校园霾

符兮之++李子睿++谢竹欣++向欢++蔡苇

摘 要：为了深入认识粉笔尘的危害并为探寻粉笔尘的治理方法提供科学依据，采用扫描电镜和能谱仪表征了粉笔尘的形貌和化学成分，采用激光粒度分析仪测量粉笔尘的粒径大小及分布，测量了其沉降速度、产量，探讨了其对人体健康的危害。结果表明：粉笔尘颗粒呈棒状或片状，大小约为1～5 μm，粉笔尘中的颗粒主要为可吸入颗粒物（PM10）和细颗粒物（PM2.5），易被人体吸入；粉笔尘主要化学成分为CaSO4，并含少量CaCO3、CaSiO3及SiO2等，可引起呼吸系统和心脑血管疾病；可视粉笔尘中的大颗粒下落速度约为1.3m/s，粉笔尘中较大颗粒在空气中迅速降落；不可视颗粒的沉降速度为1.05×10-4m/s，较小颗粒易滞留在人体生活的空气环境中；粉笔尘中PM10和PM2.5产生量极大，对师生健康的影响不容忽视。

关键词：粉笔尘 霾 形貌 成分 沉降 产量

中图分类号：X513 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）08（c）-0250-03

作为教学过程中最主要的书写工具，粉笔被广泛应用于各级各类教学活动中，因此在书写过程中其产生的粉笔尘对人体健康的影响备受关注[1-4]。尽管近年来各种新型粉笔和防尘装置陆续问世[5]，但由于使用方便、成本低廉等原因，老式粉笔仍在许多学校被大量使用。

粉笔尘的粒径大小、化学成分等与其对人体健康的危害程度有内在的紧密联系。张月霞等[1]研究表明粉笔尘中既有40μm的大颗粒，也有易被人体吸入的PM10（粒径≤10μm）、PM2.5（粒徑≤2.5μm）、PM1（粒径≤1μm）等较小的颗粒。粉笔尘在室内的浓度可高达21.7mg/m3，远高于卫生标准（10mg/m3）[2]。由于粉笔尘中主要含有CaSO4和CaCO3，它们的颗粒物会刺激大鼠肺泡巨噬细胞产生活性氧（ROS）和活性氮（RNS），进而危害动物健康[4]。另一方面，粉笔尘中有少量SiO2[1-2]，SiO2会损伤肺组织，可引起矽肺病或肺癌，致残率和死亡率较高[6-9]。

虽然前人已有一些初步研究结果，但实验数据不够全面，研究有待深入。本文从表面形貌、化学成分、沉降速度、产量等4个方面研究作者所在学校粉笔尘的特性，为深入认识粉笔尘的危害和探寻粉笔尘的治理方法提供科学依据。

1 实验过程

1.1 样品准备

本文选择在西南地区广泛使用的重庆市北碚区鑫晟粉笔厂生产的山城牌白色粉笔作为研究对象。待教师用粉笔在黑板上书写后，收集掉落在黑板槽中的粉笔尘。

1.2 分析测试

采用扫描电镜（SEM， Hitachi， S-3700N）观察表面形貌，确定粉笔尘样品中颗粒的形状和大小。采用能谱仪（EDAX， Phoenix）分析粉笔尘样品的化学成分。采用激光粒度分析仪（成都精新， JL-1177）对粉笔尘颗粒物粒径大小及分布进行测量。通过测量粉笔尘从不同高度下落的时间，计算粉笔尘中颗粒在空气中的沉降速度。

2 结果与讨论

2.1 表面形貌

采用扫描电镜分析粉笔尘样品形貌，结果见图1。由图1可见：样品颗粒呈棒状或片状，大多数颗粒的直径为1～5μm。山西大学张月霞的研究结果是粒径分布范围很广[1]：既有大的颗粒（约40μm），也有PM10、PM2.5、PM1等较小的颗粒。产生此差异的原因可能是粉笔的生产商不同，其原料和生产工艺不同。

