從實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面解決實(shí)驗(yàn)污染問題

文/李清慧

絕大部分實(shí)驗(yàn)室都存在著一定的職業(yè)健康風(fēng)險。如果人體長期暴露在有害的空氣環(huán)境中，會對其壽命有一定影響，美國職業(yè)安全與衛(wèi)生管理局（OSHA）公布的一組調(diào)查數(shù)據(jù)顯示：實(shí)驗(yàn)室人員的壽命甚至比正常人的壽命要少十余年，而大部分職業(yè)病都與實(shí)驗(yàn)室污染息息相關(guān)，本著以人為本的原則，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)污染物控制、保障實(shí)驗(yàn)人員職業(yè)健康是每個實(shí)驗(yàn)室的首要任務(wù)。

國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室污染情況現(xiàn)狀

現(xiàn)階段國內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室污染來源主要來自以下兩個方面，第一，實(shí)驗(yàn)試劑的存儲不當(dāng)。第二，實(shí)驗(yàn)操作對室內(nèi)空氣環(huán)境的污染。影響實(shí)驗(yàn)室污染情況的原因有很多，有一個非常重要的原因就是實(shí)驗(yàn)室前期設(shè)計(jì)考慮不周。通常情況下，實(shí)驗(yàn)室在投入使用之前，或者在剛剛使用的時候，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境是比較整潔而有序的。然而，隨著時間的推移，實(shí)驗(yàn)任務(wù)逐漸增多，會出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室空間不足的現(xiàn)象，而且環(huán)境狀況也越來越差。面對這些問題，我們該如何杜絕？如何從實(shí)驗(yàn)室前期設(shè)計(jì)時就做好充分考慮，保證實(shí)驗(yàn)室環(huán)境合規(guī)可控？

圖1 廢液收集系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)污染物控制解決方案

實(shí)驗(yàn)裝備

1.液相/液質(zhì)室

近年來，高效液相色譜法的應(yīng)用越來越廣泛，幾乎每個實(shí)驗(yàn)都有幾臺液相色譜儀，多的甚至上百臺。儀器越多流動相就越多，產(chǎn)生的廢液也就越多。如此多的流動相和廢液會對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境污染產(chǎn)生非常大的威脅，它們會不斷地在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行揮發(fā)，造成實(shí)驗(yàn)室環(huán)境污染。通常做法是每臺儀器增加一個萬向罩，而效果卻不如人意，萬向罩管路彎折較多，罩口風(fēng)速衰減較快，不但污染物控制效果不佳，整個實(shí)驗(yàn)室還形成了一個“萬象叢林”的狀況。為了解決這個問題，我們給出了一個行之有效的解決辦法，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)之初就增設(shè)了一個廢液收集系統(tǒng)和液相密封系統(tǒng)，見圖1。廢液收集系統(tǒng)不但配有密封塞，同時還配有防止逆流的閥門和排氣過濾裝置，可實(shí)現(xiàn)多臺液相集中廢液系統(tǒng)。

除了設(shè)備的優(yōu)化，我們也建議優(yōu)化人機(jī)分離的工藝布局方案，最大程度的降低人員風(fēng)險，保護(hù)人員職業(yè)健康。

2.有機(jī)前處理室

前處理室或理化實(shí)驗(yàn)室是整個實(shí)驗(yàn)流程的“主戰(zhàn)場”，也是化學(xué)藥品和試劑使用最頻繁的地方，大量的化學(xué)藥品和試劑在使用過程中會揮發(fā)到實(shí)驗(yàn)環(huán)境中。與此同時，前處理、理化實(shí)驗(yàn)室也是實(shí)驗(yàn)輔助設(shè)備儀器最多的地方，各種輔助設(shè)備儀器占據(jù)了實(shí)驗(yàn)室大部分使用空間，造成實(shí)驗(yàn)空間嚴(yán)重不足、實(shí)驗(yàn)室雜亂無章，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室事故發(fā)生，產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)室污染。對于前處理和理化實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)化可以從以下幾個角度進(jìn)行：

