校園霾

符兮之++李子睿++謝竹欣++向歡++蔡葦

摘 要：為了深入認(rèn)識粉筆塵的危害并為探尋粉筆塵的治理方法提供科學(xué)依據(jù)，采用掃描電鏡和能譜儀表征了粉筆塵的形貌和化學(xué)成分，采用激光粒度分析儀測量粉筆塵的粒徑大小及分布，測量了其沉降速度、產(chǎn)量，探討了其對人體健康的危害。結(jié)果表明：粉筆塵顆粒呈棒狀或片狀，大小約為1～5 μm，粉筆塵中的顆粒主要為可吸入顆粒物（PM10）和細(xì)顆粒物（PM2.5），易被人體吸入；粉筆塵主要化學(xué)成分為CaSO4，并含少量CaCO3、CaSiO3及SiO2等，可引起呼吸系統(tǒng)和心腦血管疾??；可視粉筆塵中的大顆粒下落速度約為1.3m/s，粉筆塵中較大顆粒在空氣中迅速降落；不可視顆粒的沉降速度為1.05×10-4m/s，較小顆粒易滯留在人體生活的空氣環(huán)境中；粉筆塵中PM10和PM2.5產(chǎn)生量極大，對師生健康的影響不容忽視。

關(guān)鍵詞：粉筆塵 霾 形貌 成分 沉降 產(chǎn)量

中圖分類號：X513 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）08（c）-0250-03

作為教學(xué)過程中最主要的書寫工具，粉筆被廣泛應(yīng)用于各級各類教學(xué)活動中，因此在書寫過程中其產(chǎn)生的粉筆塵對人體健康的影響備受關(guān)注[1-4]。盡管近年來各種新型粉筆和防塵裝置陸續(xù)問世[5]，但由于使用方便、成本低廉等原因，老式粉筆仍在許多學(xué)校被大量使用。

粉筆塵的粒徑大小、化學(xué)成分等與其對人體健康的危害程度有內(nèi)在的緊密聯(lián)系。張月霞等[1]研究表明粉筆塵中既有40μm的大顆粒，也有易被人體吸入的PM10（粒徑≤10μm）、PM2.5（粒徑≤2.5μm）、PM1（粒徑≤1μm）等較小的顆粒。粉筆塵在室內(nèi)的濃度可高達(dá)21.7mg/m3，遠(yuǎn)高于衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（10mg/m3）[2]。由于粉筆塵中主要含有CaSO4和CaCO3，它們的顆粒物會刺激大鼠肺泡巨噬細(xì)胞產(chǎn)生活性氧（ROS）和活性氮（RNS），進而危害動物健康[4]。另一方面，粉筆塵中有少量SiO2[1-2]，SiO2會損傷肺組織，可引起矽肺病或肺癌，致殘率和死亡率較高[6-9]。

雖然前人已有一些初步研究結(jié)果，但實驗數(shù)據(jù)不夠全面，研究有待深入。本文從表面形貌、化學(xué)成分、沉降速度、產(chǎn)量等4個方面研究作者所在學(xué)校粉筆塵的特性，為深入認(rèn)識粉筆塵的危害和探尋粉筆塵的治理方法提供科學(xué)依據(jù)。

1 實驗過程

1.1 樣品準(zhǔn)備

本文選擇在西南地區(qū)廣泛使用的重慶市北碚區(qū)鑫晟粉筆廠生產(chǎn)的山城牌白色粉筆作為研究對象。待教師用粉筆在黑板上書寫后，收集掉落在黑板槽中的粉筆塵。

1.2 分析測試

采用掃描電鏡（SEM， Hitachi， S-3700N）觀察表面形貌，確定粉筆塵樣品中顆粒的形狀和大小。采用能譜儀（EDAX， Phoenix）分析粉筆塵樣品的化學(xué)成分。采用激光粒度分析儀（成都精新， JL-1177）對粉筆塵顆粒物粒徑大小及分布進行測量。通過測量粉筆塵從不同高度下落的時間，計算粉筆塵中顆粒在空氣中的沉降速度。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌

采用掃描電鏡分析粉筆塵樣品形貌，結(jié)果見圖1。由圖1可見：樣品顆粒呈棒狀或片狀，大多數(shù)顆粒的直徑為1～5μm。山西大學(xué)張月霞的研究結(jié)果是粒徑分布范圍很廣[1]：既有大的顆粒（約40μm），也有PM10、PM2.5、PM1等較小的顆粒。產(chǎn)生此差異的原因可能是粉筆的生產(chǎn)商不同，其原料和生產(chǎn)工藝不同。