根据颗粒物大小的相关分类标准，可以确定粉笔尘中的颗粒主要为可吸入颗粒物（PM10）和细颗粒物（PM2.5）。虽然直径>10μm的颗粒物很难进入呼吸道，但PM2.5和PM10能够全部进入呼吸道，并大量沉积在肺部无法呼出，而且可能会引发炎症反应、纤维性病变等病症，将严重影响师生的健康[1-4，10]。

2.2 化学成分

采用能谱仪分析粉笔尘样品的化学成分，结果见图2和表1所示。由图2和表1可见：样品中主要含有O、Ca、S三种元素，还含有少量的C、Si、P等元素。前人研究结果中C元素含量较高，且含Mg、Al等元素[1]。经笔者分析，应是原料不同所导致。

根据能谱分析结果，粉笔尘主要化学成分为CaSO4，并含少量CaCO3、CaSiO3及SiO2等。CaSO4和CaCO3颗粒可能会刺激人体产生活性氧（ROS）和活性氮（RNS），并引起呼吸系统疾病和心脑血管疾病[4， 11-13]。SiO2会损伤肺组织，可引起矽肺病或肺癌，致残率和死亡率较高[6-9]。

2.3 沉降速度

首先测量粉笔尘从不同高度分别下落的时间，再求得粉笔尘中颗粒在空气中的沉降速度。结果表明：可视粉笔尘中的大颗粒下落速度约为1.3m/s，但可视粉笔尘中的小颗粒在空中很快散开，几乎无法测量。而不可视颗粒沉降速度则只能采用斯托克斯定律进行估算[14-17]：

（1）

上式中，g为重力加速度（9.8m/s2），r为颗粒尺寸（根据2.1的结果，此处取5μm），ρ1为颗粒密度（根据2.2的结果，采用无水硫酸钙的密度2.61g/cm3），ρ2为空气密度（标准温度20℃时干燥空气，1.21g/cm3），η为空气粘度（20℃时为1.81×10-4Pa·s）。根据公式（1）计算得到不可视颗粒的沉降速度为1.05×10-4 m/s。

由此我们不妨得出：粉笔尘中较大颗粒在空气中迅速降落，在空气中根本无法停留；而较小颗粒（如本文中的样品大量存在的≤5μm的颗粒）则很难到达地面并漂浮在空中。所以，每次使用粉笔书写黑板后，都会有大量的粉笔尘小颗粒漂浮在空中，给师生的健康带来极大的隐患。

2.4 颗粒物量

采用激光粒度分析仪测量粉笔尘颗粒物中不同粒径大小的累积分布，结果见图3。由图3可见，粉笔尘颗粒物的平均粒径为3.193μm；PM10的体积粒度分布约为94.9%，PM2.5的体积粒度分布约为58.5%。endprint

采用实地称量每节课前后的粉笔总质量，计算出单个教室一周消耗的粉笔质量（即产生的粉笔尘质量），进而计算出本校（重庆育才中学）所有班级全年产生粉笔尘的总质量约为1.55×105g。为了计算本校粉笔尘中颗粒物的年产生量，提出如下公式：

（2）

上式中，m颗粒物指PM10（或PM2.5）的质量，ω颗粒物 指PM10（或PM2.5）的质量分数。因为粉笔尘中的各颗粒物化学成分相同，密度可以认为一致，所以上式中的质量分数可直接采用图3中的体积粒度分布数据。根据公式（2）计算得出：我校PM10和PM2.5的年产生量为1.47×105g和9.06×104g。由此可见，粉笔尘中PM10和PM2.5产生量极大，其危害程度不容忽视。

3 结论

粉笔尘中含有PM10和PM2.5，易进入呼吸道并沉积在肺部。粉笔尘主要化学成分为CaSO4，并含少量CaCO3、CaSiO3及SiO2等，可引起呼吸系统疾病和心脑血管疾病。粉笔尘中小颗粒因沉降速度很低而长期漂浮在空中，给师生的健康带来极大的隐患。粉笔尘中颗粒物量较大，其危害程度不容小觑。

参考文献

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