■設(shè)備收納。

收納可以大大改善前處理實(shí)驗(yàn)室的亂象。收納的方式可以從以下幾個方面進(jìn)行：第一，設(shè)備收納。例如真空系統(tǒng)。真空系統(tǒng)在正常運(yùn)行的時候會有一定的噪音，長時間的處在這樣的環(huán)境里，會有損實(shí)驗(yàn)人員的聽力。真空系統(tǒng)的收納設(shè)計(jì)是把實(shí)驗(yàn)室的真空裝置放進(jìn)一個降噪的設(shè)備柜里，從而降低了實(shí)驗(yàn)環(huán)境的噪音。第二，管道系統(tǒng)的收納。實(shí)驗(yàn)室里會用到很多的管路，比如氣路、電路、真空管等，對于新增的設(shè)備管道大部分都是直接裸露在實(shí)驗(yàn)臺外側(cè)，對于這種狀況，我們推薦采用模塊化實(shí)驗(yàn)室家具系統(tǒng)，模塊化家具系統(tǒng)就是用確定的模塊產(chǎn)品，裝配實(shí)驗(yàn)室不確定的需求，可以輕松應(yīng)對儀器增加、需求改變的管路收納問題。

圖2 通風(fēng)柜+安全柜的組合方式

圖3 兩臺通風(fēng)柜的對比圖

■試劑收納。

應(yīng)對實(shí)驗(yàn)室化學(xué)藥品和試劑大量揮發(fā)的辦法就是增設(shè)安全柜。而針對安全柜的設(shè)置問題我們建議改變傳統(tǒng)的布局方式，采用通風(fēng)柜+安全柜的組合方式，見圖2，因?yàn)楣ぷ魅藛T在使用完化學(xué)藥品或試劑后，藥品和試劑是不能放在通風(fēng)櫥的，需要及時歸還，而沒過多久又需要同樣的藥品或試劑，所以，往返拿取藥品或試劑就降低了實(shí)驗(yàn)人員的效率，采用組合設(shè)置的方式不但可以保證試劑安全還可以優(yōu)化人員操作半徑。

實(shí)驗(yàn)室氣流組織

對危險性比較高的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，絕大部分實(shí)驗(yàn)都要求在通風(fēng)柜里進(jìn)行，理論上通風(fēng)柜較高的換氣次數(shù)會將污染物直接排放到實(shí)驗(yàn)室外部，在實(shí)驗(yàn)人員和污染物之間形成氣流屏障，進(jìn)而保障實(shí)驗(yàn)人員的安全，降低實(shí)驗(yàn)室環(huán)境污染。

但實(shí)際確實(shí)如此嗎? 美國曾經(jīng)做過一個30000 例實(shí)際的ASHRAE 110 測試調(diào)研，結(jié)果顯示：大量的通風(fēng)柜都是不安全的，實(shí)際運(yùn)行存在著各種安全問題。這些問題當(dāng)中，有20%是通風(fēng)柜的設(shè)計(jì)問題，也就是說跟通風(fēng)柜自身產(chǎn)品性能有關(guān)；20%是實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)問題；還有35%是通風(fēng)系統(tǒng)的問題，通風(fēng)系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行狀況起著決定性的作用，如果通風(fēng)系統(tǒng)做的比較好，這個實(shí)驗(yàn)室的整體環(huán)境要好很多，最后還有25%則是實(shí)驗(yàn)人員的操作問題。

這是兩臺通風(fēng)柜的一個對比圖，如圖3 所示，綠色氣體代表的是污染物，左邊是一個理想的狀態(tài)，可以看到實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的污染物并沒有外溢，都是按照我們所預(yù)想的那樣，從排風(fēng)管道中排走。右邊則是有一些綠色的氣體已經(jīng)外溢到視窗外面，那么窗外面這個區(qū)域顯然就是操作人員的呼吸區(qū)了，外溢的污染物會直接被實(shí)驗(yàn)人員吸入體內(nèi)。那么這個問題是如何產(chǎn)生的呢？

