活性炭二次污染風險評估模型的建立與分析[1]

文/李 倩 王曉旭 夏美霞

活性炭二次污染風險評估模型的建立與分析[1]

文/李 倩 王曉旭 夏美霞

活性炭目前普遍被用于室內空氣質量的提升。本文通過風險因素分析，引入優序對比法，建立了風險評估模型，分析了活性炭二次污染風險程度，并根據風險程度分別針對企業、相關監管部門和消費者提出降低風險策略。

活性炭 二次污染 風險因子 風險模型

室內空氣污染物有來源廣、種類多的特點。常見的主要污染物有甲醛、氡和揮發性有機物等。隨著人們對室內空氣質量的重視和技術的發展，室內空氣污染防治措施日趨增多，主要有吸附凈化、紫外線消毒、化學消毒、光催化氧化、空氣負離子技術、生物凈化和植物凈化等。物理吸附是吸附質和吸附劑以分子間作用力為主的吸附。作為物理吸附分離操作的常用吸附劑，活性炭具有如下特點：選擇性強、比表面積較大、孔徑范圍廣、表面富含多種官能團、性能穩定以及可以再生等等。因此，它的市場應用越來越廣，同時對其吸附性能提出了更高的要求。

一、活性炭二次污染

由于活性炭會產生飽和吸附和反釋放，且每種活性炭的表面結構不同，吸附作用也相差甚遠。所以，很多家庭對于放置活性炭的數量和時間不清楚，很容易產生活性炭量不夠，達不到較好的吸附效果，或放置時間過久，使得活性炭吸附飽和并重新釋放入室內，造成二次污染，存在不小的風險。因此，有必要對活性炭二次污染風險做一個對應的評估模型。

本研究首先探討了建立一個可以方便操作的活性炭二次污染風險評估模型，然后通過實例研究該模型的可行性和具體使用方法。在研究過程中，采用作業條件危險性評價法(格雷厄姆?金尼法或LEC法)，通過對各因素的分析，引入優序對比法等對其分配權重，建立一個風險評估模型。該模型只需要針對具體評估對象，確定使用活性炭產品造成的最大傷害，以及各風險因素失控的可能性。針對實例驗證的結果，模擬建立切實可行的風險防控和應對措施。

二、采用的風險分析方法

1. 風險因素分析

計算活性炭二次污染風險分值Du=LuEuCu。針對識別出的風險，考核被評估對象，計算活性炭產品使用過程中事故風險分值，分析該風險因素失控的可能性系數（Lu）、對使用者和相關方的傷害影響范圍（Eu）和發生事故產生的后果（Cu）（分別見表1、2、3）。

表1 風險因素失控的可能性系數表

表2 傷害影響范圍

表3 發生事故產生的后果

2. 優序對比法

通過各項因素兩兩比較，充分考慮各項因素之間的互相聯系，兩兩相比數字越大，表明重要性越大，從而確定其權重（見表4）。

表4 4因素優序對比示例

由表4示例得出：最終4個因素的權重分別為0.23、0.15、0.30、0.32。

3. 整體風險分析

由具體問題導致的質量風險Di' = Li' DuiE'。

通過優序對比法分析，識別出風險因素Wui和質量風險因素的各自權重Wi，則最終被評估系統的整體風險D = Σ (WiDi')（見表5）。

表5 產品整體風險等級劃分

三、活性炭二次污染風險評估系統體系

根據活性炭二次污染風險相關因子，采用LEC法分別對物、環境和人的因素進行分析，形成了相關風險評估體系指標（如圖1所示）。其賦值評價結果和權重賦值如下。

1. 物的因素

將整個指標體系的風險和權重整合，得出活性炭二次污染風險分析評價模型（如表6所示）。

① 吸附質性質的影響

活性炭的二次污染與吸附質的分子動力學直徑、分子量、密度、沸點、飽和蒸汽壓、極性存在著密切關系，分子動力學直徑大、分子量大、沸點高、密度大、飽和蒸汽壓低和極性弱的有機吸附質易于被吸附。

② 吸附劑性質的影響

活性炭比表面積越大，其吸附性能越佳。吸附質在活性炭內部的傳質速率與活性炭內部的復雜程度有關，活性炭內部結構越復雜，傳質速率越慢。良好的孔結構梯度分布有助于加強活性炭內部吸附質的擴散。

2. 環境的因素

圖1 活性炭二次污染風險評估體系指標

表6 活性炭二次污染風險分析評價模型

表7 質量風險發生可能性賦值

由于實際過程中，每種有害物質的擴散情況、理化性能均不相同，彼此間的影響也更為復雜，特別是溫度，其影響活性炭二次污染的原因較為復雜。非線性規律打分賦值結果具體見表6。

3. 人的因素

根據研究表明，活性炭在長期放置后反而會出現反吸附，將原來的吸附質重新釋放到環境中去。對于不同的吸附質、環境溫度放置時間和產生的拐點差異較大。打分賦值結果具體見表6。

