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室内空气污染的检测和建模

室内空气污染的检测和建模
本章讨论了测量或估算室内污染及其暴露所需的研究工具。
 
可以修改用于测量室外污染的技术和仪器,以用于室内环境的采样。这些改进出现了几个问题,这里讨论了这些问题,以及专门为室内空气采样而设计的仪器。
 
个人检测器越来越被认为是确定个人和人口暴露于空气污染物的有力科学工具。尽管它们仍处于应用的早期阶段,但很明显,个人检测器可以产生有助于将人类活动与空气污染联系起来的数据。个人监视器的好处和不足之处将在本章的单独部分中讨论。
 
用数值模型估算室内空气污染程度; 质量平衡方程用于估算室内污染物的浓度,作为室外浓度的分数,并估算渗透率,室内源强度,污染物衰减率和混合因子。已经开发了几种模型,但是很少有模型针对从测量获得的数据进行验证。
 
在估算人类对污染物的总暴露量(暴露于室内和室外,工业场所和其他工作场所等中遇到的污染物)时,不仅要了解污染物浓度,还要了解各种流动模式和时间使用情况。 。有关最后两个特征的现有信息主要是由社会科学家收集的,虽然有趣,但不符合评估空气污染暴露的信息需求。本章的最后一节讨论了总暴露的概念以及衡量它所需的知识。
 
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固定站采样和检测
有关室外空气质量的广泛数据库,从室外空气质量研究中获得的大部分知识适用于非工业室内环境的表征。然而,住宅和商业建筑以及其他室内场所的室内空气质量特征可能与室外和重工业环境的特征完全不同。因此,出现了许多特殊问题:室内空气的质量受到来自室外和室内来源的广泛污染物的影响; 室内空气浓度的测量可能需要采样仪器与室外或工业环境中使用的仪器有很大不同; 建筑物内的空气量是有限的,空气交换率(特别是住宅单位)可能非常低,因此,
 
由于设备热量和噪音的影响以及乘员的不便,采样和监控设备应该(通常可以)放置在被评估建筑物外的偏远位置。因此,通常的做法是将仪器定位在建筑物空间之外并将空气样本流吸引到它们。
 
抽样技术分为以下几大类:
 
连续采样 ; 提供“实时”采样; 需要观察短期内浓度的时间波动。
综合或连续采样 ; 提供指定时期内的平均抽样; 当平均浓度是理想的或足够的时候使用。
抓取或点采样:提供按指定间隔采集的单个样品; 通常包括允许空气样品进入先前抽空的容器,将样品吸入放气袋中以便以后分析,或者通过样品收集器(通过机械泵)抽取样品以从空气中提取污染物; 适用于“斑点”样本足以测量污染物的情况,并且短期内时间浓度变化的知识并不重要。
有些仪器直接采样和测量污染物,其他仪器进行采样以供以后的实验室分析。连续检测所需的直读仪器使用各种类型的物理化学检测器,可以测量原位污染物的浓度。当没有合适的浓度传感器,当感兴趣的污染物浓度太低而无法使用直接读数仪器时,或者当大型仪器无法进入取样点时,使用集成或抓取取样方法。有关空气污染物采样和测量方法的更多信息可在其他地方获得。2 53 103
 
连续检测
连续检测是一种采样和测量污染物实时浓度的技术。室内空气质量受时间和空间变化的影响,需要有关这些变化的数据来确定居住者暴露的浓度或模拟室内空气污染。检测技术的选择必须与所需信息的类型以及可用的资源和人力相一致。虽然连续检测有许多好处,但它也有许多缺点。
 
连续检测的两个积极特征是,除了在任何时期计算的平均浓度之外,还可以确定峰值短期浓度,并且作为时间函数的浓度变化可以与源生成,渗透 - 通风和其他特征相关联。 。
 
连续检测仪器的可用性取决于许多因素,包括污染物的化学性质和待测量的浓度范围。连续检测器可商购获得所有气体污染物,其被EPA-一氧化碳,二氧化硫,二氧化氮,臭氧和总非甲烷烃称为“标准”污染物。EPA规定了用于测量这些污染物的仪器的性能标准,所有符合这些性能标准的分析仪都被指定为“EPA批准的”。
 
