基于空气中游离TDI浓度空间分布的校园塑胶操场污染研究<br/>——以北京师范大学第三附属中学为例

基于空气中游离TDI浓度空间分布的校园塑胶操场污染研究
——以北京师范大学第三附属中学为例

2012-03-21北京师范大学第三附属中学100088高暐暐赵建波王邵玮刘博玮

地理教学 2012年24期

关键词：塑胶附属中学北京师范大学

北京师范大学第三附属中学（100088）张强高暐暐邵然赵建波王邵玮刘博玮

指导教师李泉

基于空气中游离TDI浓度空间分布的校园塑胶操场污染研究
——以北京师范大学第三附属中学为例

北京师范大学第三附属中学（100088）张强高暐暐邵然赵建波王邵玮刘博玮

指导教师李泉

由于传统的校园塑胶操场铺设多选用甲苯二异氰酸酯（TDI）型聚氨酯（PU）材料，而校园空气中存在的游离TDI会影响师生的身体健康，本文作者在江西省质谱科学与仪器重点实验室的协助下，在北京师范大学第三附属中学两个校区塑胶操场上方及其周边采集了空气中游离TDI的空气样品，并借助质谱仪检测出其相对丰度，经过对数据的分析总结出空气中游离TDI的浓度在时间、水平位置、距地面高度等维度的分布规律，并从保护师生身体健康的角度提出了塑胶操场的使用建议，同时也对校园塑胶操场的建设提出了宝贵意见，以供在校师生和校方决策人员参考。

塑胶操场；空气；游离TDI；浓度；空间分布

一、研究背景及现状

1. 问题的提出

操场是我们每天运动和玩耍的场所，我们有时在操场会闻到一种刺激性气味，这引起了我们研究小组的注意。随着研究的深入我们了解到塑胶地操场因其性价比较高现已被广泛使用，尤其是学校操场多采用此材质。其中聚氨酯（PU）是塑胶运动场地重要的铺装材料，目前，国内PU塑胶运动场地所用的原料最普遍的是甲苯二异氰酸酯（TDI）型和二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）型两种。一直以来国内铺设的绝大部分是TDI型PU塑胶运动场地，其在高温或强光作用下,能释放大量游离的TDI单体。[1]TDI是常用的多异氰酸酯的一种，在国家标准GB5044—1985《职业性接触毒物危害程度分级》中，TDI为Ⅱ级（高度危害）毒物，属可疑人体致癌物。有研究表明，TDI型PU塑胶运动场地中游离的单体TDI占总量的3.48%，可以通过吸入其蒸气和气溶胶或食入吸收进入体内，[2]对人的呼吸系统有严重的刺激性，可能会引起过敏反应，造成呼吸困难等症状，甚至危及生命[3]。随着研究的深入我们又产生了疑惑：我们的校园塑胶操场是什么材质的？在校园空气中是否有游离的TDI单体存在？如果有，它的分布有什么规律？对我们的身体是否有伤害？我们平时在操场活动时应注意些什么等众多问题，于是我们研究小组又确定了本文的研究方向。

2. 国内外研究现状

目前国内外关于塑胶运动场地的研究主要分两类，一类主要是针对铺设材料的研究，比如塑胶跑道的安全性问题、经济型塑胶跑道的研究、新型环保塑胶跑道的研究、塑胶成分有毒性的研究、塑胶成分TDI与MDI的对比研究等；另一类则主要是针对塑胶运动场地上空及周围空气中游离TDI浓度的测量技术及分析研究，如质谱法、显色光度法、气相色谱法、高效液相色谱法和气质联用法等技术的研究，其中也不乏对塑胶运动场地上空及周围空气中游离TDI分布规律的研究，但一般都是针对不同环境进行对比研究，对于同一环境，尤其是占地面积较小的中学室外塑胶操场上空及周围空气中游离TDI的研究还未见。

二、研究目的、意义及方法

1. 研究目的和意义

本研究小组提出这一研究课题的目的就是希望通过检测研究我校（北京师范大学第三附属中学）空气中游离TDI浓度的分布状况，进而对我校塑胶操场带来的污染情况进行一个初步的评估，为我校师生在塑胶操场进行活动提出合理化建议，同时也希望引起校方乃至教育部门的重视，对学校塑胶操场的污染进行深入的研究，为我校和其他学校塑胶操场的建设提供参考意见。