首先，通風(fēng)柜設(shè)計(jì)問題。通風(fēng)柜在出廠時廠家都會提供檢測報告，但是這個檢測報告是在理想狀態(tài)下進(jìn)行的。而真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與測試的理想環(huán)境是不相同的，所以在選擇通風(fēng)柜的時候，我們除了考慮通風(fēng)柜的面風(fēng)速是否滿足要求，還應(yīng)該考慮泄漏率和換氣效率這兩個控制指標(biāo)，其中泄漏率是可以非常直觀表達(dá)通風(fēng)柜是否安全的指標(biāo)。即使廠家提供的檢測報告里面風(fēng)速、泄漏率和換氣效率都是合格的，也不一定能夠證明通風(fēng)柜的運(yùn)行就一定沒有問題，還要考慮到實(shí)際現(xiàn)場的平面布局、通風(fēng)系統(tǒng)和實(shí)際使用等等。

實(shí)驗(yàn)室平面布局問題。當(dāng)兩臺通風(fēng)柜垂直布局時候，如圖4 所示，中間可能會有一個夾角，夾角區(qū)域?qū)嶋H就是一個渦流區(qū)域，這是一個會互相影響的區(qū)域。通風(fēng)柜正常運(yùn)行有一個非常重要的指標(biāo)就是通風(fēng)柜前橫斷氣流，橫斷氣流通常要求是小于三分之一額定面風(fēng)速，比如按照美標(biāo)或者國標(biāo)，當(dāng)額定面風(fēng)速是0.5m/s 的時候，那就要求，通風(fēng)柜前的橫斷氣流要小于0.15m/s。然夾角區(qū)域的渦流會影響到橫斷氣流，進(jìn)而影響到通風(fēng)柜的泄漏率。再比如一個實(shí)驗(yàn)室里面如果設(shè)計(jì)了通風(fēng)柜的話，通常實(shí)驗(yàn)室里都需要補(bǔ)充一定量的新風(fēng)，送風(fēng)口位置的設(shè)計(jì)就很重要，如果送風(fēng)口離著通風(fēng)柜比較近，那么在送風(fēng)的氣流比較大的情況下，也是會影響到通風(fēng)柜前的橫斷氣流，進(jìn)而導(dǎo)致通風(fēng)柜的泄漏。

舉例實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)系統(tǒng)的問題，這個問題也是最常見的問題，占比達(dá)到35%。實(shí)驗(yàn)室良好的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)才是通風(fēng)柜發(fā)揮作用的基礎(chǔ)。例如當(dāng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的主管路跟支管路進(jìn)行連接的時候，要保證它中間的連接角度，可以對照一下自己的實(shí)驗(yàn)室，如果支管道跟主管是垂直的話，整個通風(fēng)系統(tǒng)的壓損就會比較大，通常來講要求是會有一個30°到45°的斜角，再例如通常管路會有一些變徑，變徑的角度不能超過15°，彎頭的角度最好不要超過30°等等。

最后，用戶操作的問題。許多實(shí)驗(yàn)人員并不是特別了解空氣動力學(xué)，對通風(fēng)柜的內(nèi)部的氣流組織形態(tài)也并不熟悉。當(dāng)通風(fēng)柜內(nèi)實(shí)驗(yàn)物品的擺放不合理時，就會直接干擾到通風(fēng)柜內(nèi)部正常的氣流組織，當(dāng)人員操作動作幅度較大或者視窗位置不合理，都會增加柜內(nèi)氣體泄漏的風(fēng)險。下面我們總結(jié)了通風(fēng)柜在運(yùn)行時的關(guān)鍵因素：

