘易斯(Alastair Lewis)三位作者指出，尽管室内空气污染在2020年全球可能导致了与室外空气污染一样多的死亡，但这一忽略惯性仍然存在。该评论文章介绍，空气污染是多种疾病的主要原因之一，包括哮喘、肺癌和慢阻肺等。世界卫生组织已经设立了全球范围的室外最低空气质量标准，并通过国家规范和法律保护公众，但室内空气污染未能受到同样的关注。这忽视了工业化国家中人们大约有80-90%的时间处于室内。室内空气污染的相关科学进展也不及室外空气的研究，使政府部门难以针对性地制定政策和控制。评论文章作者强调，需发展室内空气污染的科学，为标准和政策提供信息，其目标包括：建立一套室内空气质量的广泛衡量标准，以支持研究优先性和控制排放；开发更好的室内排放模型；探索本地房屋建筑、利用和通风系统多样性的影响；以及理解改进室内空气质量的最佳方式。他们总结认为，现在已经是时候请研究者建立(室内空气污染及影响健康)证据，好让政府、商业和个人“接棒”行动，建立基于科学的室内空气质量全球标准，以降低排放、暴露和危害。《自然》对媒体表示，此评论文章非研究论文，其刊发评论文章是关于科学研究及其影响有关的专题性、权威性的稿件。

p　　span style="font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai "strong前言：/strong谈到空气污染，大家通常关注的是室外大气污染。事实上，室内环境对人们健康的影响远比室外要大得多。调查显示，成年人有70-80%的时间在室内度过，老年人和婴幼儿待在室内的时间超过90%。世界卫生组织WHO发布的《室内空气污染与健康》指出，目前室内空气污染的程度已经高出室外污染5－10倍，全球4%的疾病与室内空气质量相关，每年大约有200多万人因室内空气污染所致疾病而过早死亡，室内空气污染已成为人类健康十大威胁之一。/span/ppspan style="font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai "　　与大气污染相比，室内空气污染物种类众多，成分复杂，使用的建筑材料、装饰材料、办公设施、生活用品，以及室内的通风状况和人类自身活动等均可能对污染物种类和浓度产生影响，从而使相应的监测和控制工作变得极具挑战性。为更好地了解室内空气污染现状及研究进展，仪器信息网的工作人员（以下简称Instrument）特别采访了清华大学环境学院张彭义教授，请他就室内空气污染物的主要来源、危害、最新的净化技术手段、相应的检测方法和仪器、以及所面临的难题和挑战等大家所关心的话题进行了深入阐述。/span/pp style="text-align: center "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 400px height: 600px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201908/uepic/90163c22-06eb-4cd7-bf05-cb3818debf89.jpg" title="图片 1.png" alt="图片 1.png" width="400" height="600" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "strong清华大学 张彭义教授/strong/pp　　span style="color: rgb(255, 0, 0) font-size: 18px "strong室内空气污染：研究对象多，研究投入不足/strong/span/pp　　span style="color: rgb(0, 112, 192) "strongInstrument：我国室内空气污染的来源主要有哪些？会对人体造成哪些危害？/strong/span/pp　　strong张彭义：/strong室内空气污染主要有两大来源，室外源和室内源。室外源包含来源于室外的颗粒物、臭氧和工业点源污染等。当前最受关注的是细颗粒（PM2.5）污染，世界卫生组织规定的空气质量准则值中PM2.5的年均值为10μg/m3，而中国很多城市的PM2.5年均值仍在50μg/m3以上。除颗粒物之外，臭氧污染也应当引起广泛重视。室内源主要分为室内装修装饰材料所引起的污染，如甲醛、VOCs、放射性污染物等，以及人体本身活动所排放出来的污染物，如二氧化碳、水蒸气和VOCs等。人体污染一般不被提起，但实际上新风系统就是为了解决人体污染物释放而发展的。/pp　　室内空气污染物种类很多，主要可分为颗粒物（以悬浮颗粒物为主）、气态污染物（如甲醛、VOCs、臭氧等）、微生物、及放射性物质（如氡）等。这些污染物无论在种类或数量上的增加，都会引起人的一系列不适症状的现象，被统称为“病态建筑物综合症“，症状包含头晕、头疼、咳嗽、打喷嚏、眼睛流泪、精神不振等，严重的还会引起癌症，如高浓度甲醛、苯可能会导致白血病。