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空氣清淨化學的意外後果

因為 SARS-CoV-2 空氣傳播已被多數人所接受,為控制此風險而因應發展的相關清潔室內空氣的技術已增加許多,導致市售空氣淨化系統市場擴大。雖然減輕室內空氣污染物的最佳方法是去除源頭,但空氣淨化器卻非是源頭控制時使用的工具。


室內空氣品質改善管理的措施包括通過通風或過濾器收集和吸附材料以物理方式來去除污染物,以及轉化污染物或試圖使病原微生物失去活性的化學反應過程。這種觀點旨在強調通過室內空氣化學進行的各種空氣淨化方法可能會產生意想不到的後果。引入新的化學試劑或反應過程會引發複雜的化學反應,導致反應中間體和/或副產品釋放到室內環境中。由於空氣淨化系統通常會持續運行以最大程度地發揮其效果,而且大多數人大部分時間都在室內度過,因此人們接觸空氣淨化器所衍生的初級和次級產物可能會帶來顯著的暴露風險。該觀點強調了在我們要更廣泛採用相關化學反應性空氣清潔和消毒方法時,進一步研究的必要性。


室內空氣淨化技術所產生的副產物
室內空氣淨化技術所產生的副產物

COVID-19 大流行引起了人們對室內環境品質的關注。由於 SARS-CoV-2 病毒可以通過空氣途徑傳播,學校、公司和其他建築物等需要為居住者提供安全保障。緩解空氣傳播疾病的緊迫需求導致了商業空氣淨化技術的發展,其中許多技術依賴於氧化化學、離子-分子反應或消毒劑在空氣中噴霧傳輸。現有空氣淨化方法的擴大使用和新興技術的實施提出了有效性和安全性的重要問題。


空氣淨化行業在很大程度上不受監管,幾乎沒有提供性能和安全基準的標準。然而,基於對許多空氣淨化器背後的現有技術研究成果以及對大氣化學的現代理解,可以深入了解空氣淨化器使用後隨之伴生的額外化學產物的後果。例如,室外空氣品質受到污染物的直接(初級)排放以及污染物釋放到環境中後化學反應的(次級)產物的影響。雖然存在對一些室外空氣淨化技術副產品的研究,但對空氣淨化器使用時更廣泛的化學副作用的室內化學機制的關注較少。


室內空氣品質管理領域已經成熟,可以開發新材料和技術,但需要對它們的基本化學性質和對空氣品質的更廣泛影響要有深刻的了解。


室內空氣品質受建築物內的物體和活動,以及建築物本身的屬性和環境設置的影響。良好的空氣品質的典型特徵是不含空氣中的顆粒物和有害微量氣體等污染物。室內空氣任何成分的濃度取決於產生源(Source)和去除(Sink)的速率之間的平衡。微量氣體和顆粒物(PM)的主要來源包括烹飪、清潔、建築材料和商業清潔產品。當氧化劑濃度升高時透過二次化學可以轉化主要污染物。儘管大部分室外大氣化學是由光氧化過程驅動的,但室內環境可能會受到較低的光照(陽光直射下的窗戶附近除外)和較高的表面積與體積比。因此,室內表面的有機和水分子膜的存在將因多相化學反應和半揮發性成分的平衡分配而顯著的影響室內空氣品質。室內氣相化學機制發生在臭氧(O3)、羥基(OH)自由基和其他氧化劑中。臭氧(O3)是從室外空氣或商業淨化器進入室內環境,而 OH 自由基可以在室內從空氣淨化器中以化學動力反應方式產生。


二次氧化化學反應可能導致顆粒物質量濃度增加和超細氣膠濃度增加。並意味著室內與戶外相比,室內空氣中的半揮發性和揮發性有機化合物(SVOC 和 VOC)的濃度通常較高,但氧化劑的平均濃度較低。PM 的濃度是可變的。由於室內產生 PM 來源一般較弱,因此 PM 沉積到地面的沉降導致 PM 顆粒水平相對較低,但烹飪等屬於較強來源會在短時間內顯著增加 PM。與某些疾病的傳播特別相關的生物性 PM 來源是由人們所呼出的, 而人的肺也恰正是顆粒物的有效接收處(Sink)。總體來說,人類吸入的顆粒物比呼出的顆粒物要多得多。