■平時與操作時，均應(yīng)盡量將柜門放低至20 ～ 25 cm 以下；

■平時與操作時，燒杯、裝填化學(xué)品的容器、實(shí)驗(yàn)器械等盡量置放在柜內(nèi)中央靠后方的區(qū)域；

■側(cè)壁附近與前方離柜門開口約15 cm 內(nèi)不要置放任何燒杯、裝填化學(xué)品的容器、實(shí)檢器械等；

■燒杯、裝填化學(xué)品的容器、實(shí)驗(yàn)器械等開口至少離工作面15 cm 高；

■開丶關(guān)柜門時，速度要慢；操作實(shí)踐時，手與身體的動作盡量放慢；

■操作時，人要站后方一點(diǎn)，腹部、胸部離開門檻或柜門至少10 cm；步入操作區(qū)及離開時，速度要慢；

■執(zhí)行工作時不可將頭探入排氣柜內(nèi)；

■減少在柜前走動的機(jī)會，若必須在柜前走動，速度務(wù)必放慢；

■柜門附近不得有電扇、冷氣吹拂。盡量降低環(huán)境氣流的速度，環(huán)境氣流的速度最好小于0.1 m/s；

■排氣柜不得安裝在啟閉門，窗附近。操作時，應(yīng)減少門窗啟閉的機(jī)會；

■不要將排氣柜作為儲藏柜使用。若不得已要在柜內(nèi)里放或儲藏（非實(shí)驗(yàn)室操作作）盛有化學(xué)品之容器，則必須放置于左右靠近兩側(cè)墻后半段的角落，數(shù)量不要多。

圖4 兩臺通風(fēng)柜垂直布局

實(shí)驗(yàn)室智能控制

如果通風(fēng)柜選用的合格，實(shí)驗(yàn)室布局合理，通風(fēng)柜使用時也沒有什么干擾，在這種情況下，通風(fēng)柜一定要設(shè)置一套響應(yīng)即時、控制精準(zhǔn)的VAV 系統(tǒng)。當(dāng)通風(fēng)柜視窗拉起或拉下時，排風(fēng)風(fēng)量可以實(shí)時響應(yīng)，保證通風(fēng)柜視窗前的面風(fēng)速受控，從而保證柜內(nèi)氣流平順合理。

局部排風(fēng)設(shè)備控制好了，我們還要關(guān)注整個實(shí)驗(yàn)室區(qū)域。實(shí)驗(yàn)室需要做好一個微負(fù)壓的控制，保證實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的氣流不干擾到實(shí)驗(yàn)室外部環(huán)境，比如說辦公區(qū)。對于整棟建筑而言，我們氣流控制的原則是維持氣流的定向流即：空氣潔凈區(qū)流向空氣污染區(qū)。而對于更高要求的實(shí)驗(yàn)室，我們則會設(shè)置一些節(jié)能的控制系統(tǒng)，在保證安全運(yùn)行的條件下，降低能耗，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求控制實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

小結(jié)

保證實(shí)驗(yàn)人員健康和實(shí)驗(yàn)室安全運(yùn)行可以從下面四個方面入手：第一個方面，末端設(shè)備。將污染源控制在源頭，像上文提到的廢液收集的裝置，真空系統(tǒng)的集成、冷卻循環(huán)的集成，廢固柜的應(yīng)用等等，對這些末端設(shè)備的安全性進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以有效地污染源頭避免了污染的擴(kuò)散。第二個方面，針對性的氣流組織方案，通過合理的工藝布局，合理的管路設(shè)置，實(shí)現(xiàn)“實(shí)驗(yàn)設(shè)備—實(shí)驗(yàn)室區(qū)域—實(shí)驗(yàn)建筑”的氣流控制。其第三個方面，控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)要有比較快速的響應(yīng)，精準(zhǔn)的控制策略。最后，全面運(yùn)維。如果上升到整個實(shí)驗(yàn)室，要對實(shí)驗(yàn)室的人機(jī)料法環(huán)進(jìn)行整體運(yùn)維，例如實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境溫度、濕度，以及各種關(guān)鍵指標(biāo)的監(jiān)控，建設(shè)形成實(shí)驗(yàn)室的整體運(yùn)維數(shù)據(jù)。