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室内空气质量与人体健康 功能核孔膜在改善室内空气质量中的作用浅析 清华大学：王玉兰 空气与人类的生存息息相关，它直接参与人体的气体代谢、物质代谢和体温调节等过程。一个人每天呼吸的空气约为 1 万多升，折合质量约为 12.9 kg，约为每天所需食物和饮水量的 10 倍。洁净空气是人赖以生存的必要条件之一。一个人在五个星期内不吃饭或 5 天内不喝水，尚能维持生命，但超过 5 分钟不呼吸空气，便会死亡。在经历了工业革命带来的“煤烟型污染”和“光化学烟雾型污染”后，现代人正进入以“室内空气污染”为标志的第三次污染时期。城市居民每天有 7090%的时间在各种室内环境中度过，因此，室内空气的质量直接影响着人们的身体健康。我国室内空气质量标准 GB/T18883-2002 规定，室内空气质量应达到表 1 的要求。表 1 室内空气质量标准 室内空气污染物以两种形式存在，一种以气溶胶形式存在，主要来源于 1）通过室内外通风而进入的室外大气污染物,如 PM2.5 细颗粒物(金属尘、汽车尾气等)、花粉、孢子、降尘等；2）室内建筑及装潢材料、现代办公设备和人体自身所产生的污染物，如放射性气溶胶氡及其子体，细菌和病毒。另一种是以气体形式存在的有毒有害气体：如甲醛、苯系物、氨、一氧化碳 CO、二氧化碳CO2等。下面就影响室内空气质量的不同因素对人体产生的危害分别加以说明。1 大气污染物-细颗粒物 PM2.5 PM2.5 为空气动力学当量直径小于 微米的颗粒物质，又称为细颗粒物，可引起能见度的降低，是构成雾霾天气的主要原因。虽然细颗粒物只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比，细颗粒物粒径小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。细颗粒物对人体健康的危害更大，是因为直径越小，进入呼吸道的部位越深。10m直径的颗粒物通常沉积在上呼吸道，2m以下的可深入到细支气管和肺泡。细颗粒物进入人体到肺泡后，直接影响肺的通气功能，使机体容易处在缺氧状态。研究表明，PM2.5 每立方米增加 10 个微克，呼吸系统疾病的住院率可以增加到 3.1%。灰霾从 25 个微克增加到 200 微克，日均的病死率可以增加到 11%。细颗粒物对人群健康的影响既包括急性效应，也包括慢性长期效应，涉及全年龄段人群，但对于易感人群如老人、儿童及孕妇等的健康影响更为严重。PM2.5 对心、脑血管疾病等慢性病患者有较大的破坏力，会增加心脏病患者的心脏负担，诱发脑梗死等。PM2.5 诱发呼吸道疾病，雾霾中含有大量的颗粒物，这些包括重金属等有害物质的颗粒物一旦进入呼吸道并粘着在肺泡上，轻则会造成鼻炎等鼻腔疾病，重则会造成肺部硬化，甚至还有可能造成肺癌。雾霾对于患有哮喘、慢性支气管炎、慢性阻塞性肺病等呼吸系统疾病的人群会引起气短、胸闷等不适，可能造成肺部感染，或出现急性加重反应。一项来自美国、韩国和巴西等9个国家和地区的14个研究中心所提供的300万名新生婴儿数据的研究显示，PM10 每增加 10 微克每立方米，婴儿出现体重不足的几率就会增加 3%，并且其体重的总平均值减少 3 克，PM10 的中间值在14 个中心之间发生变化，从加拿大温哥华的 12.5 微克每立方米，到韩国首尔的66.5 微克每立方米，结合 PM2.5 暴露的信息，随着每个中心暴露在可吸入颗粒物中的水平增加，婴儿低出生比重的几率增加 10%。世界卫生组织最新发布的数据显示，2012 年全世界约有 700 万人死于空气污染相关疾病。