即使使用高质量的仪器,连续检测系统也不会无故障。例如,连续监视器很昂贵,需要经常校准和日常维护。此外,它们有自己的功率和环境温度要求,如果放置在采样点,可能会产生安全,热量和噪音问题。由于这些原因,检测系统通常被设计成具有用于在单个远程站点(通常是移动实验室)进行连续分析和记录的所有设备。这样的实验室通常包含用于校准和维护的设施,并且还可以为设备提供电力和合适的环境条件。如果使用由柔性氟碳管或其他非反应性材料制成的采样管,来自几个采样点的空气可以被吸入实验室进行分析。如果对各个线路进行顺序采样,则可以由多个采样点共享一组连续检测设备。71在这个方案中,所有仪器都从一个共同的歧管中获取空气样本,而这个歧管又从四个采样点之一(其中一个通常在室外)或校准系统中提供空气。71每个站点的采样间隔长度可以通过各个仪器的响应时间,采样线中的实际传输时间以及每个采样点所需的时间信息的详细信息来确定。
 
持续监控需要训练有素的现场人员,严格的质量控制(校准)程序和质量保证规定(例行监控和数据处理操作的独立性能审核)。为配备有采样管和电缆的移动实验室确保电力和合适的位置可能需要长期规划并且需要相当大的费用。由于这些时间和成本考虑,这种类型的固定站检测不适用于大规模调查。对于大规模的调查工作,综合采样和抓取采样技术通常更合适。
 
综合抽样
在一段时间内保持已知采样率的综合采样通常用于必须累积以便进行分析的污染物。收集期可能是几分钟或几周或几个月。可以在收集地点或实验室中进行分析。由积分样本分析得到的数据表示为采样周期内的平均浓度。通过该技术对各种颗粒,气体和蒸汽进行取样。
 
可以在过滤介质上收集颗粒用于后续的重量分析和化学分析。尺寸选择性颗粒采样器,例如各种二分类空气采样器58和便携式旋风采样器,10 102当需要确定细颗粒(空气动力学直径小于2.5微米)或可吸入颗粒(空气动力学直径小于3.5微米)的浓度时,用于室内气溶胶采样。可以通过能够确定质量浓度的β规格或重量分析技术分析样品; 通过X射线荧光,中子活化分析等来确定其元素组成; 并通过各种分离和分析技术来确定化学成分。气溶胶采样器必须直接放置在采样点,以避免空气通过采样管线时产生的颗粒损失。粒子采样器的复杂程度包括需要手动操作的手持式装置,以及可以编程为无人值守运行数周的全自动装置。
 
气态物质可以通过被动(扩散控制)和主动(动力散装气流)采样器收集。可溶性蒸气,例如甲醛和氨,可以通过液体气体洗涤器和鼓泡器收集。使用鼓泡器以及其他积聚的样品收集器(例如吸附器和冷凝阱)进行空气采样需要准确了解空气样品的总体积。这可以通过干式或湿式测试仪来完成,该仪表可直接测量采样体积,或通过测量或控制采样率和时间。
 
已经使用许多技术来测量氡和氡子体的浓度。由于建筑物中通常存在低放射性水平,因此通常需要进行综合测量。使用敏感的热释光剂量计(TLD)芯片,29无源薄膜或轨道蚀刻技术25的无源器件可记录数周或数月的α衰变,以确定平均氡浓度。氡子浓度可以通过将已知体积的空气通过滤纸(通常10分钟)然后用α衰变速率计测量滤光器上的总α活度来确定。
 
