行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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※ 靜止空氣氣膠吸入效率預測模式之建立 ※
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計畫類別： 個別型計畫 □整合型計畫
計畫編號：NSC 89－2314－B－006－166
執行期間：89 年 08 月 01 日至 90 年 07 月 31 日
計畫主持人：蔡朋枝
共同主持人：
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：
中 華 民 國 90 年 10 月 30 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
國科會專題研究計畫成果報告撰寫格式說明
Pr epar ation of NSC Pr oject Repor ts
計畫編號：NSC 89-2314-B-006-166
執行期限：89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日
主持人：蔡朋枝 成功大學環境醫學研究所
計畫參與人員：林少娟 成功大學環境醫學研究所
一、中文摘要
為有效評估作業環境中個人氣膠暴露量，理論 上採樣時所用之氣膠採樣器，其捕集結果必需能代 表個人對氣膠之實際吸入情形。因此，自 1980 年 代以來‘可吸入性氣膠’採樣觀念即已逐漸被氣膠學 界所接受，其採樣準則並於 1994 年獲國際間的認 同。然前述之可吸入性氣膠採樣準則僅適用於環境 風速介於 1.0 m/s 至 4.0 m/s，對於大多數的室內靜 止空氣作業環境，無論其採樣準則之建立或氣膠吸 入效率預測模式之開發均有待進一步研究。因此，
本研究利用一靜止空氣之氣膠測試系統，以人形模 特兒以瞭解人體在靜止空氣時對氣膠之吸入效 率，並建立靜止空氣環境之可吸入性氣膠採樣準 則；接著藉對現行之氣膠採樣器於測試系統進行測 試，以評估各類現行採樣器在靜止空氣情形之適用 性。研究結果發現靜止空氣環境中人形模特兒氣膠 吸入效率與工作型態及吸氣方式有關，其中重度工 作吸入效率大於中度工作吸入效率，而口部吸氣則 明顯大於鼻部吸氣之吸入效率。如就目前常用之個 人氣膠採樣器 37-mm，4-mm，7-hole，及 IOM 採 樣器而言，可發現其吸入效率為 IOM＞7-hole＞
4-mm＞37-mm。尤其值得注意的是前述四種採樣器 之吸入效率與人形模特兒之吸入效率具明顯差 異，故未來有關靜止空氣環境中新採樣器開發仍有 其必要性。
關鍵詞：靜止空氣、氣膠吸入效率、氣膠採樣準則、
氣膠採樣器 Abstr act
For aerosol sampling to be meaningful for worker's exposure assessment, it requires that the aerosol sampling result is representative to worker's true exposure. Therefore, the concept of inhalable aerosol sampling has been widely accepted by aerosol researchers since 1980s’, and the inhalable aerosol sampling criterion has also been internationally recognized from different authorities since 1994.
However, the criterion mentioned above is designated for workplaces with environmental windspeeds ranging from 1.0m/s to 4.0m/s. Considering calm air situation is usually encountered in indoor workplace that new sampling criterion should be developed to meet practical needs in industrial hygiene field. For
this reason, this study is set out firstly to use a calm air aerosol testing system to simulate the calm air environment for the purpose of obtaining aspiration efficiencies of various size of aerosols under the calm air situation. Above results will be used as a basis for enacting the inhalable criterion for the calm air environment. The second part of this study involves to obtain the aspiration efficiencies of various samplers by testing samplers under calm air situation for various size of aerosols. Above results will be used as a basis for assessing the feasibility of various samplers while conducting sampling in the calm air environments. Results obtained from this study show the aspiration efficiencies of mannequin sampling system were affected by both "work-loads" and
"inhalation routes". We found the higher work-loads, the higher aerosol aspiration efficiencies would be found. In addition, the aspiration efficiencies obtained by using mouth-breathing systems were consistently higher than those using nose-breathing system. Regarding the aspiration efficiencies of four currently used personal samplers, we found a consistent trend as IOM＞7-hole＞4-mm＞37-mm for aerosol of various particle sizes. In particular, we found neigher any one of the above four personal samplers could be regarded as a representative sampler for sampling in calm air environment. The above result warrents the need on developing new aerosol samplers in the future.