世界卫生组织的研究数据还表明，全球空气污染相关死亡中近七 成与缺血性心脏病和卒中有关，25%与慢性阻塞性肺病或急性下呼吸道感染有关，6%与肺癌有关。2013 年 11 月 4 日，中国社会科学院、中国气象局联合发布的气候变化绿皮书：应对气候变化报告(2013)(以下简称“绿皮书”)指出，近 50 年来中国雾霾天气总体呈增加趋势。该报告还指出，雾霾天气现象会给气候、环境、健康、经济等方面造成显著的负面影响，如提高死亡率、使慢性病加剧、使呼吸系统及心脏系统疾病恶化、改变肺功能及结构、影响生殖能力、改变人体的免疫结构等。2 放射性气溶胶-氡及其子体 氡存在于建筑水泥、矿渣砖和装饰石材以及土壤中。在美国，建筑新房时，有关部门会对选址地的土壤进行氡的测定，以判断该地区氡含量的高低。如果超过标准就会建议建筑者重新选址，避开高氡区。对于氡这种放射性物质对人体的危害，国外一直十分重视。美国就将每年 10 月的第 3 周定为氡宣传周，以提醒人们对氡危害的警惕性。我国也制定了氡含量的国家标准，新房标准是小于100Bq/立方米，旧房标准是 200Bq/立方米。氡对人体的主要是导致肺癌，它是除吸烟外的第二大致肺癌病因。3 细菌、病毒 人体会通过呼吸道、皮肤、汗腺排出各种病毒和细菌，这些病毒和细菌往往游离在空气中，且繁殖能力强，繁殖速度快，严重影响了室内空气的质量。4 有毒有害气体 目前由于建筑、装饰和家具造成居室内空气中主要的有害气体包括：1）甲醛。甲醛可以致癌，也可能导致胎儿畸形。国家标准规定，室内每立方米不能超过 0.08 毫克。举例说明，当人们把家具买回家后，一打开柜门往往会有一股刺鼻辣眼的气味扑面而来，这股气味就是甲醛。密度板中的甲醛毒气在有的家庭中三五年都不会消灭殆尽;2）苯系物。如苯、甲苯和二甲苯。它存在于油漆、胶以及各种内墙涂料中。由于苯属芳香烃类，人一时不易警觉其毒性。但如果在散发着苯气味的密封房间 里，人可能在短时间内就会出现头晕、胸闷、恶心、呕吐等症状，若不及时脱离现场便会导致死亡。另外苯也可致癌，引发血液病等，已经被世界卫生组织确定为致癌物质。卫生部 2001 年制定的室内空气质量卫生规范规定室内空气中苯的标准是每立方米小于 0.08 毫克;3）氨气。室内氨气主要来源于混凝土防冻剂，北方冬季施工中，为了提高混凝土的强度，在混凝土中加入了含有尿素的防冻剂，房屋建成后，混凝土中的大量氨气释放出来。氨对人体的危害主要是对呼吸道、眼黏膜及皮肤的损害，出现流泪、头疼、头晕症状等。2001 年民用建筑工程室内环境污染控制规范室内空气中氨浓度为每立方米低于 0.2 毫克；5 二氧化碳（CO2）。二氧化碳（CO2）是无色、无味的气体，比空气略重，在空气中含量仅为 0 03。生物呼吸、细菌发酵、有机物质燃烧均可产生二氧化碳。二氧化碳与一氧化碳不同，其本身是无毒的。但长时间处于低浓度二氧化碳环境中或突然进入高浓度二氧化碳环境中，均会导致二氧化碳中毒。空气中二氧化碳增多，常伴随氧浓度降低。在正常情况下，1 个成人每小时要呼出 25L 的二氧化碳。若在人员众多，通风不畅的情况下，室内二氧化碳浓度将升高，氧浓度降低，形成对人体有害的低浓度二氧化碳环境。试验证明氧充足的空气中二氧化碳浓度为 5时对人尚无害；但是，氧浓度为 17以下的空气中含 4二氧化碳，即可使人中毒。低浓度的二氧化碳可以兴奋呼吸中枢，使呼吸加深加快。由于二氧化碳的弥散能力比氧强 25 倍，故二氧化碳很容易从肺泡弥散到血液造成呼吸性酸中毒，表现为头痛、头晕、注意力不集中、记忆力减退等。在密闭狭小的厨房、浴室使用煤气热水器，可造成生活中高浓度的二氧化碳接触。高浓度二氧化碳可以抑制和麻痹呼吸中枢，表现为脑缺氧症状，可引起反射性呼吸骤停而突发死亡。