保持良好空氣品質的最佳方法首先是限制污染源。這個道理幾乎適用於所有類型的污染物,及適用於室內和室外環境。然而,一旦污染物進入建築物,空氣的通風和過濾就成為了行之長久有效的緩解策略。使用化學物質生成(包括離子生成)來清潔室內空氣會導致引入新的化學反應原料,次氯酸(HOCl)是一種可用作廣泛殺菌的強氧化劑,就是一個例子,使用次氯酸後所產生的化學副作用可能很大,但往往被低估。保持室內環境健康需要多管齊下的方法,但必須避免使用會產生未知化學副產物的空氣淨化技術。


空氣淨化和消毒

最近受到關注的幾種空氣淨化方法包括:

  1. 去除或降解氣態污染物,如 VOC 和 NOx (= NO + NO2)

  2. 去除空氣中的顆粒物(無論成分如何)

  3. 生物性PM 的去除或消毒。

一些方法聲稱能夠同時解決多個問題。整體而言,許多空氣淨化技術都有相當程度的化學副產物發生(圖 1)。評估空氣淨化技術的挑戰之一是具有相似操作原理的技術有許多設備設計的變化性,以及這些多樣化的設備部署於實際場域的效果普遍缺乏相關的研究。設備的多樣性及實際場域的研究不足,兩因素加總起來導致對室內空氣品質的改善效果了解十分不足。


空氣淨化技術都有相當程度的化學副產物發生(圖1)
空氣淨化技術都有相當程度的化學副產物發生(圖1)

去除和降解氣體

通風,定義為有意將室外空氣引入室內環境,同時排出室內空氣,是一種用於降低具有室內來源的 VOC 和反應性微量氣體濃度的方法。然而,為了獲得最佳效果,必須持續保持通風,因為污染物源可能會保持一直存在,而且隨著時間的推移,室內表面會形成半揮發性成分的儲存庫,一旦通風停止, 這些物質的室內濃度就會重新升高。抽取局部附近的空氣污染源(例如烹飪、燃燒)是許多住宅和商業建築中使用的一種常見的通風方法。


在固體吸附劑材料上捕集微量氣體也是降低其濃度的有效方法。這些通過吸附、吸收或化學吸附來收集 VOC 和其他微量氣體的吸附劑,最終也將會飽和或可能被污染,因此需要定期更換。對於吸附劑技術的再改進應旨在提高污染物捕捉能力、減少結垢和優化吸附劑材料的再生,同時考慮到有機 (VOC) 和無機(例如,NOx、HONO、O3)微量氣體。


通風會引入室外污染物。例如,O3 濃度在室內通常較低(約 5 ppb)是因為在室內可通過快速氣相和多相氧化反應進行去除 O3,但室外形成的 O3 可以通過通風引入至室內空氣。在建築物中引入 O3 洗滌系統或吸附材料可以減輕潛在的危險。實際上,將 O3 引入室內空氣可能會降低某些活性 VOC 的混合比例,但在此過程中會形成許多已知對人體健康有危害的氣態和顆粒氧化物質。


一些新興的空氣改善技術是透過化學機制使得更容易氧化來去除室內空氣中的氣體。一般的概念上,空氣污染物的化學轉化通常希望產生 CO2(礦質化) 和 H2O。在實務上,離子生成器、羥基自由基產生器、光催化氧化裝置、等離子設備或 O3 產生器導致形成氧化的 VOC,通過二次化學反應產生 PM,這些有時或對室內建材會有附帶的損害。目前,加州空氣資源委員會 (CARB)執行法規這將空氣淨化系統中 O3 的產生量限制在 50 ppb 以下。然而,研究顯示,人體接觸可接受的濃度為低於 10 ppb,而美國供暖、製冷和空調工程師協會(ASHRAE)標準 62.1 2019「禁止使用臭氧發生器」並要求「空氣淨化器」要符合 UL 2998,該標準為 O3 設定了 5 ppb 的限值,雖然空氣淨化器產生的 O3 一直是政府監管單位和空氣淨化行業的主要關注點,但其他氧化劑(例如,OH 自由基)的使用和/或釋放到室內的環境也引起了相對的擔憂。


VOC 氧化產生的富含氧 VOC 和超細顆粒會增加健康負面的風險,例如,光催化氧化裝置,其中紫外線或可見光照射在催化表面上形成氧化劑,然後與 VOC 反應。總體來說,人們對暴露於透過化學轉化去除微量氣體的空氣淨化裝置產生的氧化劑和形成的副產物的擔憂仍然存在。在其安全性有更具體的研究之前,需要謹慎使用。