4. 模型搭建

在建立模型過程中，將導致人身和(或)財產安全的風險分為完全可能發生和完全不可能發生，確定系數分別為1和0。對于完全不確定的因素，本著預防為主的原則，本文直接將可能性定為1。階段式賦值見表7。

對于造成的危害，只需找出最嚴重的損害。將使用問題產品立刻導致死亡傷害或重大財產損失的危害系數定為1，完全沒有影響定為0。具體賦值如表8所示。

確定具體的風險，分別考慮人身傷害、財產損失和產品分布范圍，取最高者確定后果。對于不能確定具體哪個級別后果的，應本著嚴格和預防原則，定在評估者的理解的最高值。

根據歷年的相關報道，活性炭直接致人死亡的情況基本沒有，但導致使用者身體不適的情況則有發生，故本次研究將產品的危害賦值定為0.4。

5. 整體風險評估

根據表6得出，最終被評估系統的整體風險D = Σ(WuiDi’)≈228，該整體風險值處于顯著危險。

表8 產品危害賦值（E）

四、降低風險的策略

1. 企業

現在，市場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、吸附性能受水氣等環境因素影響較大等缺陷。根據本次模型的建立和分析，活性炭物的因素也存在一些風險，生產廠商可以通過活性炭孔結構調控和表面改性方法，提升活性炭的孔隙容積、孔徑分布、比表面積、孔的形狀、大小、表面化學、表面官能團和表面能量，開發具有更佳吸附性能或滿足特定需求的高效吸附材料，如：特種用途活性炭、高強度活性碳纖維和活性碳布。

2. 相關監管部門

目前，現行標準如GB/T 26900-2011《空氣凈化用竹炭》中，只采用重量法對竹炭在標準狀態下24 h吸附做了規定，這與實際使用的狀態差距較大（實際過程中并不能達到每天都將活性炭取出，更換新的，重新放置），并且該標準中也沒有其持續凈化性能（即放置時間效果）和使用效果（即最佳吸附時間）的研究。根據本次風險評估模型分析，得出的確存在持續性能不佳的風險。相關的檢測機構應著重研究檢測方法、環境因素、吸附時間和吸附質對活性炭吸附能力的影響、研究吸附質在活性炭上的吸附性能與微尺度結構和性質之間的內在關聯，以填補活性炭持續凈化性能檢測方法的缺失。相關部門應加強產品的質量監管，并對相應的標準、檢測內容進行補充和更新，指導消費者根據自身情況，更有效合理地在裝飾裝修后采用活性炭進行室內空氣環境污染治理，以避免在高溫環境下，活性炭因放置時間過久使得活性炭吸附飽和并重新釋放入室內，反而對人體產生危害。

3. 消費者

目前，市場上活性炭的品牌較多，不過質量參差不齊，有很多都是以普通炭冒充活性炭。消費者在選購活性炭時可以注意以下幾點：

① 選擇等體積大的活性碳成品。活性炭孔隙越多，相對密度就越低，手感就會越輕，在等重量包裝情況下，體積也就越大。

② 選擇顆粒小的活性炭。活性炭成品越小，接觸空氣面積就越大，比表面積也越大，吸附性能就越好，但是很多廠家為降低成本，使用大顆粒活性炭。如果消費者購買了大顆粒包裝的活性炭，建議將活性炭碾壓至顆粒直徑在0.42～0.85 mm之間。

③ 選椰殼炭材質。活性炭是靠孔徑大小來吸附有害氣體的，其對分子量大、沸點高、極性弱的有害物質吸附性能更高；不同的有害氣體的分子量不同，應選擇對應的不同空隙大小的活性炭才能達到最好的吸附效果。國際上椰殼炭是吸附異味和苯等污染物的首選活性炭。

④ 使用溫度和放置時間。根據模型分析，活性炭的二次污染、溫度和使用時間的影響十分巨大，根據研究，竹炭除去有害物質的最佳持續吸附時間為4～5天。在20～25 ℃時，竹炭對甲醛、苯、TVOC試驗液吸附基本呈上升趨勢；在25～30 ℃時竹炭的吸附率呈下降趨勢；隨著溫度繼續升高至35 ℃時，竹炭的吸附率又逐步上升。這一現象說明溫度對竹炭的吸附性能影響比較明顯。由于消費者在實際過程中，每種吸附質的擴散情況、理化性能、使用時的環境溫度均不相同，彼此間的影響也更為復雜。活性炭的最佳持續吸附時間可能更短。建議每隔3～4天左右拿到太陽下暴曬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

（作者單位：上海市質量監督檢驗技術研究院）

注：[1] 基金項目：“國家質量基礎的共性技術研究與應用”重點專項《家具產品中揮發性有機物（VOCs）NQI集成技術典型應用示范》（2016YFF0204506）