6 一氧化碳 一氧化碳，分子式 CO，是一种无色，无嗅，无味，含剧毒的无机化合物气体，比空气略轻。一氧化碳是含碳物质不完全燃烧的产物。由于一氧化碳与体内血红蛋白的亲和力比氧与血红蛋白的亲和力大 200300 倍，而碳氧血红蛋白较氧合血红蛋白的解离速度慢 3600 倍，当一氧化碳浓度在空气中达到 35ppm，就会对人体产生损害，会造成一氧化碳中毒（又称煤气中毒）。中毒机理是一氧化碳与血红蛋白结合，形成碳氧血红蛋白，使血红蛋白丧失携氧的能力和作用，造成组织窒息。对全身的组织细胞均有毒性作用，尤其对大脑皮质的影响最为严重。最常见的一氧化碳中毒症状，如头痛，恶心，呕吐，头晕，疲劳和虚弱的感觉。一氧化碳中毒中毒症状包括视网膜出血，以及异常樱桃红色的血。暴露在一氧化碳中可能严重损害心脏和中枢神经系统，会有后遗症。一氧化碳可能令孕妇胎儿产生严重的不良影响。临床表现主要为缺氧，轻者有头痛、无力、眩晕、劳动时呼吸困难。症状加重，患者口唇呈樱桃红色，可有恶心、呕吐、意识模糊、虚脱或昏迷。重者呈深昏迷，伴有高热、四肢肌张力增强和阵发性或强直性痉挛。患者多有脑水肿、肺水肿、心肌损害、心律失常和呼吸抑制，可造成死亡。部分急性CO 中毒患者于昏迷苏醒后，经 230 天的假愈期，会再度昏迷，并出现痴呆木僵型精神病、震颤麻痹综合征、感觉运动障碍或周围神经病等精神神经后发症，又称急性一氧化碳中毒迟发脑病。长期接触低浓度 CO，可有头痛、眩晕、记忆力减退、注意力不集中、心悸。在封闭的环境中，一氧化碳的浓度可以很容易达到造成致命的水平。平均而言，每年在美国就有 170 人因一氧化碳而死。然而，根据佛罗里达州卫生署资料“每年有 500 多名美国人死于一氧化碳意外接触和美国各地的有数千人因一氧化碳中毒需要紧急医疗照顾”这些可能产生一氧化碳的产品包括故障的燃料燃烧机器，如炉，炉灶，热水器和室内加热器。一氧化碳也是烟草燃烧产生烟雾的次要成分。一氧化碳存在于各种自然和人造环境中，以“PPM”来度量的典型浓度如下：干燥大气中的组成（以“体积”计）ppmv:百万分率 by volume 浓度 来源 0.1 ppmv 大气中污染的水平 0.55 ppmv 居家中的平均水平 515 ppmv 居家的火炉、加热器附近，现代汽车排放的废气 7 缺氧 人体新陈代谢过程当中必须有足够的氧，各种营养物质必须同氧结合，才能完成生理氧化过程，产生出能量。所以氧是人体新陈代谢活动关键物质，是人体生命运动的第一需要。“人活一口气”确定了氧在生命能源中的第一位置。人在得到充足的氧的情况下,吃进的营养物质经过氧化,才会被细胞利用,转化成能量,供给各个组织器官,才能保证免疫系统正常工作。人缺氧,各器官的功能和免疫力就会下降。专家指出:“没有氧,人的生命活动就会停止”；“缺少氧,就会造成人的器官性病变”,这种病变是由于免疫系统长期缺氧,形成功能性障碍造成的。:“缺氧乃万病之源”。人体每分钟耗氧量在 0.25-0.30 升，其中大脑耗氧占25%左右，心脏耗氧占 15%以上，一旦缺氧，首受其害的是大脑和心脏。供氧不足，则引起体力不足、体力不支、头昏、失眠、记忆力下降及食欲不振等疲劳综合症，影响人的智力和工作效率。环境因素是引起人体缺氧的原因之一。人处于空气稀薄的高原、矿井或长期呆在密闭的高层办公楼内均可造成人体缺氧。长期缺氧必然产生一系列危害：缺氧导致体内有氧代谢率下降，无氧酵解加强，机体代谢效率降低，免疫力下降；缺氧引起肺血管收缩，造成肺动脉高压，右心室负担增加，最终导致肺心病；缺氧可加重高血压，加重左心负担，引起心律失常；缺氧刺激肾脏产生红细胞生成素，使体内红细胞增多，血液粘稠度增高，外围血管阻力加大，心脏负担加重，引起或加重心力衰竭，诱发心肌梗塞、脑血栓等；缺氧引起肝细胞水肿、变性和坏死，肝功能障碍，肝纤维化；使肾血管收缩，肾小管上皮细胞坏死而导致肾功能不全等；缺氧使得整个身体状况进入一种相互影响的恶性循环状态。