無論成分如何,都可以去除顆粒

高效微粒空氣(HEPA)過濾器是減少室內 PM 的有用工具。過濾對室內空氣中的化學過程的影響相對較小:當 PM 被去除時,它不能再充當半揮發性化合物的冷凝槽,和過濾介質上堆積的材料會緩慢地重新釋放半揮發物質,並與氧化劑反應產生副產物。通風和局部抽氣也是緩解 PM 的高效措施。如上所述離子生成設備將使通過的顆粒與離子反應帶電以提高凝結和/或沉降速率,來去除顆粒。目前離子產生器去除 PM 的功效知之甚少;最近對一種商用雙極離子產生器的評估顯示其極少的 PM 去除量。依賴於離子空氣淨化設備存在多種變化,亦會造成顯著潛在的化學副產物。存在氣相中的離子與 VOC 和其他微量氣體會發生反應而形成一系列氧化產物,使用非熱等離子體的離子系統可以產生 NOx 和 O3,未來仍需要進一步研究產生離子的空氣淨化器。


聚焦於生物氣膠顆粒

各種化學處理劑被噴灑或霧化到室內空間以設計應用於表面和空氣消毒。在霧化或噴灑中實施的化學消毒劑包括強氧化劑,例如,次氯酸,過氧乙酸酸與過氧化氫(hypochlorous acid, peracetic acid, hydrogen peroxide)、季銨化合物(quaternary ammonium compounds)、和三甘醇(triethylene glycol vapor),雖然主要活性成分的化學物質仍會被關注,但大多數消毒劑溶液是包含許多「非活性」成分的混合物,每種成分在釋放到環境中後都有獨特的化學轉化最終命運和暴露風險。雖然有些消毒劑已針對特定環境中的表面使用過,但很少有人因反覆或長期吸入暴露而對其毒性進行嚴格評估。


如果在有人在時持續散佈或噴灑化學消毒劑以降低室內空間的疾病傳播風險,那麼可觀的二次化學反應將會發生。紫外線殺菌輻射(UVGI)系統是廣泛被用於醫療保健環境,當個人避免直接接觸紫外線時被認為是安全的,但二次化學仍可能會在某些條件下發生,如 UV 產生活性離子而使 VOC 發生光解。丙酮的 UV 光解被認為是過氧自由基的來源,將各種 VOC 暴露於 254 nm 強光下會產生氧化副產物和新形成的顆粒物的混合物。多種 VOC 在 UVGI 波長(UV-C;100-290 nm)時具有可觀的光化量子產率,但若能適當選擇這些設備中使用的 UV 波長和光強度可能能夠減輕意外的化學反應及副產物。


破壞平衡

室內空氣中許多氣態成分的濃度取決於與室內表面上的冷凝相儲存庫之間的平衡。任何新空氣成分的引入或現有成分的去除都會導致特定化合物在兩相之間的平衡移動。即使是將顆粒去除到過濾器上或通過靜電沉澱 PM 仍會引起隨後的多相化學反應。根據每種化合物的 pH 相關平衡係數,酸性或鹼性表面清潔劑的應用將化學物質從表面釋放到室內空氣中。在室內霧化酸性(HOCl)或鹼性(季銨)消毒劑時,會產生類似的化學反應。空氣「淨化」化學品及其配方中存在的任何 SVOC 被引入室內空氣都會沉積或分配到表面。根據分配係數,在典型的換氣率時 SVOC 的去除時間從幾天到幾十年不等。


研究仍不充份的次氯酸(HOCl)

HOCl 霧化作業是在商業和醫療環境中所使用的一種技術,但卻沒有充分考慮其在室內所產生的化學副作用。 已有大量研究關於 HOCl 在免疫系統中的反應性和生物化學、其與有機化合物反應性的細節以及其誘使發炎症的傾向。HOCl 在生物系統中的反應擴散長度為幾微米,因此它的生化活性是高度局部化的。 將 HOCl 引入不適合其原位產生和反應性的生物環境(例如,在中性粒細胞的膜內)會導致發炎症。在水和硬表面消毒應用,HOCl 與有機物的快速和廣泛的反應性會限制其對抗病原體的性能,同時消毒副產物的形成也是一個主要問題。