集成采样技术有几个优点:它们比连续检测器更便宜并且需要更少的人力,它们可用于测量太低而无法直接测量的浓度,样品通常可以在更方便的时间或地点进行分析,以及很容易获得长期的平均浓度。但它们也有一些缺点:短期的时间信息丢失; 如果要评估浓度的时间变化,必须经常采集样本; 将样品运送到其分析点可能需要特殊处理,特殊环境条件或快速交付以避免变质; 和质量控制可能更难实施。
 
GRAB SAMPLING
在抓取采样中,在很短的时间内收集一个样本。如果要评估污染物浓度的时间变化,则必须经常采集抓取样本。除非需要非常频繁的样本,否则它通常是现场采样最便宜的技术。它可以简单地涉及用空气样品填充容器并将其运送到实验室进行分析,或者可以涉及提取取样,如在比色检测器管中。当分析所需的实验室设备位于偏远地区,需要大量样品或人力和设备有限时,它是最有用的。通常使用的取样容器包括塑料瓶,填充有吸附剂的玻璃管,不锈钢容器,以及聚酯铝(Mylar),PVC薄膜和氟塑料薄膜袋。93采样采样用于估算氡,示踪气体和有机化合物的浓度。
 
通过将已知体积的空气通过过滤器泵入Tedlar 24袋中,可以使用抓取取样来测量氡浓度,该袋不受氡的影响。必须记录取样的时间,并且由于氡气的衰变特性,必须在几天内进行分析。如果需要,可以用低温阱收集样品或直接转移到硫化锌闪烁室59中进行α计数。袋子很便宜,可以用手动泵送到现场。同样,可以使用气相色谱技术定性和定量分析空气样品中的有机化合物。
 
采用低成本和最低人力需求的采样,适用于大规模的调查工作。但是,这种技术存在许多问题。除了“瞬时”浓度之外,不能获得任何信息,并且这个值可能会受到打开门或窗户这样简单的事情的影响。采样体积相对较小,实验室测量技术必须足够灵敏,以直接确定环境浓度。已经观察到用于收集袋的许多材料的各种气体的向内和向外扩散,并且容器和连接器中的泄漏是常见的。必须特别注意降解,吸附,污染,转化以及可能形成人工污染物。48根据时间,温度,密封和处理,快速运输抓斗样品非常重要。质量控制很难维持,但必须先建立,才能放心使用。
 
通风率的检测
室内空气质量直接受到室外空气进入建筑物的速度的影响。通风可用于维持低浓度的室内污染物。反过来,人体舒适条件,例如温度和相对湿度,可以是设定通风率的决定因素。渗透通风率,影响它的气象因素(室外温度,风速和风向)以及舒适因子(温度和相对湿度)的测量可以是固定位置现场检测的组成部分。
 
通风系统差异很大。独立的单个住宅单元主要通过渗透进行通风 - 空气通过建筑围护结构中的裂缝(门窗周围,墙壁和地板接缝等)不受控制地泄漏 - 以及窗户和门的受控开启。大型建筑物通常由复杂程度不同的机械系统进行通风。
 
所谓的新鲜空气通过渗透进入独立的住宅结构; 术语“每小时换气次数”(ach)通常用于这种通风源 - “1 ach”意味着一定量的室内空气量等于内部建筑空间的体积在每小时内“泄漏”。这并不意味着进入的空气在进入时驱逐或排出旧空气; 相反,假设发生了完美的混合。然而,在实践中,不可能实现完美的混合。因此,室外空气流量的估计是基于室内空气的完美混合和均匀性的假设,以便于计算渗透率。
 
到目前为止,最常用的估算空气交换率的方法是示踪气体衰减技术。40在这种方法中,示踪气体可能在一个或多个点处释放到建筑物空间中,可能使用风扇。以这种方式,试图在整个建筑空间中产生均匀的浓度。如果保持均匀性,示踪气体的衰减是指数的,并且可以通过多次取样空气来确定渗透速率。空气交换率可以从污染物浓度的自然对数与时间的半对数图的斜率获得。
 