Keywor ds: Calm air, Aerosol aspiration efficiency, Aerosol sampling criteria, Aerosol sampler.
二、緣由與目的
在工業衛生領域裡，一般常藉由作業環境之 個人採樣方式，以評估勞工個人之暴露量，並做為 是否採取進一步管制措施之評量基準。然而前述個 人採樣之有效性，主要取決於在所採取的個人採樣 方式，其採樣結果是否可代表個人實際暴露量。如 個人採樣結果無代表勞工暴露量則其採樣結果將 造成對暴露量有低估或高估的現象，進而使所採取 之管制措施，或失之於不足以保護勞工之健康，抑 或形成過度保護而造成資源之不必要浪費。為了評 估個人之實際氣膠暴露量，除了需瞭解目前氣膠個 人採樣器之捕集效率外，有關勞工在不同外在環境
下氣膠之實際吸入(或暴露)量之推估，亦是一急待 探討的問題。有鑑於此，如何以實驗室來模擬環境 暴露狀態，以評估各種採樣器之吸入效率，實為當 前工業衛生之一大課題。
為瞭解人體在低風速或靜止空氣環境之氣膠 吸入效率，最近 Hsu 等（1998）曾利用人體試驗方 式，在靜止空氣暴露腔中進行人體氣膠可吸入效率 之研究，其結果發現靜止空氣時之可吸入氣膠吸入 效率，與流動空氣(moving air) (即 1 m/s ≤ U ≤ 4 m/s) 之作業環境有明顯不同；唯值得注意的是上述測定 方式，係以個人常態靜坐在暴露腔中進行測試，而 未考慮到勞工於重體力勞動時，可能發生之呼吸流 率改變，及呼吸型態(如經由口部呼吸)對氣膠吸入 效率所可能造成之影響。有鑑於原流動空氣之可吸 入 性 器 膠 吸 入 效 率 曲 線 之 訂 定 (Vincent and Mark,1982；Armbruster and Breuer,1982)，乃係利用 人型模特兒以口部呼吸，來模擬勞工在氣膠作業場 所中最差之暴露情形(the worst exposure scenario)，
因此 Aitken 等(1999)乃重新利用人形模特兒以口部 呼吸方式，利用靜止空氣測試腔以求取氣膠之吸入 效率。唯值得注意的是前述測試系統係以人形模特 兒定點定速旋轉(1.0 rpm 及 1.6 rpm)，以模擬勞工 之作業時之平均方向，對於勞工在靜止狀態、或不 同工作負荷狀態之(及呼吸流率與頻率)吸入效率則 付諸闕如。另有關靜止空氣中不同採樣器氣膠吸入 效率之探討方面，目前已有 Kenny 等(1999)曾對 IOM 可吸入性氣膠採樣器、GSP 可吸入性氣膠採樣 器、7-hole 採樣器及 37mm 濾紙匣採樣器提出探 討，唯其採樣系統係以各採樣器配戴在人形模特兒 之胸前(左或右胸)，且模特兒係以中心軸定速旋轉 (1.0 rpm 及 1.6 rpm)情形下實施測定。由於前述採 樣系統中之採樣器業以偏離中心軸，其在旋轉時相 對環境空氣係以切線等速移動，因此其並無法代表 採樣器在靜止空氣(即與環境空氣相對呈靜止狀態) 之吸入效率。有鑑於此，為瞭解各類採樣器之吸入 效率，仍需對人形模特兒在靜置時之採樣系統予以 重新評估。
三、研究方法
(一)利用人形模特兒於靜止空氣氣膠測試系 統，求取可吸入性氣膠之吸入效率，並擬 訂可吸入性氣膠採樣準則。
(二)求取各類現行氣膠採樣器之吸入效率，以 瞭解現行採樣器在靜止空氣環境之適用 性。
四、結果與討論
(一)靜止空氣氣膠測試系統之建立
本測試系統暴露腔之設計，主要參考自英 國職業醫學研究所（IOM; Institute of Occupation Medicine）Gibson及Ogden於1977年所設計之靜止 空氣腔（calm air chamber）並酌予變更，其尺寸
