活性炭二次污染风险评估模型的建立与分析[1]
2017-09-22王晓旭夏美霞
文/李 倩 王晓旭 夏美霞
活性炭二次污染风险评估模型的建立与分析[1]
文/李 倩 王晓旭 夏美霞
活性炭目前普遍被用于室内空气质量的提升。本文通过风险因素分析，引入优序对比法，建立了风险评估模型，分析了活性炭二次污染风险程度，并根据风险程度分别针对企业、相关监管部门和消费者提出降低风险策略。
活性炭 二次污染 风险因子 风险模型
室内空气污染物有来源广、种类多的特点。常见的主要污染物有甲醛、氡和挥发性有机物等。随着人们对室内空气质量的重视和技术的发展，室内空气污染防治措施日趋增多，主要有吸附净化、紫外线消毒、化学消毒、光催化氧化、空气负离子技术、生物净化和植物净化等。物理吸附是吸附质和吸附剂以分子间作用力为主的吸附。作为物理吸附分离操作的常用吸附剂，活性炭具有如下特点：选择性强、比表面积较大、孔径范围广、表面富含多种官能团、性能稳定以及可以再生等等。因此，它的市场应用越来越广，同时对其吸附性能提出了更高的要求。
一、活性炭二次污染
由于活性炭会产生饱和吸附和反释放，且每种活性炭的表面结构不同，吸附作用也相差甚远。所以，很多家庭对于放置活性炭的数量和时间不清楚，很容易产生活性炭量不够，达不到较好的吸附效果，或放置时间过久，使得活性炭吸附饱和并重新释放入室内，造成二次污染，存在不小的风险。因此，有必要对活性炭二次污染风险做一个对应的评估模型。
本研究首先探讨了建立一个可以方便操作的活性炭二次污染风险评估模型，然后通过实例研究该模型的可行性和具体使用方法。在研究过程中，采用作业条件危险性评价法(格雷厄姆・金尼法或LEC法)，通过对各因素的分析，引入优序对比法等对其分配权重，建立一个风险评估模型。该模型只需要针对具体评估对象，确定使用活性炭产品造成的最大伤害，以及各风险因素失控的可能性。针对实例验证的结果，模拟建立切实可行的风险防控和应对措施。
二、采用的风险分析方法
1. 风险因素分析
计算活性炭二次污染风险分值Du=LuEuCu。针对识别出的风险，考核被评估对象，计算活性炭产品使用过程中事故风险分值，分析该风险因素失控的可能性系数（Lu）、对使用者和相关方的伤害影响范围（Eu）和发生事故产生的后果（Cu）（分别见表1、2、3）。
表1 风险因素失控的可能性系数表
表2 伤害影响范围
表3 发生事故产生的后果
2. 优序对比法
通过各项因素两两比较，充分考虑各项因素之间的互相联系，两两相比数字越大，表明重要性越大，从而确定其权重（见表4）。
表4 4因素优序对比示例
由表4示例得出：最终4个因素的权重分别为0.23、0.15、0.30、0.32。
3. 整体风险分析
由具体问题导致的质量风险Di' = Li' DuiE'。
通过优序对比法分析，识别出风险因素Wui和质量风险因素的各自权重Wi，则最终被评估系统的整体风险D = Σ (WiDi')（见表5）。
表5 产品整体风险等级划分
三、活性炭二次污染风险评估系统体系
根据活性炭二次污染风险相关因子，采用LEC法分别对物、环境和人的因素进行分析，形成了相关风险评估体系指标（如图1所示）。其赋值评价结果和权重赋值如下。
1. 物的因素
将整个指标体系的风险和权重整合，得出活性炭二次污染风险分析评价模型（如表6所示）。
① 吸附质性质的影响
活性炭的二次污染与吸附质的分子动力学直径、分子量、密度、沸点、饱和蒸汽压、极性存在着密切关系，分子动力学直径大、分子量大、沸点高、密度大、饱和蒸汽压低和极性弱的有机吸附质易于被吸附。
② 吸附剂性质的影响
活性炭比表面积越大，其吸附性能越佳。吸附质在活性炭内部的传质速率与活性炭内部的复杂程度有关，活性炭内部结构越复杂，传质速率越慢。良好的孔结构梯度分布有助于加强活性炭内部吸附质的扩散。
2. 环境的因素
图1 活性炭二次污染风险评估体系指标
表6 活性炭二次污染风险分析评价模型
表7 质量风险发生可能性赋值
由于实际过程中，每种有害物质的扩散情况、理化性能均不相同，彼此间的影响也更为复杂，特别是温度，其影响活性炭二次污染的原因较为复杂。非线性规律打分赋值结果具体见表6。
3. 人的因素
根据研究表明，活性炭在长期放置后反而会出现反吸附，将原来的吸附质重新释放到环境中去。对于不同的吸附质、环境温度放置时间和产生的拐点差异较大。打分赋值结果具体见表6。
4. 模型搭建
在建立模型过程中，将导致人身和(或)财产安全的风险分为完全可能发生和完全不可能发生，确定系数分别为1和0。对于完全不确定的因素，本着预防为主的原则，本文直接将可能性定为1。阶段式赋值见表7。
对于造成的危害，只需找出最严重的损害。将使用问题产品立刻导致死亡伤害或重大财产损失的危害系数定为1，完全没有影响定为0。具体赋值如表8所示。