在类似的方法中,平衡 - 浓缩方法,示踪气体以恒定速率释放到建筑物空间中。40在完全混合的稳态条件下,室内浓度将达到稳态值。由此和注入速率,可以计算渗透率。使用这种技术,尽管执行起来很简单,但通常需要花费数小时才能达到稳态平衡。
 
更复杂的示踪气体系统可以在半连续或连续的基础上测量渗透率。47许多气体已用于示踪气体测量。这种气体应具有的一些特性是在低浓度下易于测量,来自其他空气成分的最小干扰,化学稳定性,非反应性,建筑物内容物缺乏吸收,与空气相当的密度,对人类的安全性,缺乏爆炸性和易燃性,缺乏其他内部或外部来源,低成本和随时可用。通常使用的一些气体是六氟化硫,一氧化二氮和乙烷。40
 
机械通风系统在设计和复杂性方面差异很大,选择用于估算通风率的方法必须适合于所考虑的系统。通常用于估算使用再循环系统的通风率的方法包括压力测量装置(例如倾斜压力计和U形管),速度计(例如皮托管,热线流量计,加热热敏电阻流量计和加热器)。 - 热电偶流量计),机械气流指示器(如旋转和偏转叶片风速计),示踪气体技术和热平衡技术。53必须注意区分空气进入特定区域的总速率和外部空气进入该区域的速率。
 
适用于连续检测的温度测量装置包括热电偶,半导体和热敏电阻。典型的室内温度范围为15至40°C。热电偶在0°C附近出现低电压输出问题并具有非线性特性,但仅限于冷端温度为0°C时。使用集成电路并具有与温度线性关系的电压输出的半导体温度传感器适用于连续记录。用于测量该范围内温度的最常见的温度探头可能是热敏电阻,因为它具有高电阻比(对于温度的微小变化产生大的电压变化),其线性化输出和宽的工作范围。建筑物甚至个别房间的温度梯度都很大。探头应放置在能够感知乘员体验温度的位置。温度探头应根据符合美国材料与试验协会(ASTM)规范的水银温度计进行校准。
 
相对湿度可以用“人发”类型的传感器测量,该传感器随着湿度的变化而膨胀和收缩,或者用露点测量装置测量。基于水的蒸气压通过无机盐的压力降低的原理,市售的露点湿度计非常适合于连续检测。可以从干球温度和露点温度容易地计算相对湿度。相对湿度测量装置可以借助于吊索湿度计进行校准。
 
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个人检测
在过去的二十年中,已经有各种各样的小型空气采样器可以从人们附近收集气态和颗粒样品,即使他们正常活动也是如此。最初的设备使用电池供电的采样器,定义为“非无源”。尽管这些设备被广泛使用,但它们通常比预期的更大更重。最近,各种扩散和渗透控制的采样器已经可用。这些“被动”装置仅适用于气体和蒸汽采样,并且非常蜗牛和光。他们都使用敏感的化学或物理分析方法。
 
最近的三个研讨会审查了个人抽样和检测空气污染暴露的候选技术。Brookhaven小组67确定了气体和颗粒检测的潜在方法。EPA可行性研究38确定了检测二氧化硫,二氧化氮和臭氧的有用方法。另一个EPA专题讨论会68探讨了现有技术在健康影响研究和其他用途中的应用。
 
血液碳氧血红蛋白(COHb)可用作人体接收的一氧化碳实际剂量的量度。可吸入颗粒物浓度也是健康影响研究的主要关注点; 已经评估了获得可靠数据所涉及的一些因素。91 102
 
个人采样设备
气体取样
开发用于采样气态污染物的主要技术是被动的(基于膜渗透或通过几何定义的空气空间扩散)和非钝性(其中空气泵送装置通过已知收集效率的装置抽取限定的空气体积)。
 
被动采样器。被动采样器利用气体分子的动能和吸附剂收集器的效率以已知的速率从空气中提取污染物分子。采样器必须放在收集现场,但不需要泵,流量调节器或电池。因此,这种采样器在重量,成本和维护方面具有主要优点。有两种基本类型:扩散和渗透。它们的使用受到通过几何控制的空气空间的气体扩散的速率和量的限制,或者通过特定于被采样的污染物的可渗透膜的传输。
 
