北京師范大學(xué)第三附屬中學(xué)（100088） 張 強(qiáng) 高暐暐 邵 然 趙建波 王邵瑋 劉博瑋

指導(dǎo)教師 李 泉

基于空氣中游離TDI濃度空間分布的校園塑膠操場污染研究
——以北京師范大學(xué)第三附屬中學(xué)為例

北京師范大學(xué)第三附屬中學(xué)（100088） 張 強(qiáng) 高暐暐 邵 然 趙建波 王邵瑋 劉博瑋

指導(dǎo)教師 李 泉

由于傳統(tǒng)的校園塑膠操場鋪設(shè)多選用甲苯二異氰酸酯（TDI）型聚氨酯（PU）材料，而校園空氣中存在的游離TDI會(huì)影響師生的身體健康，本文作者在江西省質(zhì)譜科學(xué)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的協(xié)助下，在北京師范大學(xué)第三附屬中學(xué)兩個(gè)校區(qū)塑膠操場上方及其周邊采集了空氣中游離TDI的空氣樣品，并借助質(zhì)譜儀檢測出其相對(duì)豐度，經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的分析總結(jié)出空氣中游離TDI的濃度在時(shí)間、水平位置、距地面高度等維度的分布規(guī)律，并從保護(hù)師生身體健康的角度提出了塑膠操場的使用建議，同時(shí)也對(duì)校園塑膠操場的建設(shè)提出了寶貴意見，以供在校師生和校方?jīng)Q策人員參考。

塑膠操場；空氣；游離TDI；濃度；空間分布

一、研究背景及現(xiàn)狀

1. 問題的提出

操場是我們每天運(yùn)動(dòng)和玩耍的場所，我們有時(shí)在操場會(huì)聞到一種刺激性氣味，這引起了我們研究小組的注意。隨著研究的深入我們了解到塑膠地操場因其性價(jià)比較高現(xiàn)已被廣泛使用，尤其是學(xué)校操場多采用此材質(zhì)。其中聚氨酯（PU）是塑膠運(yùn)動(dòng)場地重要的鋪裝材料，目前，國內(nèi)PU塑膠運(yùn)動(dòng)場地所用的原料最普遍的是甲苯二異氰酸酯（TDI）型和二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）型兩種。一直以來國內(nèi)鋪設(shè)的絕大部分是TDI型PU塑膠運(yùn)動(dòng)場地，其在高溫或強(qiáng)光作用下,能釋放大量游離的TDI單體。[1]TDI是常用的多異氰酸酯的一種，在國家標(biāo)準(zhǔn)GB5044—1985《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級(jí)》中，TDI為Ⅱ級(jí)（高度危害）毒物，屬可疑人體致癌物。有研究表明，TDI型PU塑膠運(yùn)動(dòng)場地中游離的單體TDI占總量的3.48%， 可以通過吸入其蒸氣和氣溶膠或食入吸收進(jìn)入體內(nèi)，[2]對(duì)人的呼吸系統(tǒng)有嚴(yán)重的刺激性，可能會(huì)引起過敏反應(yīng)，造成呼吸困難等癥狀，甚至危及生命[3]。隨著研究的深入我們又產(chǎn)生了疑惑：我們的校園塑膠操場是什么材質(zhì)的？在校園空氣中是否有游離的TDI單體存在？如果有，它的分布有什么規(guī)律？對(duì)我們的身體是否有傷害？我們平時(shí)在操場活動(dòng)時(shí)應(yīng)注意些什么等眾多問題，于是我們研究小組又確定了本文的研究方向。

2. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外關(guān)于塑膠運(yùn)動(dòng)場地的研究主要分兩類，一類主要是針對(duì)鋪設(shè)材料的研究，比如塑膠跑道的安全性問題、經(jīng)濟(jì)型塑膠跑道的研究、新型環(huán)保塑膠跑道的研究、塑膠成分有毒性的研究、塑膠成分TDI與MDI的對(duì)比研究等；另一類則主要是針對(duì)塑膠運(yùn)動(dòng)場地上空及周圍空氣中游離TDI濃度的測量技術(shù)及分析研究，如質(zhì)譜法、顯色光度法、氣相色譜法、高效液相色譜法和氣質(zhì)聯(lián)用法等技術(shù)的研究，其中也不乏對(duì)塑膠運(yùn)動(dòng)場地上空及周圍空氣中游離TDI分布規(guī)律的研究，但一般都是針對(duì)不同環(huán)境進(jìn)行對(duì)比研究，對(duì)于同一環(huán)境，尤其是占地面積較小的中學(xué)室外塑膠操場上空及周圍空氣中游離TDI的研究還未見。

二、研究目的、意義及方法

1. 研究目的和意義

本研究小組提出這一研究課題的目的就是希望通過檢測研究我校（北京師范大學(xué)第三附屬中學(xué)）空氣中游離TDI濃度的分布狀況，進(jìn)而對(duì)我校塑膠操場帶來的污染情況進(jìn)行一個(gè)初步的評(píng)估，為我校師生在塑膠操場進(jìn)行活動(dòng)提出合理化建議，同時(shí)也希望引起校方乃至教育部門的重視，對(duì)學(xué)校塑膠操場的污染進(jìn)行深入的研究，為我校和其他學(xué)校塑膠操場的建設(shè)提供參考意見。

2. 研究思路

本研究小組在在我校北校區(qū)、南校區(qū)共計(jì)12個(gè)采樣點(diǎn)采集了樣品，然后在東華理工大學(xué)所屬的江西省質(zhì)譜科學(xué)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的賈濱、洪鋒兩位碩士生和老師的指導(dǎo)下分別在中午和傍晚采集了96份樣品；之后兩位碩士生利用中科院化學(xué)研究所的質(zhì)譜儀對(duì)樣品進(jìn)行了質(zhì)譜分析；最后我們共同通過對(duì)數(shù)據(jù)的整理、分析得出了我?？諝庵杏坞xTDI在時(shí)間、水平位置、距地面高度等維度的分布規(guī)律，為我們給學(xué)校提出合理化建議提供理論依據(jù)。

3. 采樣點(diǎn)的選擇

受本研究小組人員數(shù)量、采集用品數(shù)量、樣品采集時(shí)間等因素的限制，我們?cè)谖倚１毙^(qū)水平空間共選擇了8組采樣點(diǎn)，南校區(qū)共選擇了4組采樣點(diǎn)，各組采樣點(diǎn)的水平空間分布如圖1、圖2所示。采樣點(diǎn)的選擇考慮了以下因素的影響：①籃球場和跑道不同材質(zhì)的影響；②南校區(qū)風(fēng)雨操場與籃球場建設(shè)年代不同的影響；③距塑膠操場水平距離的影響；④建筑物可能對(duì)污染氣體擴(kuò)散的影響等。此外，采樣點(diǎn)盡量選取在平時(shí)師生經(jīng)?；顒?dòng)的區(qū)域。

圖1 北京師范大學(xué)第三附屬中學(xué)北校區(qū)1-8號(hào)采樣點(diǎn)水平分布示意圖

圖2 北京師范大學(xué)第三附屬中學(xué)南校區(qū)9-12號(hào)采樣點(diǎn)水平分布示意圖

另外，每組采樣點(diǎn)按照高度分別選擇了距地面0m處、0.5米處、1.0米處、1.5米處四個(gè)垂直采樣點(diǎn)，一方面考慮了距地面高度對(duì)污染氣體擴(kuò)散的影響，另一方面考慮了初高中生不同身高、站立與蹲坐的高度差異可能帶來的差異。

4. 樣品的采集和實(shí)驗(yàn)方法

在每組采樣點(diǎn)四位小組成員按尺子的高度分別在四個(gè)采樣點(diǎn)同時(shí)用注射器緩慢抽入20mL的空氣樣品，然后將針尖插入裝有1mL丙酮的樣品瓶中緩慢將20mL空氣推入瓶中進(jìn)行洗氣，由此制備出空氣樣品的丙酮溶液。由于TDI易溶于丙酮，在常規(guī)條件下不與丙酮發(fā)生反應(yīng)，因此若空氣樣品中含有TDI即可在溶液中富集。在采集樣品的同時(shí)分別用氣溫計(jì)和碎紙屑測量出當(dāng)時(shí)的氣溫和風(fēng)向。

