伴随蒸发和挥发的盐酸液滴在人体微环境的迁移特性

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在工业建筑室内,酸洗、电镀等工艺过程中会产生大量的盐酸液滴。盐酸液滴逃逸进入室内环境迁移到人体微环境中会危害工人的身体健康。盐酸液滴及其挥发产生的HCl气体,会导致呼吸系统炎症、牙酸蚀病等。由于伴随水蒸气蒸发和HCl挥发作用,盐酸液滴在人体微环境中的运动特性不断的发生变化,进而影响HCl气体和盐酸液滴的人体暴露特征。因此研究伴随蒸发和挥发的盐酸液滴在人体微环境的迁移特性,对提出针对性的个性化防护装备、通风方式和预测污染物的危害程度有重要的指导意义。本文采用数值模拟方法研究了不同影响因素下盐酸液滴及其挥发的HCl气体在人体微环境中的迁移和分布特性。研究先确定了伴随着蒸发和挥发的盐酸液滴的数值模拟方法,选择欧拉-拉格朗日法的DPM模型来追踪盐酸液滴运动轨迹。由于盐酸液滴含有HCl溶质,在DPM模型液滴类型选用了多组分液滴模型(Multicomponent),可以同时考虑盐酸液滴中水的蒸发和HCl组分的挥发。此外,为了验证数值模型和计算方法的可靠性,将数值模拟结果与文献中的实验结果进行对比,发现结果吻合较好。随后,通过数值模拟分析了人体散热作用、呼吸方式、环境参数(粒径、相对湿度)对室内横向气流(气流速度0.25m/s)中的盐酸液滴及其挥发的HCl气体在人体微环境中的迁移规律和个体暴露特性的影响。首先明确了人体热羽流及呼吸方式对初始粒径为50μm盐酸液滴迁移特性的影响,研究发现横向气流与人体热羽流的相互作用使得人体表面沉积盐酸液滴暴露量增加,而人体的热羽流降低了HCl气体在人体呼吸区的暴露。呼吸方式不同时,HCl气体的人体吸入暴露量也不同,如:相对湿度为30%,嘴巴呼吸相比鼻子呼吸时HCl气体的浓度大18.8%,因此尽量避免用嘴巴呼吸。其次研究了液滴粒径及环境相对湿度对盐酸液滴及其挥发的HCl气体在人体微环境中的迁移特性的影响。发现随着粒径的增大,发现随着粒径的增大,人体表面的盐酸液滴沉积暴露量增大,但吸入盐酸液滴以及HCl气体暴露量先增大后减小。而环境相对湿度(30%-70%)增大,人体表面盐酸液滴沉积暴露量增加3.9倍,人体吸入HCl气体的浓度降低98.9%。最后通过数值模拟分析了在相对湿度为50%条件下,不同初始粒径、室内横向气流速度以及人体与液滴散发槽面间距对槽面散发的盐酸液滴和HCl气体在人体微环境中的迁移规律与个体暴露特性的影响。研究表明:(1)当盐酸液滴的初始粒径为50μm时,人体吸入和沉积盐酸液滴的暴露量最大。粒径不同时,各工况下人体吸入HCl气体浓度随时间变化基本相同;(2)室内横向气流速度对人体暴露量的影响显著。室内横向气流速度越大,人体吸入HCl气体和表面沉积盐酸液滴暴露量均增大,增加了人体暴露风险;(3)随着人体与槽面距离(0.5~1.5m)的增加,人体吸入和沉积盐酸液滴的暴露量减少。但HCl气体的吸入暴露量随着距离的增大呈现先减小后增大的趋势。这是因为人体和槽面的间距从1.0m增加到1.5m时,由于人体和槽面的涡流区作用增强,使得HCl扩散到人体微环境中,导致人体吸入HCl的暴露量反而增大。因此,应尽可能消除人体和槽面之间的涡流区,从而降低人体吸入HCl气体的暴露量。
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