扩散 - 收集器技术的选择和使用需要知道在类似于通常遇到的条件下在空气中采样的污染物的扩散系数。已经遇到湿度影响; 这些很可能是由改变吸收效率引起的。
 
一个扩散取样器已经被开发83 - 85用于环境二氧化氮的测量。它利用通过开口管的孔扩散的原理来确定到收集器的传输速率。从管的开口端扩散到收集器表面(三乙醇胺)的二氧化氮的量可由Fick的第一扩散定律计算,其可表示为:图片pnitro.jpg= D(A / L)Ct,其中图片pnitro.jpg=摩尔数在时间t期间转移的二氧化氮,A =管的横截面积(cm 2),L =从开口端到收集器表面的距离(cm),C =管入口和封闭端之间的浓度差(mol / cm 3), D =空气中二氧化氮的扩散系数(cm2 / s)。吸收所需的二氧化氮82作为采样期的时间加权平均浓度。
 
代入参数的典型值-D = 0.154cm 2 / s,A = 0.71cm 2,L = 7.1cm-将表达式简化为:图片pnitro.jpg= 2.3(ppm-h)×10 -9。
 
原则上,该方法适用于确定任何有效的选择性吸收剂可用的气态空气污染物,并且可以为其设计适当的分析化学程序。采样器的大小可以变化,但必须注意缩放因子。据报道,41 80扩散采样器用于水蒸气和二氧化硫,83一氧化氮,81 85苯胺,13苯,4 35氨,62一氧化碳,81和NO x。85活性炭元件已被用作徽章中的收集器,其具有开放网格以限定气体扩散端口的几何形状。32这种取样方法需要使用气相色谱(GC)分析来测量吸收的特定气态污染物。可以通过该技术对各种有机化合物进行取样和测量。
 
用于检测系统的各种渗透取样器可商购获得。所有都使用制造和校准的膜来控制污染物渗透到收集器的速率,收集器可以是固体介质,例如用于特定化学品的木炭或Tenax GC。收集样本的处理差异很大; 色谱或比色程序通常用于测量。
 
气态污染物穿过膜的传输类似于扩散过程。107然而,渗透涉及在膜中的气体物质的溶液。气体和聚合物基质之间的特定相互作用引入了变量。如在扩散收集器中,气体的浓度在靠近收集器的膜侧接近零,导致梯度导致来自环境空气侧的流动。
 
膜的渗透率常数P由方程式N = PA(C 1 -C 2)/ S定义,其中N =穿过膜的传输速率(mol / s),P =渗透率常数(cm 2 / s),A =横截面积(cm 2),S =膜厚(cm),C 1 =膜环境侧气体浓度(μg/ m 3),C 2 =集电极侧气体浓度膜(μg/ m 3)。作为时间的函数,Nt = PAC 1 t / S. 如果W = Nt,那么在时间t内通过膜的气体量,那么,因为P,A和s对于任何装置和气体都是恒定的,W = C 1 t / k,其中k = s / PA,或C 1= WK /吨。
 
因此,捕集在收集器介质中的气态污染物W的量与其在空气中的浓度C 1成比例。k的值必须通过校准确定。
 
渗透收集器中使用的膜由聚合物材料制成,例如二甲基硅氧烷,硅氧烷聚碳酸酯,硅氧烷,醋酸纤维素,TFE Teflon,FEP Teflon,聚酯薄膜,聚氟乙烯,Iolon和Silastic。已经测试了2.5-25×10 -3 cm的厚度。88
 
当应用GC分析时,具有活化吸收剂的渗透收集器对于有机污染物特别有用。商业检测器可从3M Corporation 35和Du Pont获得,其允许通过该方法测定超过80种化合物。测定了二氧化硫,63 68 107氯,37 107氯乙烯,75 105 107二氧化氮,106烷基铅,107和苯107。已经测试了在这些无源收集器中的一系列吸收剂的效用。9
 