圖3 ESI原理圖

將中午和傍晚采集的96份樣品帶到實(shí)驗(yàn)室采用電噴霧電離質(zhì)譜技術(shù)（ESI-MS）在未經(jīng)任何樣品預(yù)處理的條件下直接對(duì)溶解于丙酮中的操場空氣樣品進(jìn)行了質(zhì)譜分析（見圖3、4）。儀器的其他工作條件為：離子傳輸管溫度175 ℃，電噴霧電壓4 kV，噴霧氣壓0.8 MPa，樣品流速5 μL/min。

圖4 TDI的ESI質(zhì)譜圖

圖5 空白樣品和操場空氣樣品的ESI質(zhì)譜譜圖

三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

1. 實(shí)驗(yàn)資料與數(shù)據(jù)

采樣地點(diǎn)：北京師范大學(xué)第三附屬中學(xué)北校區(qū)及南校區(qū)

采樣時(shí)間：2011年10月12日12:50-13:35（南校區(qū)），13:55-14:50（北校區(qū)），16:55-17:25（南校區(qū)），18:00-18:55（北校區(qū)）

樣品量：20mL空氣，1mL丙酮樣品

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：見下

表1 2011年10月12日中午采集樣品中TDI的相對(duì)豐度（%）

表2 2011年10月12日傍晚采集樣品中TDI的相對(duì)豐度（%）

2. 數(shù)據(jù)分析

分析ESI質(zhì)譜譜圖（見圖5）發(fā)現(xiàn)操場空氣樣品比空白樣品的信號(hào)強(qiáng)，表明該實(shí)驗(yàn)方法可以有效地檢測出所采集的操場空氣中的痕量TDI。但是譜圖中,信號(hào)均相對(duì)較低，表明操場空氣中游離的TDI含量并不是非常高。

分析中午、傍晚在北校區(qū)、南校區(qū)12個(gè)采樣地各4個(gè)高度的樣品中的TDI相對(duì)豐度數(shù)據(jù)（見表1、2）可知：

（1）傍晚獲得的樣品中TDI的相對(duì)豐度明顯低于中午檢測到的樣品中的TDI相對(duì)豐度。說明太陽輻射日變化導(dǎo)致的氣溫日變化對(duì)塑膠操場TDI的揮發(fā)量產(chǎn)生了顯著的影響。

（2）在塑膠操場的正中央，隨著垂直高度的增高，空氣中游離TDI的含量會(huì)逐漸降低（如1、9、12號(hào)采樣點(diǎn)樣品數(shù)據(jù)所示）。水平方向位于塑膠操場下風(fēng)向區(qū)的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示：隨著距操場距離的增加空氣中游離TDI的濃度會(huì)大幅降低，至約100米處，降至操場上空游離TDI濃度的50%左右（如4、7、8采樣點(diǎn)樣品數(shù)據(jù)所示）。說明塑膠操場是空氣中游離TDI的主要產(chǎn)生源。