/pp　　span style="color: rgb(0, 112, 192) "strongInstrument：现阶段室内空气污染研究包含哪些方面？我国在这一领域的研究进展从全球来看处于一个什么样的位置？亟待解决的问题有哪些？/strong/span/pp strong 张彭义：/strong室内空气污染研究主要包含污染状况、健康影响、检测方法、污染控制四个方面。具体来说，污染状况是要了解可能的污染物种类、污染水平、释放规律以及二次反应、迁移等。健康影响则是要搞清楚这些污染物单独、复合暴露对人体健康的影响，作用的机制等。检测方法，就是对各种室内微痕量污染物的检测分析手段。污染控制包括从源头上削减、末端的净化手段等。/pp　　室内空气污染研究的研究内容从污染物的角度来看，从最开始的室外大气污染所带来的二氧化硫、颗粒物、以及氡、环境烟气等，扩展到现在的挥发性有机物（VOCs）、半挥发性有机物（SVOCs）、PM2.5、臭氧、二氧化碳等。从需要解决问题的角度来看，一是解决室外大气带来的颗粒物、臭氧污染等，二是解决室内装修污染，三是解决建筑节能换风次数降低背景下人体及室内材料的污染问题，这三个问题分别是不同层次的需求。当前，发达国家更多的是面临第三个问题，而我国则主要还是需要解决前面两个问题。/pp　　随着我国城市化进程的加速，近二十多年来相继出现装修污染、颗粒物污染等问题，我们国家在这两个方面的研究相对较为活跃，也有不少研究人员在国际上有较大的影响力，已经从学习跟跑阶段提升到并跑阶段甚至领跑，但是在新问题的发现能力、新研究方向的开拓能力方面还有待提高。/pp　　室内空气污染是一个交叉性的研究领域，这个领域现有的主要力量来自建筑暖通学科，很少一部分来自环境学科。全球范围内这个领域的研究人员不多，科研经费投入也少，没有得到其应有的重视，与室内空气对人体健康有直接影响的重要性不匹配，很多问题也没有得到深入的研究，譬如不明的有害物质，痕量臭氧、自由基的反应，微量甲醛/VOCs的快速检测，室内新兴污染物的健康风险及其作用机制，嗅味物质的致嗅机制，各种污染物尤其是VOCs和气味物质的有效去除手段等。/pp　　span style="color: rgb(255, 0, 0) font-size: 18px "strong室内空气净化技术：不断探索，从挑战走向成功！/strong/span/pp　span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong　Instrument：针对一些主要的室内空气污染物，如甲醛、VOCs、臭氧等，当前的控制和净化技术有哪些？效果分别如何？/strong/span/pp　　strong张彭义：/strong针对室内空气污染物控制的三大原则为：源头控制、通风和末端净化处理。源头控制是通过原材料控制、制造流程优化、热处理（加速释放，降低后期释放速率）和喷剂（反应、渗入/覆盖，延缓释放）等方式，达到减少源头污染物的种类及降低污染物的释放速率的目的。通风则是通过自然通风、机械通风和新风净化的方式稀释室内污染物。而末端的净化处理手段主要包括：吸附（物理吸附和化学吸附）、化学反应（氧化：臭氧和二氧化氯）、催化氧化（光催化、等离子体催化、热催化和室温催化）三种方式。/pp　　从污染物角度分析，针对甲醛的去除手段研究较多，目前比较有效的手段主要有三种：一是化学吸附，譬如对活性炭表面的官能团进行改性或接氨基官能团，利用氨基和甲醛发生配位吸附；二是室温热催化分解甲醛，一类采用贵金属，如铂、金等，价格昂贵，另一类就是我们课题组近几年来研究比较多的活性锰，采用二氧化锰分解片分解甲醛为二氧化碳；三是利用反应性的喷剂，譬如含氨基或胺基的化学试剂。其他还有采用气态试剂来去除甲醛的，譬如氧化性的二氧化氯、氯气、臭氧，以及氨气等，但这些气体本身也是有毒气体，所以并不提倡。/pp　　臭氧的去除主要采用室温催化分解手段，基础的催化剂是锰氧化物。臭氧去除面临最大的挑战是空气里的水分对催化剂催化性能的影响，这方面我们研究了近十年，近两年获得了两个比较好的催化剂，可以在相对湿度较高的情况下依然保持较好的催化性能。这些材料的性能虽然能够满足实际应用需求，但由于大众对臭氧污染的危害性认识不足，目前这些产品还没有得到大规模应用。/pp　　室内VOCs种类多、浓度低、释放速率变化大，除传统的活性炭吸附外，尚需开发更经济有效的技术和材料。/pp　　span style="color: rgb(0, 112, 192) "strongInstrument：室内空气净化技术当前面临的困难和挑战主要有哪些？未来的发展方向如何？/strong/span/pp　strong　张彭义：/strong当前面临的挑战主要有装修材料VOCs和人体污染物的有效去除。