許多清潔溶液中都含有 HOCl,如包括但不限於次氯酸鈉(氯漂白劑)、二氯異氰尿酸鈉(NaDCC)製成的清潔溶液,或通過氯化鈉水溶液電解產生的清潔溶液。使用各種含 HOCl 的系統會形成副產物。雖然一些室內空氣研究已經使用氯漂白劑而得知 HOCl 是反應性最強的成分,類似的化學反應可能發生在各種類型的次氯酸鹽和含 HOCl 的清潔劑中。HOCl 對呼吸系統健康的直接影響尚不清楚,但吸入 Cl2 後會在呼吸道中形成 HOCl,反覆接觸次氯酸鹽漂白劑溶液會導致呼吸系統健康狀況不良,顯示 HOCl 和/或其揮發性副產品會對健康產生負面影響。然而,氣態的 HOCl 對室內化學的影響卻鮮為人知,但影響範圍可能更廣。


HOCl 釋放到氣相可導致形成 OH 和 Cl 自由基,從而加速氧化性氣體和多相化學。次氯酸鹽漂白劑揮發後 HOCl 的化學性質會導致室內重要活性物質(例如,NO2、O3、HONO、OH)的濃度增加,會產生含氧和氯化的 VOC, 對有機表面膜進行化學改性,並導致在螢光或太陽光照射下形成二次 PM。在室內釋放強氧化劑將增強空氣的氧化能力並增加存在的氧化產物的數量。雖然已知一些相關的反應產物對健康有害(例如,O3、NO2、CCl3、二次 PM),但許多化學品的化合物特定毒理學或暴露數據不足。儘管如此,還是有廣泛的證據表示,室內空氣品質差會對健康產生負面影響。 因此,使用氧化性清潔劑,尤其是那些揮發性的(例如,HOCl、H2O2),對室內空氣品質具有重要而廣泛的化學影響,其中一些直到最近才有研究成果。


健康建築的機會

在這個因 COVID-19 大流行而引起人們高度關注的情況下,採取各種防治技術以改善室內空氣品質將會產生深遠持久的影響。提高對室內環境化學的科學理解代表了一個重要的機會,可以引導公眾找到安全有效的室內空氣品質的解決方案。多年來,環境品質科學家完成了許多實場案例研究,其中化學藥劑的使用研究超過了對其安全性的充分了解,導致了嚴重的負面生態和/或健康結果(例如,滴滴涕、氯氟烴、全氟烷基物質)。未來應該抱持謹慎使用的原則:在了解此類防治技術對環境和健康更廣泛的影響之前,應避免不必要地或過度使用化學產品和產生活性反應物質的設備。就空氣淨化技術而言,數十年的室內外大氣化學知識提供了堅實的基礎。空氣淨化領域缺乏足夠的科學研究來對許多空氣淨化技術的副產品形成進行全面的定量評估。


本文觀點強調了空氣淨化技術的一些未知方面以及無法預期的化學副產物產生之可能性。未來迫切需要應用現有知識並在現實場域中進行與空氣淨化技術相關的特定化學研究。在此之前,大量使用化學消毒劑和以產生活性反應物質的裝置進行空氣淨化時需要謹慎的使用。


( 摘至 Environ. Sci. Technol. 2021, 55, 12172−12179 )


Dr. J 評論:

室內空氣品質改善及淨化防疫技術已發展多年,全世界充斥著各種物理及化學原理的技術及各類型的淨化機裝置/系統、通風過濾、吸附、吸收、光觸媒與UV等,各種離子及次氯酸等是其中的代表性淨化技術,然而各技術在去除、產生、再轉化及不確定因子等四面向皆有其特點,值得未來科學家持續投入大量研究。


關於各種技術的有效性是廠商所不斷強調的,但其所產生的化學副產物從來沒有人去正視它,這正將帶給我們空氣淨化產業未來推動的障礙。因此我們提倡任何空氣品質改善技術都應該由「安全」與「潔淨」為出發,這也正是設計嚴謹的「安淨標章」所強調的精神所在,避免設計不夠完善的標章,反而讓人產生誤解,停留在室內空氣品質不佳的風險環境。


設備的多樣性及實際場域的研究不足,兩因素加總起來導致對室內空氣品質的改善效果了解十分不足,各種淨化技術都應該在實際場域經過環保技術驗證(ETV),以便瞭解真正的改善效果及確保技術使用的安全性,這樣才能真正帶給健康建築的貢獻。


TIEQM台灣室內環境品質管理協會,持續與產官學密切互動,定期舉辦實務研討會,進行國際相關協會交流,建立相關技術指引,集結本會各專業領域顧問,提供健康室內空氣品質標章、安淨標章、室內空氣品質監測儀認可制度認與室內空氣品質問題整體解決方案,給予場域可視化的場域標示,讓民眾能選擇擁有良好室內空氣的環境。
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