确定具体的风险，分别考虑人身伤害、财产损失和产品分布范围，取最高者确定后果。对于不能确定具体哪个级别后果的，应本着严格和预防原则，定在评估者的理解的最高值。
根据历年的相关报道，活性炭直接致人死亡的情况基本没有，但导致使用者身体不适的情况则有发生，故本次研究将产品的危害赋值定为0.4。
5. 整体风险评估
根据表6得出，最终被评估系统的整体风险D = Σ(WuiDi’)≈228，该整体风险值处于显著危险。
表8 产品危害赋值（E）
四、降低风险的策略
1. 企业
现在，市场上的活性炭也往往存在如吸附容量不高、吸附后活性炭的再生能力差、吸附性能受水气等环境因素影响较大等缺陷。根据本次模型的建立和分析，活性炭物的因素也存在一些风险，生产厂商可以通过活性炭孔结构调控和表面改性方法，提升活性炭的孔隙容积、孔径分布、比表面积、孔的形状、大小、表面化学、表面官能团和表面能量，开发具有更佳吸附性能或满足特定需求的高效吸附材料，如：特种用途活性炭、高强度活性碳纤维和活性碳布。
2. 相关监管部门
目前，现行标准如GB/T 26900-2011《空气净化用竹炭》中，只采用重量法对竹炭在标准状态下24 h吸附做了规定，这与实际使用的状态差距较大（实际过程中并不能达到每天都将活性炭取出，更换新的，重新放置），并且该标准中也没有其持续净化性能（即放置时间效果）和使用效果（即最佳吸附时间）的研究。根据本次风险评估模型分析，得出的确存在持续性能不佳的风险。相关的检测机构应着重研究检测方法、环境因素、吸附时间和吸附质对活性炭吸附能力的影响、研究吸附质在活性炭上的吸附性能与微尺度结构和性质之间的内在关联，以填补活性炭持续净化性能检测方法的缺失。相关部门应加强产品的质量监管，并对相应的标准、检测内容进行补充和更新，指导消费者根据自身情况，更有效合理地在装饰装修后采用活性炭进行室内空气环境污染治理，以避免在高温环境下，活性炭因放置时间过久使得活性炭吸附饱和并重新释放入室内，反而对人体产生危害。
3. 消费者
目前，市场上活性炭的品牌较多，不过质量参差不齐，有很多都是以普通炭冒充活性炭。消费者在选购活性炭时可以注意以下几点：
① 选择等体积大的活性碳成品。活性炭孔隙越多，相对密度就越低，手感就会越轻，在等重量包装情况下，体积也就越大。
② 选择颗粒小的活性炭。活性炭成品越小，接触空气面积就越大，比表面积也越大，吸附性能就越好，但是很多厂家为降低成本，使用大颗粒活性炭。如果消费者购买了大颗粒包装的活性炭，建议将活性炭碾压至颗粒直径在0.42～0.85 mm之间。
③ 选椰壳炭材质。活性炭是靠孔径大小来吸附有害气体的，其对分子量大、沸点高、极性弱的有害物质吸附性能更高；不同的有害气体的分子量不同，应选择对应的不同空隙大小的活性炭才能达到最好的吸附效果。国际上椰壳炭是吸附异味和苯等污染物的首选活性炭。
④ 使用温度和放置时间。根据模型分析，活性炭的二次污染、温度和使用时间的影响十分巨大，根据研究，竹炭除去有害物质的最佳持续吸附时间为4～5天。在20～25 ℃时，竹炭对甲醛、苯、TVOC试验液吸附基本呈上升趋势；在25～30 ℃时竹炭的吸附率呈下降趋势；随着温度继续升高至35 ℃时，竹炭的吸附率又逐步上升。这一现象说明温度对竹炭的吸附性能影响比较明显。由于消费者在实际过程中，每种吸附质的扩散情况、理化性能、使用时的环境温度均不相同，彼此间的影响也更为复杂。活性炭的最佳持续吸附时间可能更短。建议每隔3～4天左右拿到太阳下暴晒3～5 h。
Activated carbon is currently widely used to improve indoor air quality. Based on the analysis of risk factors, this paper introduces the method of priority comparison, establishes the risk assessment model, analyzes the degree of secondary pollution risk of activated carbon, and puts forward the strategy of risk reduction for enterprises, relevant supervisors and consumers according to the degree of risk.
Activated carbon; Additional pollution; Risk factors; Risk model
（作者单位：上海市质量监督检验技术研究院）
注：[1] 基金项目：“国家质量基础的共性技术研究与应用”重点专项《家具产品中挥发性有机物（VOCs）NQI集成技术典型应用示范》（2016YFF0204506）