（3）在塑膠操場外圍0～1.5米的高度范圍內(nèi)，我校校園內(nèi)空氣中游離TDI含量并不存在明顯的隨高度發(fā)生變化的情況，或者說存在著細(xì)微的隨高度增加游離TDI濃度降低的趨勢(shì)。這應(yīng)當(dāng)與校園內(nèi)游離TDI產(chǎn)生區(qū)域的面積比例有關(guān)，游離TDI產(chǎn)生區(qū)域的比例越大，則隨高度升高其濃度降低的趨勢(shì)越明顯，相反，則隨高度升高其濃度降低的趨勢(shì)越不明顯，甚至有可能出現(xiàn)隨著高度升高游離TDI濃度也升高的整體趨勢(shì)，如有些采樣點(diǎn)下墊面是水泥地，水泥地中午受太陽照射后溫度較高，易產(chǎn)生上升氣流，隨著空氣擴(kuò)散到此地的游離TDI會(huì)隨著上升氣流又向上擴(kuò)散，因此這樣的采樣點(diǎn)地表處的游離TDI含量反而比較高位置的游離TDI含量低（如4、5、6、8、10號(hào)采樣點(diǎn)樣品數(shù)據(jù)所示），且0.5m～1.5m的高度范圍內(nèi)，游離TDI含量隨高度升高而降低的趨勢(shì)并不明顯，基本維持穩(wěn)定。此外，空氣中游離TDI濃度的高低分布很可能還與當(dāng)時(shí)的風(fēng)向、風(fēng)速等因素有關(guān)?？傊諝庵杏坞xTDI的含量隨高度的變化受下墊面的性質(zhì)、風(fēng)向、風(fēng)速等多重因素影響，因而更為復(fù)雜。

（4）采樣點(diǎn)的通風(fēng)狀況會(huì)對(duì)此地空氣中游離TDI的濃度產(chǎn)生較為顯著的影響。2號(hào)采樣點(diǎn)由于在墻邊和樹蔭下，通風(fēng)條件不是非常理想，而且有樹蔭遮蓋，游離TDI不易向上飄散，因此游離TDI在此囤積，維持較高的濃度，且含量隨高度變化而變化并不明顯。6號(hào)采樣點(diǎn)由于通風(fēng)效果較差，三面圍墻，再加上距離操場較近，因而其空氣中游離TDI的濃度比操場外其他采樣點(diǎn)的濃度都要高。

（5）紅色顆粒狀塑膠跑道產(chǎn)生的TDI有可能比綠色光滑塑膠場地要多（如中午測得的3號(hào)采樣地樣品的數(shù)據(jù)所示），但也有可能是3號(hào)采樣地受到了其東側(cè)樓房的阻擋作用而產(chǎn)生了空氣的堆積，從而導(dǎo)致了其游離TDI含量較高，而非紅色塑膠跑道比綠色塑膠跑道產(chǎn)生更多的游離TDI。

（6）使用年限較久的塑膠操場相對(duì)于較新的塑膠操場，游離TDI的釋放量較少（如12號(hào)較1號(hào)和9號(hào)采樣點(diǎn)樣品數(shù)據(jù)所示），但其游離TDI濃度仍高于塑膠操場外其他采樣點(diǎn)（如12號(hào)較10號(hào)和11號(hào)采樣點(diǎn)樣品數(shù)據(jù)所示）。

四、結(jié)論和建議

綜上所述，本研究得到以下幾點(diǎn)主要結(jié)論，并給出相應(yīng)的建議：

1. 結(jié)論

（1）從時(shí)間上來看，氣溫高低對(duì)塑膠操場TDI的釋放量有著明顯的影響，在秋季等晝夜溫差不大的季節(jié)也十分明顯。另外，隨著塑膠操場的使用，其TDI的揮發(fā)量會(huì)逐漸降低并達(dá)到正常水平。

（2）從水平空間上來看，作為空氣中游離TDI的源頭，塑膠操場上方空氣中游離TDI的濃度較操場周邊要高出一倍左右；塑膠操場周邊空氣中游離的TDI濃度受通風(fēng)狀況、風(fēng)向、建筑物布局等因素的綜合影響而存在差異：通風(fēng)良好的區(qū)域，游離TDI的濃度會(huì)較低；塑膠操場下風(fēng)向的區(qū)域，游離TDI的濃度會(huì)偏高；狹長的、長廊式的建筑物布局不利于游離TDI濃度隨距塑膠操場距離的增加而迅速降低。

（3）從垂直空間上來看，塑膠操場中央地帶上空的游離TDI濃度會(huì)隨著高度的增加而降低；塑膠操場周邊人體頭部活動(dòng)的高度范圍（0.5m～1.5m）內(nèi)不存在明顯的TDI濃度隨高度變化的趨勢(shì)。

