2021年12月，环境科学与生态学1区TOP期刊《Environment International》（影响因子IF：9.621）刊登了课题组尹奕卉博士生和清华大学何峻州博士合作的最新成果：Identification of key volatile organic compounds in aircraft cabins and associated inhalation health risks，2022（https://doi.org/10.1016/j.envint.2021.106999），该研究由商飞-波音联合项目“Assessment of Volatile Organic Compounds in Commercial Airliner Cabins”资助。

作者：

Yihui Yin(尹奕卉，共同一作)，Junzhou He(何峻州，共同一作)，Lei Zhao(赵磊)，Jingjing Pei(裴晶晶，通讯作者)，Xudong Yang(杨旭东)，Yuexia Sun(孙越霞)，Xikang Cui(崔玺康)，Chao-Hsin Lin(林钊信)，Daniel Wei(魏志刚)，Qingyan Chen(陈清焰)

研究亮点：

对比客机座舱环境与建筑住宅环境的共性VOC及特征VOC；

提出6种机舱环境中应优先控制的VOCs——甲苯、苯、四氯乙烯、三氯甲烷、1，2-二氯乙烷、萘；

引入神经网络算法预测座舱TVOC浓度；

建议机舱内部污染物浓度限值分级设计。

研究背景：

人一生中约有5.5%的时间在各类交通工具内度过，与户外活动时长相当，仅次于人在住宅内花费的时间。国际航空运输协会（IATA）报告显示，全球航空旅客数量持续增长，2018年超过43亿次旅行，全球化已使航空旅行成为常态。COVID-19的出现更是强调了座舱空气质量（CAQ）直接关乎乘客及机组人员的安全、健康及舒适。挥发性有机化合物（VOCs）作为CAQ关键指标之一，必须得到有效控制。

由于座舱空气品质引起的飞机紧急事件并不罕见（被报导的烟雾事件频率在0.02-0.5%）。美国联邦航空管理局（FAA）根据事故/事件数据系统（AIDS）与服务困难报告系统（SDRS）的数据统计显示，平均每年约有20起客舱空气污染事件，其中23%来源于环境控制系统（ECS），17％来源于发动机油，液压油和航空燃油。除了此类直接影响乘客人身安全的污染物急性暴露外，一般飞行状态下的座舱空气质量也与人员健康和舒适密切相关。欧洲航空安全局（EASA）的一项研究报告称，超过60%的飞机空乘人员遇到过客舱空气污染事件，并认为对自己的舒适感及判断、操作能力有影响。事实上，由于缺乏可靠的CAQ监测数据，污染物非急性暴露更难以被记录和报导。已有许多研究对于其他建造环境下人员VOC健康暴露风险进行了评估，然而尚缺乏对于机舱环境中人员对于VOC长期慢性暴露的健康风险评估。

总结国内外现有文献，机舱VOC研究尚处于“摸清现状”阶段，实测研究较多（详见原文）。同时，对于机舱环境，仅有欧洲航空工业协会（AECMA）标准prEN4618-2013和俄罗斯航空规章AP25-2005给定了少数几种VOC浓度限值。其他相关标准，如美国ASHRAE161-2013，美国联邦航空规章FAR-25-2017，以及中国民用航空规章CCAR-25-R4-2016，尚未给出VOCs指标。而研究CAQ的最终目的是为了利用通风或净化手段控制污染物浓度。为实现控制及标准制定，目标污染物不宜过多。当采用净化手段时，少量、明确的目标VOC以便选择合适的净化技术及材料，从而保证净化效率并提高设备使用寿命；当采用通风手段时，获知准确的总VOC（TVOC）浓度有助于制定合理的通风策略。综上，本研究致力于识别座舱关键VOCs并预测TVOC浓度。

主要成果：

1.共性VOC及机舱特征VOC

对比分析了建筑室内环境（251民居住宅入户实测数据）与飞机座舱环境（56架商业客机上机实测数据）的VOC数据库。

甲醛、甲苯、己醛、壬醛、苯、苯甲醛、乙酸乙酯、对&间二甲苯、乙苯为机舱环境与住宅环境中的共性VOC；机舱内甲醛浓度显著低于住宅环境内。

提出四氯乙烯、柠檬烯、萘等物质为机舱环境中的特征VOC；其中机舱中四氯乙烯浓度显著高于住宅建筑中。

图1.机舱环境与住宅环境内检出率均高于70%的VOCs及其浓度分布

图2.机舱环境中检出率显著高于住宅环境的VOCs及其浓度分布

2.机舱中具有健康风险的VOCs

基于实测数据，依据EPA提出的评估方法计算了乘客及机组人员的全寿命污染物暴露量；再利用IRIS及OEHHA系统污染物单位吸入风险值，评估了人员吸入致癌/非致癌风险。

机组人员对甲醛、苯、四氯乙烯、三氯甲烷、萘、1,2二氯乙烷的吸入致癌风险高于EPA限值（>1E-06）；乘客吸入癌症风险及全员非致癌风险均低于标准推荐值。

与文献数据相比，VOCs在不同环境下的综合健康风险普遍高于机舱环境，这与暴露时长密切相关。但在这样较短的暴露时间内，仍存在6种VOCs具备潜在过量吸入健康风险，更说明对客舱环境关键VOCs控制的必要性。

图3.机舱环境中乘客及机组人员吸入致癌风险评估

图4.机舱环境中乘客及机组人员非致癌风险评估

3.神经网络算法预测机舱内TVOC浓度

TVOC是表征封闭环境空气质量水平的有效指标。基于小样本量实测数据，引入人工智能算法进行TVOC预测，为通风控制提供边界条件。

利用灰色关联分析筛选出与TVOC高度相关的稳定存在于机舱中的VOC，利用实验的平均损失值来估计和确定BP神经网络的隐藏层中的神经元数量及迭代次数。

采用BP神经网络算法预测TVOC，预测值与实测值的平均误差为55μg/m³(R² = 0.80)。

图5.a) 人工智能预测TVOC浓度流程图 

b) TVOC浓度预测值与实测值散点图

4.不同建造环境下VOC标准限值对比

各环境现有标准中VOC浓度限值排序：

飞机座舱环境限值(prEN 4618, 2013; Russian standard AP25, 2005)≈职业暴露环境限值(GBZ 2.1,2019; ACGIH, 2019; NIOSH, 2007)>新车舱内环境限值(GB/T 27630, 2011; KOR, 2007; JAMA,2005)>建筑室内环境限值(WHO, 2000a;GB/T 18883, 2020; WHO, 2000b; WHO, 2010)>基于人体健康暴露给出的限值(OEHHA, 2021; ATSDR, 2021).

建议采用分级设计给出客机座舱污染物浓度限值：

• 安全限值：为应对紧急事件(如航空燃油和/或润滑油泄漏)，可参考相关职业安全暴露标准

• 健康限值：为消除乘客和机组人员的健康风险，可参照毒理学研究提供的污染物接触限值

• 舒适限值：在舒适感知领域，可通过考虑污染物与人类感知(如气味感知)的相关性分析来确定

本文引用格式：

Yin, Y., He, J.,Zhao, L., Pei, J., Yang, X., Sun, Y., Cui, X., Lin, C-H., Wei, D., Chen, Q..2022. Identification of key volatile organic compounds in aircraft cabins andassociated inhalation health risks. Environ.Int. 158, 106999.

原文出处：https://doi.org/10.1016/j.envint.2021.106999（开源Open Access）