受控火灾烟雾暴露条件下被动采样材料的对比评估：多环芳烃及电池来源金属的富集性能

《Journal of Hazardous Materials》：Comparative Evaluation of Passive Sampling Materials under Controlled Fire Smoke Exposure: Uptake of PAHs and Battery-Derived Metals

　　

• •
  三种受控火灾烟雾暴露条件下六种被动采样材料的比较
• •
  添加聚苯乙烯使空气中多环芳烃（PAHs）浓度较纯松木烟雾升高约16倍
• •
  聚氨酯泡沫对PAHs的吸附量最高；硅胶对电池金属的截留量最多
• •
  PAHs的吸附和金属的截留受不同机制支配

引言

火灾烟雾是生物质、合成聚合物、建筑材料和电子产品不完全燃烧产生的气体、蒸汽和颗粒物的复杂混合物，其中多环芳烃（PAHs）尤其值得关注，因为其中几种已被归类为致突变或致癌物质[1]。消防员在灭火和训练过程中反复接触PAHs，而受污染的个人防护装备（PPE）、消防设备和火场残留物可能导致火灾过后的持续暴露[2], [3], [4]。这些暴露转化为可测量的内剂量：受控住宅火灾后，尿液PAH代谢物水平升高约两至六倍[5]。随着消防员职业暴露已被国际癌症研究机构（IARC）归类为对人类致癌（第1类），可靠的个体暴露评估已成为一项实际优先事项[6], [7]。

使用泵、滤材和吸附介质的主动空气采样仍然是空气中PAHs的定量参考方法，但由于其笨重且需要预校准，在实战火灾中难以部署[8]。被动采样器提供了一个实用的替代方案，因为它们轻便、无需供电，并能随时间集成暴露量[8], [9], [10]。用于被动采样的材料通过不同的机制捕获烟雾。聚氨酯泡沫（PUF）的开放细胞结构提供了高比表面积，有利于气态化合物通过类似辛醇-空气分配平衡的过程进行吸收，同时也能通过表面接触截留颗粒结合态污染物[11], [12], [13], [14], [15]。活性炭对广泛挥发性有机化合物（VOCs）具有很高的吸附容量[16], [17]。由聚氨酯、聚丙烯腈和聚酰胺等聚合物制备的电纺聚合物纳米纤维，凭借其纳米级纤维直径和高孔隙率，已显示出高效的颗粒捕获能力[18]。天然棉花能吸附半挥发性有机化合物（SVOCs），并在其纤维基质中截留空气中的颗粒物[19], [20], [21]。硅胶兼具热稳定性、防潮性、机械耐久性、广谱化学吸附能力和现场使用的便捷性，因此已成为消防员研究中使用最广泛的被动采样器[22], [23], [24]。利用硅胶基被动采样器（如手环和狗牌）在火灾现场检测到的化合物包括空气中PAHs、邻苯二甲酸酯类、全氟和多氟烷基物质（PFAS）、溴化阻燃剂、有机磷酸酯、多氯联苯、农药和VOCs[25], [26], [27], [28], [29], [30]。

火灾烟雾也与被动采样器通常校准的大气条件不同：其组成随燃料类型和燃烧条件而变化[31]，而高颗粒物负载、快速浓度变化和混合有机-无机气溶胶所创造的条件可能是环境校准无法代表的[30]。尽管单个被动采样器已在环境或职业研究中进行过表征，但对多种材料在相同火灾烟雾中暴露的并排比较仍然有限，使得不清楚每种材料截留哪些烟雾组分以及其局限性所在。

涉及电池的火灾增加了进一步的挑战。锂离子电池的热失控会释放出富含镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn）、铝（Al）、铜（Cu）、锂（Li）和磷（P）等元素的细颗粒和超细颗粒，这些元素来源于电池的正极、集流体和电解质组件[32], [33], [34], [35], [36], [37]。这类火灾在建筑结构、车辆和城乡交界区（WUI）变得越来越频繁，在城乡交界区，植被与住宅建筑、家具、电子产品以及越来越多的锂离子电池一起燃烧，所产生的烟雾进入有人居住的大气区域而非偏远荒野[38], [39]。因此，消防员面临PAHs和金属气溶胶的联合暴露，相同的排放物还会在顺风的社区、土壤和表面沉积PAHs和含金属气溶胶[39]。由于基于质量的大气监测既无法捕获有机-金属组成，也无法反映个体吸收情况，经过验证的被动采样工具是源解析的环境和个体暴露评估的先决条件。然而，目前尚不清楚不同的被动采样材料能截留多少这些金属、优先积累哪些元素以及支配这些截留的机制是什么。