非被动系统。在过去的二十年中,使用泵来移动空气的各种各样的采样系统已经投入使用,包括用于气体和冲击器的撞击系统和固体吸附器,过滤器和用于固体颗粒的撞击器。还使用了直接指示使用浸渍纸,白垩,蜡笔和污渍检测管的装置。Linch 55和Saltzman 详细介绍了这些技术。91
 
个人监视器的最新发展涉及一种通过光束安装在佩戴者的隔膜旁边的泵。通过电子封装记录由胸腔运动泵送的空气量,该电子封装可由分离的读出系统检查。该系统根据佩戴者的呼吸速率,通过涂覆的扩散管收集器或通过小过滤器以75-500ml / min的流速对空气进行气体采样。整个设备重590克。结合肺活量计校准,可以计算实际暴露于测量的污染物。
 
粒子采样
通过使用与大规模取样器相同的原理收集颗粒样品:过滤,撞击和液体冲击。可吸入颗粒的分离对于个人检测器来说是相当重要的,并且收集足够数量的样品用于分析是至关重要的。所有颗粒采样器都使用一些装置来移动空气样本并分离可吸入颗粒部分。收集之前是诸如旋风预抽样器之类的设备。可用于驱动空气采样泵的相对较低的功率通常将个人检测器的颗粒收集限制在过滤中,无论是在单个阶段还是在跟随收集大的不可吸入颗粒的旋风分离器的第二阶段中。对于可吸入颗粒采样,必须精确控制空气流速。
 
 
生物检测
对人体及其排泄物进行的测量构成了测量环境污染物暴露的替代方法。它们包括血液,尿液,粪便和头发的测量值。在其他NRC报告(关于一氧化碳,氮氧化物和各种痕量金属)中,已经详细审查了可用于将环境污染物暴露与人体成分联系起来的方法。
 
暴露研究中个人检测的使用
空气污染暴露通常因人员的流动模式和活动而异。因此,在静止位置估计一个人的一次或几次空气污染测量的总暴露量不能正确地表征人口或人的实际暴露的变化。为了评估健康影响,有必要了解实际的个人暴露以及这些暴露在人群中的分布。一些作者已经注意到需要直接测量个人接触污染的情况。
 
各种污染物的个人检测器是可商购的。布鲁克海文研讨会确定了四种基本的实验设计
 
1。
使用个人空气污染检测仪直接测定暴露量。研究人群中的每个人在研究过程中都会佩戴或携带单独的空气污染检测器。同样的个体也将接受持续或定期的健康反应评估。因此,将测量个人暴露和反应...... 由于经济上的限制,这种直接方法只能研究相对较少的人口。
 
2。
使用个别空气污染检测器调整固定站的结果。如前所述,区域水平测量和个人暴露测量之间可能存在很大差异。通过检测在具有固定台站检测的区域中具有单独的空气污染检测器的个体的暴露,可以获得与在固定台站处获得的测量值相关的个体暴露的分布。如果在各个区域发现一个或几个相对恒定的关系,则固定站数据将被校正以用于估计人口暴露。
 
3。
使用代表性采样来确定子组暴露。精心挑选的研究人群样本将被要求佩戴或携带单独的空气污染检测器。样本将进行分层,将预期具有类似风险的人员分组(例如,办公室工作人员或街头工作人员)。样品中每个亚组的测量暴露可用作整个组的代表。
 
4。
使用个人空气污染检测器来校准个人活动模型。已经开发出活动模型来描述人们如何以及在何处花费时间...... 这些模型可以证明在估计人口暴露方面是有用的。它们尚未应用于空气污染流行病学,除非是以非常有限的方式,并且可以通过使用单独的空气污染检测器的实验进行最佳校准或验证。在这样的实验中,将要求精心挑选的研究人群样本佩戴单独的空气污染检测器,并将他们测量的暴露量与活动模型的估计暴露量进行比较。
 

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