2. 研究思路

本研究小组在在我校北校区、南校区共计12个采样点采集了样品，然后在东华理工大学所属的江西省质谱科学与仪器重点实验室的贾滨、洪锋两位硕士生和老师的指导下分别在中午和傍晚采集了96份样品；之后两位硕士生利用中科院化学研究所的质谱仪对样品进行了质谱分析；最后我们共同通过对数据的整理、分析得出了我校空气中游离TDI在时间、水平位置、距地面高度等维度的分布规律，为我们给学校提出合理化建议提供理论依据。

3. 采样点的选择

受本研究小组人员数量、采集用品数量、样品采集时间等因素的限制，我们在我校北校区水平空间共选择了8组采样点，南校区共选择了4组采样点，各组采样点的水平空间分布如图1、图2所示。采样点的选择考虑了以下因素的影响：①篮球场和跑道不同材质的影响；②南校区风雨操场与篮球场建设年代不同的影响；③距塑胶操场水平距离的影响；④建筑物可能对污染气体扩散的影响等。此外，采样点尽量选取在平时师生经常活动的区域。

图1 北京师范大学第三附属中学北校区1-8号采样点水平分布示意图

图2 北京师范大学第三附属中学南校区9-12号采样点水平分布示意图

另外，每组采样点按照高度分别选择了距地面0m处、0.5米处、1.0米处、1.5米处四个垂直采样点，一方面考虑了距地面高度对污染气体扩散的影响，另一方面考虑了初高中生不同身高、站立与蹲坐的高度差异可能带来的差异。

4. 样品的采集和实验方法

在每组采样点四位小组成员按尺子的高度分别在四个采样点同时用注射器缓慢抽入20mL的空气样品，然后将针尖插入装有1mL丙酮的样品瓶中缓慢将20mL空气推入瓶中进行洗气，由此制备出空气样品的丙酮溶液。由于TDI易溶于丙酮，在常规条件下不与丙酮发生反应，因此若空气样品中含有TDI即可在溶液中富集。在采集样品的同时分别用气温计和碎纸屑测量出当时的气温和风向。

图3 ESI原理图

将中午和傍晚采集的96份样品带到实验室采用电喷雾电离质谱技术（ESI-MS）在未经任何样品预处理的条件下直接对溶解于丙酮中的操场空气样品进行了质谱分析（见图3、4）。仪器的其他工作条件为：离子传输管温度175 ℃，电喷雾电压4 kV，喷雾气压0.8 MPa，样品流速5 μL/min。

图4 TDI的ESI质谱图

图5 空白样品和操场空气样品的ESI质谱谱图

三、实验数据与分析

1. 实验资料与数据

采样地点：北京师范大学第三附属中学北校区及南校区

采样时间：2011年10月12日12:50-13:35（南校区），13:55-14:50（北校区），16:55-17:25（南校区），18:00-18:55（北校区）

样品量：20mL空气，1mL丙酮样品

实验数据：见下

表1 2011年10月12日中午采集样品中TDI的相对丰度（%）

表2 2011年10月12日傍晚采集样品中TDI的相对丰度（%）

2. 数据分析

分析ESI质谱谱图（见图5）发现操场空气样品比空白样品的信号强，表明该实验方法可以有效地检测出所采集的操场空气中的痕量TDI。但是谱图中,信号均相对较低，表明操场空气中游离的TDI含量并不是非常高。

分析中午、傍晚在北校区、南校区12个采样地各4个高度的样品中的TDI相对丰度数据（见表1、2）可知：

（1）傍晚获得的样品中TDI的相对丰度明显低于中午检测到的样品中的TDI相对丰度。说明太阳辐射日变化导致的气温日变化对塑胶操场TDI的挥发量产生了显著的影响。

（2）在塑胶操场的正中央，随着垂直高度的增高，空气中游离TDI的含量会逐渐降低（如1、9、12号采样点样品数据所示）。水平方向位于塑胶操场下风向区的采样点数据显示：随着距操场距离的增加空气中游离TDI的浓度会大幅降低，至约100米处，降至操场上空游离TDI浓度的50%左右（如4、7、8采样点样品数据所示）。说明塑胶操场是空气中游离TDI的主要产生源。