装修材料所释放的VOCs种类繁多，浓度较低，且不少类别污染物化学性质比较稳定，在室温下快速分解在理论上几乎行不通；同时，室内空间有限，净化装置的体积不能太大，而室内空气的总体积大，这就使得单次通过净化装置的时间在毫秒量级，在这样的短时间内要使污染物高效去除，采用分解的手段几乎不可能。人体污染物的种类也很多，包含各种VOC、氨气、硫化氢、一氧化碳，以及大量的二氧化碳和水蒸气，传统上这些污染物是通过输入室外空气换气/稀释解决的。但现在建筑物密闭性增加，要求进一步节能，降低新风量，这样既带来了挑战也带来了机遇。有没有可能开发新的技术、新的材料来解决低换气次数条件下的人体污染问题，而且新技术、新材料的使用成本/能耗不能高于建筑物所节省的能耗。/pp　　对于以上挑战，我们团队经过多年的实践和思考，提出的技术发展方向如下：开发易低温热再生的吸附材料和高效的低温催化分解材料，并在此基础上发展灵巧的净化设备。易低温热再生吸附材料在室温下快速吸附污染物，再在室温稍高的温度（如50-60℃）下能快速脱附完全，用较低的能耗实现污染物的持续、安全去除。高效的低温催化分解材料是在比室温稍高的温度下对脱附出来的有机污染物有着持续、高效的催化分解能力。/pp　span style="font-size: 18px "　span style="color: rgb(255, 0, 0) "strong科研与产业化同行/strong/span/span/pp　span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong　Instrument：您从何时开始关注室内空气污染这一问题？对此做了哪些方面的研究？取得的研究成果主要有哪些？/strong/span/pp　　strong张彭义：/strong我在1998年底博士毕业时就开始关注室内空气污染这一问题，2000年得到了国家自然科学基金资助，开展室内挥发性有机物（VOCs）的吸附光催化降解研究，后面陆续得到清华大学基础研究基金、国家自然科学基金、国家863计划、973计划等的资助，并陆续开展了室内VOCs、甲醛、臭氧催化分解方面的研究，研究的方法主要有光催化、臭氧辅助光催化、185nm紫外光催化、活性锰甲醛分解材料、锰氧化物臭氧分解材料等。/pp　　我们的研究成果中比较成功的是室温分解甲醛的活性锰材料，可以将甲醛在室温条件下催化分解为二氧化碳，单位质量的材料对甲醛的去除能力超过600mg/g，对于室内浓度水平的甲醛的去除能力是改性活性炭化学吸附容量的20倍以上，在长达1700多小时的长时间试验中保持活性稳定。基于此材料先后开发出甲醛分解毡、活性锰折叠滤芯和空气净化器等产品。通过多次技术改进，从2016年起实现了规模化的销售，累计销售产品20多万套。近年来，我们还开发了去除甲醛的喷剂，从2019年开始销售，已实现销售近万套。/pp　　除此之外，我们所研究的室温臭氧分解材料在性能方面得到了很大的提升，能够进行小批量的催化剂生产，基本完成了在多种基材上的涂覆试验，并且开展了几个月的寿命试验，已经能够满足室内外源低浓度臭氧的长期连续去除要求。同时，适合入住前室内装修污染净化处理用的185nm紫外光催化净化器已经完成了小风量样机的实测工作，目前正在开展600m3/h风量净化机的研制工作。/pp style="text-align: center "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 297px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201908/uepic/1336dec1-87a4-4724-ac51-994d56eabfd1.jpg" title="2.png" alt="2.png" width="600" height="297" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "strong图左：甲醛分解毡、图中：活性锰折叠滤芯、图右：带有活性锰去除甲醛滤芯的空气净化器/strong/pp　　span style="color: rgb(0, 112, 192) "strongInstrument：请问您的研究成果的产业化是如何顺利实现的？是否有和相关企业开展一些合作？/strong/span/pp　　strong张彭义：/strong首先，这些产品的研发和关键材料的生产基本都是我们团队自己做的。在“南京领军型科技创业人才“的支持下，我们在2013年成立了南京宇杰环境科技公司并开始产品的批量化生产。一开始也没什么公司感兴趣，我们只好自己尝试做销售推广，但效果不好；后来慢慢有了一些知名度，不少公司跟我们来洽谈，我们就开始跟其他公司合作，将市场推广和销售交给他们，很快实现了规模化的销售。像甲醛分解毡、活性锰分解滤芯和甲醛去除喷剂等小型产品都是团队自主生产，而像空气净化器这种生产成本比较高的产品，我们将机壳和外部结构交给专业公司来做。