大脑长期缺氧可产生一系列精神、神经症状：如睡眠障碍、智力下降、记忆力下降、行为异常、个性改变等。有研究表明，1）所有的疾病是从缺氧开始的；2）缺氧是启发癌症的主要原 因；3）氧气对增强免疫系统起着决定性作用；4）氧气对哮喘和恢复疲劳有极大的效果；5）氧气对防止老化和老年痴呆症有明显效果；6）充足的氧气可消除疲劳、提高智力和工作效率。20.9%是大气标准氧浓度值；20.5%是按基建法的通风量的基准值；19-20%是因增加 CO 和 CO2而产生烦闷的浓度值；18.0%是劳动安全卫生标准最低值；15-16%是有缺氧现象呼吸增加的浓度值；13-15%是油灯熄灭浓度值；12.0%是短时间危险浓度值；7.0%是致死亡浓度值。综上所述，影响室内空气质量的因素包括，空气污染和缺氧。污染分为室外源污染如 PM2.5 细颗粒物和室内源污染如装潢，家具产生的甲醛，苯，放射性气体等，他们严重危害着人们的健康。紧闭门窗可阻挡室外源污染物进入室内，但室内源污染物出不去，同时易造成缺氧环境；开窗通风可释放室内源污染物，但同时也引进了室外源污染物。在大气污染严重的今天，开窗与否困惑着我们。如何解决这一问题，如何采取有效措施，研究和开发新技术和产品，以预防和减少室内空气污染，并将室内空气质量维持在宜居生态水平，无疑对人们保持身心健康、提高工作效率、提升生活品质具有重要的积极意义。功能核孔膜是解决上述问题极为理想的多孔薄膜材料。其原理是采用高能重离子辐照塑料薄膜材料，在离子经过的路径上形成辐射损伤，损伤范围约 35 纳米，经后期化学蚀刻处理，损伤区域被扩大至微米量级，形成微孔通道。辐照束流强度和辐照时间决定微孔密度，即每平方厘米内的微孔数量。化学蚀刻条件决定微孔直径及形状。因此，核孔膜上微孔密度可被精确控制，范围从 11012/cm2，孔径可根据需要，从 20 纳米至十几微米。图 1 为核孔膜电子显微镜照片。将核孔膜微孔结构进行改进,并对膜表面及微孔内壁进行特殊的化学修饰处理,即制成清华大学独创的功能核孔膜。图 1 核孔膜扫描电镜照片 实验研究表明，特定参数的功能核孔膜气溶胶过滤效率曲线类似余弦曲线，如图 2 所示；阻隔 PM2.5 细颗粒物的效率高达 97.8%;微孔对病毒、放射性气溶胶氡及其子体的过滤效率低，即病毒和放射性气溶胶氡及其子体可透过微孔；甲醛、苯系物等有毒有害气体可透过微孔扩散，30 分钟内膜两侧气体浓度趋于一致；膜两侧单位浓度梯度下，苯系物在微孔内的扩散，每平米核孔膜可使膜一侧的苯系物浓度在每分钟内减小 0.724mg/m3,扩散速度很快;气体透过率高达0.9m3/minm2。图 2 功能核孔膜过滤气溶胶效率曲线 因此，若用功能核孔膜作为换气过滤材料安装在房间的通风处（如窗上），利用微孔内壁化学修饰上的特殊功能团所产生的静电场，高效捕捉 PM2.5 细小颗粒，但对病毒和放射性气溶胶阻隔作用很小，近乎是通透的，同时孔径是气体分子直径几万倍的微孔又允许气体畅通无阻地流动，即可在高效阻挡室外 PM2.5颗粒的同时实现室内外气体交换及室内高浓度的病毒和放射性气溶胶随气体流动到达室外。所以，功能核孔膜被称之为智能换气材料，甄别 pm2.5 细颗粒物与气体、病毒等，阻挡 PM2.5 微粒，透过气体和病毒，是一种无须耗电的高效空气净化装置：阻挡外界的大气污染物 PM2.5 进入室内，同时当室内氧气浓度降低时，外界的氧气会源源不断地流进室内，室内的甲醛，二氧化碳，一氧化碳、苯系物等有毒有害气体及病毒、放射性物质也会依浓度扩散原理透过微孔到达室外，从而营造室内氧气充足、无污染的清新自然空气环境。