（L×W×H）為1m×1m×3m，內含一混合段（mixing
section約1.8m）、暴露段（exposure section約1.0m）
及工作平台（platform），前述測試系統亦已被 英 國 安 全 衛 生 試 驗 室 (Health and Safety Laboratory)於1999年由Kenny等從事相關研究時 所 採 用 。 在 混 合 段 中 主 要 包 括 一 氣 膠產 生器
（aerosol generator），四個混合風扇以及一段之 蜂巢式整流牆（honeycomb, 10mm mesh, 50mm 高），而在暴露段下方並設置工作平台及一氣膠 收集筒。
1.氣膠產生器
主要用以產生測試所需之氣膠，採用 本實驗室現有之 Wright Dust feeder II 為氣 膠產生器，該設備內設有進料筒、刮刀等 依平台轉速而定量控制氣膠之質量流率
（mass flow rate），其流率可調整範圍為 0.09g/h 至 60g/h（對單位密度之氣膠）。氣 膠分散噴嘴採用符合 ISO5011 之文式流量 噴嘴，其流率約為 12 至 15l/min，整組之供 料單元（dosing unit）尺寸（H×W×D）約為 12×18×18cm，而電動單元為 26×15×9cm。
2.試驗用氣膠
本 研 究 採 用 英 國 Electromineral Company 出 品 之 fused aluminum （ 內 含 97%AlO2，2%TiO2，及其他物質 1%，密度 為 3.96g/cm3），其級數編號、質量中數氣 動粒徑（mdae(µm); mass median aerodynamic diameter），幾何標準偏差（σg; geometric standard deviation）、及動力形狀因子（K;
dynamic shape factor）經 Mark 等(1995)測試 如表一所示，而其毒性經 Dinman(1983)指 出應不至構成健康危害，並且亦在 Fuchs 及 Sutugin(1968) 所 稱 之 單 相 分 布
（monodispersity）之測試範圍，而其另一 特 點 為 不 易 結 團 （ virtually agglomerate-free）。Kenny 等(1999)亦指出 前述產品可有效的應用於實驗室中，以模 擬勞工作業環境中不同粒徑的氣膠暴露情 形。
3.蜂巢式整流牆（honeycomb）
本研究採用 6mm mesh 及 50mm 厚之 honeycomb 整流，使 fused aluminum 能夠均 勻進入暴露段中，經 Gibson 及 Ogden(1977) 指出，當使用一片 honeycomb 時，其內部 風速應在 5cm/s 以下，而 Aitken 等(1999) 則指出有效控制風速小於 10cm/sec 以下，
與本實驗室發現之風速可控制範圍相同。
4.混合風扇（mixing fan）
本研究設置 4 組 10cm 轉速可調式風 扇，其用以使氣膠均勻混合於混合段中。
當其轉速為 25rpm 時，其內部風速小於 0.1m/s。
5.工作平台（platform）
本研究利用 10mm厚之多孔狀壓克力
（每孔直徑約 3cm）以構築工作平台，並同 時於其下設氣膠收集筒，以回收使用後之 氣膠。
(二)靜止空氣氣膠測試系統之測試