/pp　　为了更好地进行产品测试，弥补校内实验室空间的不足，我们今年开始在浙江建设实验室，这样就有条件更好的开展产品的研发工作，譬如在模拟室内环境条件下对产品性能进行长时间的测试，以得到更可靠的数据来支持我们的产品。可以说，销售推广都是合作伙伴在做，我们只负责做产品和技术支持。我们的课题组是“两条腿走路“，一个是由研究生、博士后组成的研究小组，主要做应用基础研究，就新材料开发、材料性能机理及材料表征等展开研究；另一个是由科研助理等技术人员组成的研究小组，主要任务是进一步完善前期的研究成果，以及针对产品销售过程中出现的问题进行改进。/pp　　strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "Instrument：您的课题组目前正在进行的相关项目有哪些？下一步的研究计划是什么？/span/strong/pp　　strong张彭义：/strong目前正在开展的研究主要有甲醛和臭氧的室温催化材料、VOCs的吸附材料，这些研究得到了苏州-清华创新引领行动专项、国家自然科学基金的资助。下一步的研究重点是VOCs易热再生吸附材料、低温催化氧化材料，还将开始布局开展人体污染物的释放和去除研究。/pp　　span style="color: rgb(255, 0, 0) font-size: 18px "strong“治检产品”的身影在室内空气污染领域随处闪现/strong/span/pp　span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong　Instrument：在您的研究中主要会用到哪些仪器设备？从您的实践看，相关仪器还有哪些方面需要提高和改进？/strong/span/pp　strong　张彭义：/strong在我们的研究中会用到很多仪器设备，主要可分为两类，一是用于气态污染物的检测分析，例如臭氧分析仪、气相色谱、热脱附-气相色谱质谱仪、颗粒物检测仪等；二是用于材料的表征，例如物理吸附仪、化学吸附仪、XRD、SEM、HRTEM、球差电镜、XPS、顺磁共振等。/pp　　在气态污染物检测方面主要是检测限的问题，室内空气污染物的浓度很低，通常在ppb级别，我们希望能够测定到ppb级别的二氧化碳，同时也能实时地测定ppb级别的VOCs。而在材料表征方面主要对高分辨的球差电镜、STM有需求，可以帮助我们更加深入地了解催化剂的结构、形貌以及污染物的降解机制。/pp　span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong　Instrument：目前市场上有很多针对室内空气质量检测及室内装修污染治理的产品，如何进行快速分辨？/strong/span/pp　　strong张彭义：/strong总体来说，现有的室内装修污染治理的产品仍不能很好地满足实际需求。目前的产品形式主要有喷剂、被动式产品、净化器三类。喷剂主要有光触媒、生物酶等类型，其原理一般是掩盖/封闭或反应，对快速去除空气中的甲醛有较好的效果，也可以在一定期限内起到降低污染物释放量的作用，但是效果不持久，污染物以后还会不时地释放出来。被动式产品包括活性炭包、甲醛分解片等，在小空间内比较有效，应该组合使用，但还是缺少较好的除味产品。净化器具有快速去除大空间污染物的优点，但是要匹配适当风量的净化器，比如一个十几平米的卧室，一般选择风量至少在300m3/h以上的净化器，风量越大效果越好，同时还要考虑滤网的配置，应该选用配置有活性炭、活性锰滤网的净化器，并且要经常更换活性炭滤网。如果是着重于防止室外颗粒物污染，那么应该选用HEPA滤网。/pp　　在室内空气检测产品方面，有众多的便携式甲醛、TVOC检测器，这些设备的可靠性较差，不建议选购几百元的检测仪，可以找专业的检测机构，甲醛检测盒作为参考。便携式颗粒物检测仪可靠性相对较好。 /pp　span style="font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai "　strong后记：/strong张彭义教授认为，环境学科是一门应用型学科，对应用型学科的人来说，所追逐的梦想不应该只是发表高影响力的论文，也要做一些真正实用的产品出来。张教授在采访过程中也强调，一种新材料或新试剂研发出来，除了考虑技术指标之外，还要考虑制备成本的经济性、制作过程的环保性等一些实际情况，否则一个技术即使成功卖给企业了，企业也不一定能做出合格的产品，勉强做出来可能也没法用。/span/ppspan style="font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai "　　在和张彭义教授的交谈中，让笔者深刻感受到，做产品有时候可能需要比搞科研更加全面的考虑。一个成功的产品也许要为之付出更多的汗水和努力！/span/pp style="text-align: right "采访编辑：李学雷/pp style="text-align: right "撰稿编辑：陈星羽/p