本研究旨在比较具有不同化学性质和物理结构的候选被动采样材料在受控火灾烟雾条件下的PAHs和电池来源元素截留能力。六种被动采样材料——硅胶手环（SWB）、聚氨酯泡沫（PUF）、活性炭毡（ACF）、热塑性聚氨酯（TPU）、棉织物（CF）和棉球（CB）——暴露于三种燃料场景：松木、松木加聚苯乙烯（PS）和松木加锂离子电池（LIB）。对每种材料和每种场景，化合物特异性PAHs吸附量、分子重量解析的PAHs分布特征和电池来源元素的截留量均进行了量化，并与主动采样进行了基准对比。采用扫描电子显微镜配能谱仪（SEM-EDS）检查表面沉积物和含金属残留物。研究结果奠定了理解不同烟雾条件下材料特异性吸附行为的基础。据我们所知，这是首次将化学和结构上不同的被动采样材料同时暴露于相同的受控火灾烟雾中进行比较的研究，也是首次同时评估被动采样对电池来源金属和PAHs吸附的研究。

章节摘要

实验设计

本研究在受控燃烧条件下评估了六种被动采样材料对火灾烟雾PAHs和电池来源元素的截留能力，同时进行主动参考采样。研究了三种烟雾场景：松木、松木+聚苯乙烯（PS）和松木+电池，分别代表生物质、生物质-合成聚合物和涉及电池的烟雾[31], [35], [36]。

总体实验装置如图1所示，多仪器工作流程如图2所示。每次测试中，被动

不同火灾场景烟雾特征的主动采样表征

主动采样显示，三种燃料产生了不同的PAHs负荷（图3a）。松木产生了10.2  μg  m?3的总PAHs，与Wu等人[31]使用相同燃烧配置报道的木材烟雾排放一致。添加PS使总PAHs升高约16倍至167.8  μg  m?3，与合成聚合物对颗粒结合态（PM结合态）PAH排放的巨大贡献一致[46]。松木+电池产生5.1  μg  m?3，约为松木水平的一半。

PAHs环数分布也

结论

本研究提供了一种受控的头对头比较，将六种被动采样材料暴露于相同的火灾烟雾中，并与主动采样进行基准对比。三种燃料场景产生了不同的暴露特征：松木产生了中等PAHs负荷，松木+PS产生了最高和最广谱的PAHs混合物，松木+电池产生了相对较低的PAHs负荷，但产生了以电池来源元素为主的富金属气溶胶。这些源特异性分布特征

意义声明——环境影响

捕获火灾烟雾的双重有机-金属危害：PAHs和电池来源金属的材料依赖性被动采样

城乡交界区和锂离子电池火灾使消防员和周边社区暴露于一种化学复杂的危害中，该危害结合了第1类致癌多环芳烃和有毒、持久性金属气溶胶（尤其是镍和钴），这些物质会沉积于空气、土壤和水中。管理和减少这种暴露取决于能够

资金来源

感谢消防预防与安全（FP&S）研究开发（R&D）拨款的支持，该拨款是消防员援助拨款（AFG）的一部分，由美国国土安全部（DHS）通过联邦应急管理局（FEMA）资助（项目编号EMW-2021-FP-00088、EMW-2023-FP-00242、EMW-2024-FP-00732）。FP&S旨在减少消防员的死亡和非致命伤害，并改善消防员的安全、健康和福祉

CRediT作者贡献声明

Rui Li（李瑞）：写作—审阅与编辑、监督、资源、项目管理、概念化。Mengying Zhang（张萌莹）：写作—审阅与编辑、监督、资源、概念化。Guowen Song（宋国文）：写作—审阅与编辑、验证、项目管理、方法论、调查、资金获取、概念化。Md. Jakir Hossain：写作—审阅与编辑、方法论、调查。Rumi Md Jalal Uddin：写作—审阅与编辑、方法论、调查。Yulin Wu（吴玉林）：

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作的过程中，作者使用了AI辅助技术和语法检查工具来提高稿件的语言和可读性。在使用这些工具/服务后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对出版物的内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

作者衷心感谢爱荷华州立大学材料分析研究实验室在带能谱仪的场发射扫描电子显微镜分析方面提供的设施；内华达州里诺市沙漠研究局大气科学部在电感耦合等离子体质谱方面提供的支持；以及爱荷华大学高分辨率质谱设施（HRMSF）在气相色谱-串联质谱方面提供的支持。

Md. Touhidul Islam|Md. Jalal Uddin Rumi|Md. Jakir Hossain|Mazyar Etemadzadeh|Yulin Wu（吴玉林）|Mengying Zhang（张萌莹）|Rui Li（李瑞）|Guowen Song（宋国文）