根據(jù)顆粒物大小的相關(guān)分類標(biāo)準(zhǔn)，可以確定粉筆塵中的顆粒主要為可吸入顆粒物（PM10）和細(xì)顆粒物（PM2.5）。雖然直徑>10μm的顆粒物很難進入呼吸道，但PM2.5和PM10能夠全部進入呼吸道，并大量沉積在肺部無法呼出，而且可能會引發(fā)炎癥反應(yīng)、纖維性病變等病癥，將嚴(yán)重影響師生的健康[1-4，10]。

2.2 化學(xué)成分

采用能譜儀分析粉筆塵樣品的化學(xué)成分，結(jié)果見圖2和表1所示。由圖2和表1可見：樣品中主要含有O、Ca、S三種元素，還含有少量的C、Si、P等元素。前人研究結(jié)果中C元素含量較高，且含Mg、Al等元素[1]。經(jīng)筆者分析，應(yīng)是原料不同所導(dǎo)致。

根據(jù)能譜分析結(jié)果，粉筆塵主要化學(xué)成分為CaSO4，并含少量CaCO3、CaSiO3及SiO2等。CaSO4和CaCO3顆?？赡軙碳と梭w產(chǎn)生活性氧（ROS）和活性氮（RNS），并引起呼吸系統(tǒng)疾病和心腦血管疾病[4， 11-13]。SiO2會損傷肺組織，可引起矽肺病或肺癌，致殘率和死亡率較高[6-9]。

2.3 沉降速度

首先測量粉筆塵從不同高度分別下落的時間，再求得粉筆塵中顆粒在空氣中的沉降速度。結(jié)果表明：可視粉筆塵中的大顆粒下落速度約為1.3m/s，但可視粉筆塵中的小顆粒在空中很快散開，幾乎無法測量。而不可視顆粒沉降速度則只能采用斯托克斯定律進行估算[14-17]：

（1）

上式中，g為重力加速度（9.8m/s2），r為顆粒尺寸（根據(jù)2.1的結(jié)果，此處取5μm），ρ1為顆粒密度（根據(jù)2.2的結(jié)果，采用無水硫酸鈣的密度2.61g/cm3），ρ2為空氣密度（標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃時干燥空氣，1.21g/cm3），η為空氣粘度（20℃時為1.81×10-4Pa·s）。根據(jù)公式（1）計算得到不可視顆粒的沉降速度為1.05×10-4 m/s。

由此我們不妨得出：粉筆塵中較大顆粒在空氣中迅速降落，在空氣中根本無法停留；而較小顆粒（如本文中的樣品大量存在的≤5μm的顆粒）則很難到達(dá)地面并漂浮在空中。所以，每次使用粉筆書寫黑板后，都會有大量的粉筆塵小顆粒漂浮在空中，給師生的健康帶來極大的隱患。

2.4 顆粒物量

采用激光粒度分析儀測量粉筆塵顆粒物中不同粒徑大小的累積分布，結(jié)果見圖3。由圖3可見，粉筆塵顆粒物的平均粒徑為3.193μm；PM10的體積粒度分布約為94.9%，PM2.5的體積粒度分布約為58.5%。endprint

采用實地稱量每節(jié)課前后的粉筆總質(zhì)量，計算出單個教室一周消耗的粉筆質(zhì)量（即產(chǎn)生的粉筆塵質(zhì)量），進而計算出本校（重慶育才中學(xué)）所有班級全年產(chǎn)生粉筆塵的總質(zhì)量約為1.55×105g。為了計算本校粉筆塵中顆粒物的年產(chǎn)生量，提出如下公式：

（2）

上式中，m顆粒物指PM10（或PM2.5）的質(zhì)量，ω顆粒物 指PM10（或PM2.5）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。因為粉筆塵中的各顆粒物化學(xué)成分相同，密度可以認(rèn)為一致，所以上式中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可直接采用圖3中的體積粒度分布數(shù)據(jù)。根據(jù)公式（2）計算得出：我校PM10和PM2.5的年產(chǎn)生量為1.47×105g和9.06×104g。由此可見，粉筆塵中PM10和PM2.5產(chǎn)生量極大，其危害程度不容忽視。

3 結(jié)論

粉筆塵中含有PM10和PM2.5，易進入呼吸道并沉積在肺部。粉筆塵主要化學(xué)成分為CaSO4，并含少量CaCO3、CaSiO3及SiO2等，可引起呼吸系統(tǒng)疾病和心腦血管疾病。粉筆塵中小顆粒因沉降速度很低而長期漂浮在空中，給師生的健康帶來極大的隱患。粉筆塵中顆粒物量較大，其危害程度不容小覷。

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