室内挥发性有机物表面分配行为研究揭示大型储库效应对人体暴露途径的影响

本研究通过向测试住宅注入挥发性有机化合物（VOCs），首次量化了室内表面分配容量，发现其等效辛醇厚度达微米级（远超传统认为的纳米级有机膜），表明多孔/可渗透材料（如油漆、木材）是主要储库。该发现修正了基于辛醇-空气分配系数（KOA＞105）的污染物持久性模型，揭示通风对高KOA化合物去除的局限性，为评估人体经吸入、皮肤吸收及粉尘摄入的非膳食暴露机制提供关键参数。

　　

研究背景与意义

室内环境中表面分配容量是决定人类通过吸入、皮肤吸收和粉尘摄入途径接触有机污染物的关键机制，然而这一容量长期未知。传统观点认为室内表面主要被数十纳米厚的有机薄膜覆盖，但实际环境中建筑材料和家具等可渗透或多孔材料可能形成更大的分子级表面积储库。本研究通过在实际测试住宅中注入不同挥发性的有机化合物，基于实时动力学测量，首次量化了室内环境的整体分配容量。

实验设计与方法

实验在美国国家标准与技术研究院（NIST）的净零能耗住宅测试设施（NZERTF）中进行。研究人员分别注射了高挥发性化合物混合物（CASA鸡尾酒）和杀虫剂喷雾（含较低挥发性成分），使用质子转移反应质谱（PTR-MS）实时监测气相混合比。住宅被建模为双区域系统（开放式厨房-餐厅-起居区KDL和其他区域），通过耦合微分方程描述区域间空气流动、室外空气交换、表面吸附及排放过程。

结果与讨论

实测与模拟衰减曲线

CASA鸡尾酒化合物（异戊二烯、甲苯、α-蒎烯等，log K_OA=2.0-4.3）的衰减速率相似，表明这些高挥发性成分较少分配至表面储库（仅0.004%-0.5%）。而杀虫剂中高log K_OA（＞5）化合物（如除虫菊酯类）衰减显著更快，表明其强烈分配至表面。模拟显示：若假设全屋均为10 nm厚辛醇等效表面膜（传统模型），则高K_OA化合物的衰减被低估；最佳拟合需KDL区200 nm、其他区域8 μm的等效厚度，证实可渗透材料（油漆、木材等）是主要储库。

表面储库中的污染物持久性

基于8 μm等效厚度储库和不同空气交换率（ACH=0.1-10 h^-1）的模拟表明：

• •

  log K_OA≤4.5的化合物（如HONO、异戊二烯）半衰期＜1小时，主要存在于气相，易通过通风去除；

• •

  log K_OA=5-9的化合物（尼古丁、儿茶酚等）半衰期从数小时至一年，通风效果有限，需依赖表面清洁物理移除；

• •

  log K_OA＞9的化合物（角鲨烯、苯并[a]芘、塑化剂）半衰期超一年，无法通过通风去除，其归趋主要由多相化学反应主导。

机制与影响因素

分配动力学受气相扩散、表面容纳及体相扩散共同控制。有效质量容纳系数（α_eff）模拟与多层动力学模型一致性验证表明，当前实验时间尺度下体相扩散限制（D_b≥5×10^?11 cm² s^?1）不显著，但更低扩散系数（如10^?13 cm² s^?1）可能延长半衰期。表面储库大小与材料类型（如多孔性）、温度、湿度及人为活动（皮肤油脂沉积）密切相关。

对室内环境研究的启示

本研究首次在实际住宅中量化了总分配容量，修正了基于薄有机膜（10 nm）的传统模型。结果表明：

• •

  高K_OA化合物（log K_OA＞5）主要分配于表面储库而非气相，显著降低吸入暴露但增加皮肤接触与粉尘摄入风险；

• •

  通风对高K_OA化合物去除效率低下，需结合表面清洁等物理干预；

• •

  化学持久性评估需整合分配特性、空气交换、扩散限制与表面反应等多参数。

该发现为精准评估火灾烟雾、第三方烟、塑化剂等长期残留污染物的暴露风险提供了理论基础，对建筑设计、通风策略及公共卫生政策具有重要指导意义。