（3）在塑胶操场外围0～1.5米的高度范围内，我校校园内空气中游离TDI含量并不存在明显的随高度发生变化的情况，或者说存在着细微的随高度增加游离TDI浓度降低的趋势。这应当与校园内游离TDI产生区域的面积比例有关，游离TDI产生区域的比例越大，则随高度升高其浓度降低的趋势越明显，相反，则随高度升高其浓度降低的趋势越不明显，甚至有可能出现随着高度升高游离TDI浓度也升高的整体趋势，如有些采样点下垫面是水泥地，水泥地中午受太阳照射后温度较高，易产生上升气流，随着空气扩散到此地的游离TDI会随着上升气流又向上扩散，因此这样的采样点地表处的游离TDI含量反而比较高位置的游离TDI含量低（如4、5、6、8、10号采样点样品数据所示），且0.5m～1.5m的高度范围内，游离TDI含量随高度升高而降低的趋势并不明显，基本维持稳定。此外，空气中游离TDI浓度的高低分布很可能还与当时的风向、风速等因素有关。总之，空气中游离TDI的含量随高度的变化受下垫面的性质、风向、风速等多重因素影响，因而更为复杂。

（4）采样点的通风状况会对此地空气中游离TDI的浓度产生较为显著的影响。2号采样点由于在墙边和树荫下，通风条件不是非常理想，而且有树荫遮盖，游离TDI不易向上飘散，因此游离TDI在此囤积，维持较高的浓度，且含量随高度变化而变化并不明显。6号采样点由于通风效果较差，三面围墙，再加上距离操场较近，因而其空气中游离TDI的浓度比操场外其他采样点的浓度都要高。

（5）红色颗粒状塑胶跑道产生的TDI有可能比绿色光滑塑胶场地要多（如中午测得的3号采样地样品的数据所示），但也有可能是3号采样地受到了其东侧楼房的阻挡作用而产生了空气的堆积，从而导致了其游离TDI含量较高，而非红色塑胶跑道比绿色塑胶跑道产生更多的游离TDI。

（6）使用年限较久的塑胶操场相对于较新的塑胶操场，游离TDI的释放量较少（如12号较1号和9号采样点样品数据所示），但其游离TDI浓度仍高于塑胶操场外其他采样点（如12号较10号和11号采样点样品数据所示）。

四、结论和建议

综上所述，本研究得到以下几点主要结论，并给出相应的建议：

1. 结论

（1）从时间上来看，气温高低对塑胶操场TDI的释放量有着明显的影响，在秋季等昼夜温差不大的季节也十分明显。另外，随着塑胶操场的使用，其TDI的挥发量会逐渐降低并达到正常水平。

（2）从水平空间上来看，作为空气中游离TDI的源头，塑胶操场上方空气中游离TDI的浓度较操场周边要高出一倍左右；塑胶操场周边空气中游离的TDI浓度受通风状况、风向、建筑物布局等因素的综合影响而存在差异：通风良好的区域，游离TDI的浓度会较低；塑胶操场下风向的区域，游离TDI的浓度会偏高；狭长的、长廊式的建筑物布局不利于游离TDI浓度随距塑胶操场距离的增加而迅速降低。

（3）从垂直空间上来看，塑胶操场中央地带上空的游离TDI浓度会随着高度的增加而降低；塑胶操场周边人体头部活动的高度范围（0.5m～1.5m）内不存在明显的TDI浓度随高度变化的趋势。

总之，校园空气中游离TDI的含量的多少受塑胶操场材质和建造时间、气温、距塑胶操场水平距离、距地面垂直距离、风向、风速、通风条件、下垫面性质等多种因素综合影响。

2. 建议

（1）在校师生尽量避免在地表温度较高的午后到塑胶操场上活动，活动时应尽量避免长时间躺卧和坐下，平时尽量不要在房前、墙角等通风条件不好的地方长期观看球赛等。

（2）在校师生进行日常非运动的活动时建议在与塑胶操场有一定距离的上风向区域。新建校在规划时建议相关部门把塑胶操场尽量建在校园所在地区盛行风的下风向区域，且塑胶操场的下风向区的建筑物布局应当有助于游离TDI的迅速扩散，并应尽量少有人员经过和活动。

（3）建议学校或相关教育部门深入调查学校塑胶操场的污染情况，对污染严重的塑胶操场进行重建，使用低毒性、低挥发性的材料，如用MDI型的PU材料替代TDI型的PU材料，使我们在更绿色的环境中健康学习、生活。