校園霾

符兮之++李子睿++謝竹欣++向歡++蔡葦

摘 要：為了深入認識粉筆塵的危害并為探尋粉筆塵的治理方法提供科學依據，采用掃描電鏡和能譜儀表征了粉筆塵的形貌和化學成分，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、產量，探討了其對人體健康的危害。結果表明：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）和細顆粒物（PM2.5），易被人體吸入；粉筆塵主要化學成分為CaSO4，并含少量CaCO3、CaSiO3及SiO2等，可引起呼吸系統和心腦血管疾病；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境中；粉筆塵中PM10和PM2.5產生量極大，對師生健康的影響不容忽視。

關鍵詞：粉筆塵 霾 形貌 成分 沉降 產量

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

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

粉筆塵的粒徑大小、化學成分等與其對人體健康的危害程度有內在的緊密聯系。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。粉筆塵在室內的濃度可高達21.7mg/m3，遠高于衛生標準（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胞產生活性氧（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果，但實驗數據不夠全面，研究有待深入。本文從表面形貌、化學成分、沉降速度、產量等4個方面研究作者所在學校粉筆塵的特性，為深入認識粉筆塵的危害和探尋粉筆塵的治理方法提供科學依據。

1 實驗過程

1.1 樣品準備

本文選擇在西南地區廣泛使用的重慶市北碚區鑫晟粉筆廠生產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，結果見圖1。由圖1可見：樣品顆粒呈棒狀或片狀，大多數顆粒的直徑為1～5μm。山西大學張月霞的研究結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。產生此差異的原因可能是粉筆的生產商不同，其原料和生產工藝不同。

根據顆粒物大小的相關分類標準，可以確定粉筆塵中的顆粒主要為可吸入顆粒物（PM10）和細顆粒物（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，而且可能會引發炎癥反應、纖維性病變等病癥，將嚴重影響師生的健康[1-4，10]。

2.2 化學成分

采用能譜儀分析粉筆塵樣品的化學成分，結果見圖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。前人研究結果中C元素含量較高，且含Mg、Al等元素[1]。經筆者分析，應是原料不同所導致。

根據能譜分析結果，粉筆塵主要化學成分為CaSO4，并含少量CaCO3、CaSiO3及SiO2等。CaSO4和CaCO3顆粒可能會刺激人體產生活性氧（ROS）和活性氮（RNS），并引起呼吸系統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2.1的結果，此處取5μm），ρ1為顆粒密度（根據2.2的結果，采用無水硫酸鈣的密度2.61g/cm3），ρ2為空氣密度（標準溫度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

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

（2）

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

3 結論

粉筆塵中含有PM10和PM2.5，易進入呼吸道并沉積在肺部。粉筆塵主要化學成分為CaSO4，并含少量CaCO3、CaSiO3及SiO2等，可引起呼吸系統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。

參考文獻

[1] 張月霞.粉筆塵化學成分分析及對肺組織損傷的分子機制研究[Z].太原：山西大學環境科學研究所，2015.

[2] 任志剛，張亞增，程海明，等.粉筆塵對教師健康危害的研究[J].中國學校衛生，2002，23（2）：189.

[3] 黃志剛，張曉光.粉筆塵粒度分布的測定及其對人體危害的分析[J].環境保護科學，1987，41（3）：63-68.

[4] 張月霞，馮燕，楊振華，等.粉筆PM2.5/PM10誘導大鼠巨噬細胞產生活性氧和活性氮機理[J].山西大學學報：自然科學版，2015，38（2）：361-366.

[5] 陳孝柱，曾美平.一種新型封閉式自除粉筆灰裝置的研制與設計[J].佳木斯大學學報：自然科學版，2014，32（4）：567-569.

[6] 高艷榮，余艷琴，賈玉巧，等.不同粒徑納米和常規微米SiO2對大鼠肺、肝、心、睪丸組織的氧化損傷作用[J].中國療養醫學，2014，23（2）：97-99.

[7] 張賢，林堅.公路粉塵對養路作業工人健康影響分析[J].應用預防醫學，2015，21（2）：92-93.

[8] 李虎，趙光強，黃云超.納米二氧化硅與肺癌的關系[J].現代腫瘤醫學，2014，22（4）：946-948.

[9] 江秋生，張慧，徐伯贏，等.納米級二氧化硅粉塵引起小鼠急性肺損傷的實驗研究[J].中華臨床醫師雜志，2014，8（4）：78-81.

[10] 王旻.粉塵及其危害[J].鐵道勞動安全衛生與環保，2000，27（4）：254-256.

[11] 王慧，宋秋坤，劉風琴，等.納米碳酸鈣和微米碳酸鈣亞急性染毒對大鼠肺組織的毒性作用[J].環境與健康雜志，2011，28（5）：390-393.

[13] Nyunoya T，Mebratu Y，Contreras A，et al. Molecular processes that drive cigarette smoke-induced epithelial cell fate of the lung[J].American Journal of Respiratory Cell & Molecular Biology，2014，50（3）：471-482.

[14] 徐瑋，李燕，李敏.生活垃圾焚燒發電廠煙塵中重金屬沉降對土壤環境影響評價方法探討[J].環保科技，2013，19（2）：1-3，13.

[15] 方國，熊杰明，馬文明，等.溶劑沉降法脫除煤瀝青中的喹啉不溶物[J].北京石油化工學院學報，2012，20（3）：28-31.

[16] 趙岳，龔斌，吳劍華.基于液滴分離時間的斜板沉降器結構參數優化[J].當代化工，2013（4）：499-502，506.

[17] 李茂，雷波，周天，等.赤泥分離沉降槽進料管結構的數值模擬和優化[J].輕金屬，2013（6）：9-14，23.endprint