来源:Air 发布时间:2025/7/28 15:45:06
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利用分布式传感器网络在教学实验室中对焊接过程中产生的 PM2.5 暴露进行定量评

论文标题:Quantitative Assessment of Soldering-Induced PM2.5 Exposure Using a Distributed Sensor Network in Instructional Laboratory Settings

论文链接:https://www.mdpi.com/2813-4168/3/2/16

期刊名:Air

期刊主页:https://www.mdpi.com/journal/air

引言

焊接是一种常见的工程操作过程,会释放空气中的颗粒物(PM),从而带来显著的长期呼吸系统健康风险。这种暴露对健康的影响不容小觑,全球多达22% 的焊接作业人员被诊断出患有职业性哮喘、限制性肺疾病以及支气管阻塞等疾病。研究表明,焊接过程中产生的 PM2.5 浓度可高达美国环境保护署(EPA)规定的 24 小时暴露限值(35.0 μg/m³)的 10 倍——在长期暴露的情况下,会对呼吸系统和认知功能造成显著威胁。

然而,在学术实验室和初级工业环境中,初学工程人员往往对这些健康风险认识不足,安全操作实践也常常不规范或执行不一致。空气净化系统是缓解这一问题的一种手段,但其性能受型号和摆放位置的影响较大,且缺乏独立验证。

Prof. Sep Makhsous 及其研究团队在期刊 Air上发表文章《Quantitative Assessment of Soldering-Induced PM2.5 Exposure Using a Distributed Sensor Network in Instructional Laboratory Settings》, 利用一个室内空气质量监测系统(由六个 AeroSpec 传感器组成),在使用和未使用商用空气净化器的焊接过程中,对 PM2.5–10 的浓度进行测量。通过对采集数据的分析,评估净化器的有效性及其摆放位置对污染物分布的影响。研究结果为空气净化器的性能提供了独立验证,并提出了基于实证的数据支持的建议,旨在减少颗粒物暴露并提升实验室焊接环境中的安全水平。

AeroSpec 传感器分解图

研究过程与结果

本研究旨在分析多款市售空气净化器在维持安全空气质量水平方面的能力。为进行此项分析,研究人员在实验室环境中将 AeroSpec 传感器布置在焊铁周围,以在焊接过程中监测 PM2.5 浓度,并评估不同空气净化器对 PM2.5 的过滤效果。

研究结果表明:在没有任何空气净化措施的焊接操作中,PM2.5 的浓度显著高于美国环保署(EPA)推荐的暴露限值。即使是短时间的焊接,在缺乏适当净化的情况下,也可能使操作者暴露于极高的瞬时 PM2.5 浓度中,从而增加严重和长期健康风险的可能性。实验中测试的所有空气净化器,无论其过滤效率如何都显著降低了操作者呼吸区内的 PM2.5 浓度,这是由于净化器风扇产生的气流将污染物重新分布至桌面区域。

对于所有进行焊接操作的实验室,为尽量减少在焊接过程中的有害 PM2.5 暴露,强烈建议配备焊接空气净化器。即使是过滤效率较低的净化器,也能在一定程度上显著降低使用者接触 PM2.5 的风险。

不同型号的空气净化器在设计上存在差异,这种差异会造成净化效率的显著差异。净化器的性能受其机械进风设计、风扇功率、所用滤材类型以及整体尺寸等多个参数影响。配备大功率风扇的大型桌面净化器通常比体积较小或风力较弱的设备提供更优越的防护。如果条件允许,建议使用类似“净化器 2”这样的设备,它配备了顶部的烟雾抽气装置。在本研究中,净化器 2 在去除周围空气中的 PM2.5 方面表现最佳,同时有研究支持其所用的 HEPA 滤网能够有效清除教育环境中的 PM2.5。

尽管研究发现,当空气净化器运行时,PM 浓度在焊接源附近始终最高,而在使用者呼吸区域(较高位置)显著降低,但研究也指出,空气净化效果在很大程度上取决于净化器与焊铁之间的相对位置。因此,实验室应明确指导实验操作者,特别是学生或初学者,如何将焊接空气净化器放置在合适的距离,并在焊接过程中保持正确的位置。这样的培训不仅能保障使用者的安全,还能帮助初学者养成良好的实验室习惯。

此外,结果显示,不同型号的净化器在最佳工作距离方面存在显著差异,有些在较近的距离效果更好,而另一些则在中等距离表现最佳。因此,实验室应根据所使用的具体净化器型号,为其摆放位置提供明确指导,以确保净化器达到最佳净化效果。

研究总结与后续工作

研究结果显示焊接在教育环境中仍是一项具有健康风险的操作,会持续释放 PM2.5 微粒至空气中;所有测试的净化器均能有效降低使用者呼吸区域内的 PM2.5 浓度,并有助于将颗粒物控制在焊接工位附近;空气净化器在过滤 PM2.5 时存在一个最佳距离,其效率并非始终随着与焊接点之间距离的增加或减小而线性变化;所有测试型号中,顶部安装式空气净化器在去除 PM2.5 方面表现出最高效率。

后续工作:

•传感器网络扩展,增加传感器数量和布置密度,引入 IoT 和 RFID 智能传感平台,提升监测覆盖范围和灵活性;

•实验范围扩展与焊接场景多样化,包括更多焊接类型:拆焊、长时焊接、多设备操作等,延长实验时间,更真实评估颗粒物累积与暴露风险;

•引入计算流体力学(CFD)模拟,使用 CFD 软件交叉验证实验结果,模拟不同房间布局、设备配置下的空气流动与污染物分布;

•构建全面的污染防护策略体系,除空气净化器外,建议使用防护口罩、低烟助焊剂与无铅焊锡;继续加强传感器布置密度,提升数据精度和适用性。

 
 
 
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