總之，校園空氣中游離TDI的含量的多少受塑膠操場材質(zhì)和建造時(shí)間、氣溫、距塑膠操場水平距離、距地面垂直距離、風(fēng)向、風(fēng)速、通風(fēng)條件、下墊面性質(zhì)等多種因素綜合影響。

2. 建議

（1）在校師生盡量避免在地表溫度較高的午后到塑膠操場上活動(dòng)，活動(dòng)時(shí)應(yīng)盡量避免長時(shí)間躺臥和坐下，平時(shí)盡量不要在房前、墻角等通風(fēng)條件不好的地方長期觀看球賽等。

（2）在校師生進(jìn)行日常非運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)時(shí)建議在與塑膠操場有一定距離的上風(fēng)向區(qū)域。新建校在規(guī)劃時(shí)建議相關(guān)部門把塑膠操場盡量建在校園所在地區(qū)盛行風(fēng)的下風(fēng)向區(qū)域，且塑膠操場的下風(fēng)向區(qū)的建筑物布局應(yīng)當(dāng)有助于游離TDI的迅速擴(kuò)散，并應(yīng)盡量少有人員經(jīng)過和活動(dòng)。

（3）建議學(xué)校或相關(guān)教育部門深入調(diào)查學(xué)校塑膠操場的污染情況，對(duì)污染嚴(yán)重的塑膠操場進(jìn)行重建，使用低毒性、低揮發(fā)性的材料，如用MDI型的PU材料替代TDI型的PU材料，使我們?cè)诟G色的環(huán)境中健康學(xué)習(xí)、生活。

五、反思與不足

反思這次的課題研究，我們不僅有了很多成果，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了許多不足，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）由于受研究經(jīng)費(fèi)、研究時(shí)間、研究人員等影響，本次實(shí)驗(yàn)選擇在秋季進(jìn)行，而沒能選擇氣溫較高的夏季，這可能使塑膠操場帶來的游離TDI污染程度的研究結(jié)果受到一定的影響；

（2）本實(shí)驗(yàn)采用了ESI-MS技術(shù)而非國家標(biāo)準(zhǔn)，因而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)只能作為相對(duì)量來研究，不能得出我?？諝庵杏坞xTDI污染是否超出國際標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)論；

（3）本次研究采集的樣品數(shù)量較少，并且僅用碎紙屑大致的測量了風(fēng)向，并沒有測量風(fēng)速，難以排除由于局部空氣的擾動(dòng)導(dǎo)致的誤差。

綜上所述，本課題未來還具有深入研究的潛力。

[1] 李建強(qiáng), 周瑜芬, 丁健樺, 楊水平, 陳煥文.運(yùn)動(dòng)場地游離甲苯-2、4-二異氰酸酯的直接電噴霧萃取電離質(zhì)譜分析[J].分析化學(xué) 儀器裝置與實(shí)驗(yàn)技術(shù), 2008,36(9): 1300-1304.

[2] 關(guān)穎.塑膠運(yùn)動(dòng)場及其相應(yīng)的塑膠材料[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2011,39(1):36-39.

[3] 吳莞.PU類塑膠材料在運(yùn)動(dòng)場地的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2011,(5):195.

說明：感謝賈濱、洪鋒碩士，感謝無償提供技術(shù)幫助和實(shí)驗(yàn)用品的ESI-MS技術(shù)的發(fā)明人——江西東華理工大學(xué)的陳煥文教授，感謝北京師范大學(xué)地理與遙感科學(xué)學(xué)院的趙大山碩士以及北京師范大學(xué)第三附屬中學(xué)的劉紅、馮慧、張玉平、崔雅良、張玉華、魏山等老師。

（責(zé)任編校：朱楠）

* 本文系中國教育學(xué)會(huì)地理教學(xué)專業(yè)委員會(huì)2012年度研究性學(xué)習(xí)專項(xiàng)課題重點(diǎn)項(xiàng)目研究成果。