有關整個靜止空氣器膠測試系統之穩定性測 試，其目的在於測試系統運轉時，在暴露段部位之 氣膠其空間分布是否均勻。一般在移動空氣測試系 統 中 （ 如 風 洞 ） 常 利 用 所 謂 的 等 速 採 樣 方 式
（isokinetic sampling），即利用數個薄管採樣器置 於暴露段中，配合環境風速大小實施等速採樣，並 藉各薄管採樣器捕集結果之差異情形，以決定系統 之空間中氣膠是否均勻混合分布（Mark et al.,1985;
Mark & Vincent, 1986））。在本研究中，則採用 Hsu 等（1998）之做法，於工作平台中內置具蓋面 之五個鋁製金屬盤（直徑）直接承接下降之氣膠，
以瞭解測試系統之均勻性。表二為所測試之五種氣 膠之均勻性，可發現其 CV(Coefficient of Variance) 介於 5.2% ~ 9.7%之間，其中 dae愈大則 CV 值亦有 較大之趨勢，究其原因應與 dae愈大其慣性力愈大，
愈容易形成局部高濃度所致。
(三)人形模特兒吸入效率測試及可吸入氣膠採樣準 則之探討
為建立靜止空氣可吸入性氣膠採樣準則，本 研究仿造移動空氣可吸入氣膠採樣準則訂定方 法，以人形模特兒實施測試（Vincent & Mark, 1982;
Armbuster & Breuer, 1982）。測試之人形模特兒之 呼吸速率則依 Niiniman et al（1980）之研究結果，
依勞動狀況，選擇中及重度工作時，口及鼻呼吸型 式區分其每分鐘空氣吸入量及呼吸次數（如表三所 示）。所使用之呼吸儀在試驗時須將其置入於人形 模特兒之腹腔。本研究測試時以人形模特兒靜止時 為原則，並對各氣動粒徑測試氣膠重複五次測試。
本研究所獲得之人形模特兒在靜置下二種呼 吸形式之吸入效率如表四所示。大體而言，可知以 口部吸氣無論於中度或重度工作，其吸入效率均大 於鼻部吸氣時之吸入效率，究其原因應於鼻部吸入 時，係以約略 45 度朝下吸入，而氣膠因重力影響 而較無法被有效捕集有關；而重度工作時無論採用 口部或鼻部吸氣，其吸氣效率均大於其相對在中度 工作時之相對效率，究其原因，則應與重度工作時 之吸氣流率較大，而造成其有效捕集氣膠之範圍 (reach)較大所致。至於小粒徑之氣膠吸入效率均大 於大粒徑氣膠之吸入效率，則明顯肇因於小粒徑重 力影響較小，較易受吸入空氣影響有關。
(四)各種現行採樣器吸入效率之測試
有關採樣器吸入效率測試部分，本研究針對 四種個人採樣器（含 37-mm cassette closed-face，
4-mm single-hole sampler, 7-hole sampler, IOM personal sampler 分別加以測試），測試時其測試流 率均為 2L/min，並針對每種採樣器對每種粒徑之氣 膠實施五次測試。表五為所獲得之測試結果，可發 現四種採樣器中之各氣動粒徑之氣膠其吸入效率 均為 IOM＞7-hole＞4-mm＞37-mm，究其原因應與 採樣器之孔口大小有關。理論上，採樣器孔口愈
大，則採樣器前方所造成之流場扭曲(flow distortion) 愈大，雖然其吸引流速亦愈大(即 reach 愈大)，但 氣膠接近採樣口時則可能因其慣性力之故而無法 進入採樣器中。而值得注意的是以上四種採樣器，
大體在 18.0µm 以前其吸入效率均與鼻部呼吸，中 度工作時人形模特兒的吸入效率相似，但在大於 18.0µm 以後則有明顯之差異。換言之，以上四種 採樣器均不足以作為靜止空氣中之氣膠捕集採樣 器，因其捕集結果與人體吸入均有明顯之差異。
五、結論與建議
1.靜止空氣環境中就相同工作負荷而言，以口 部吸入時之氣膠吸入效率，明顯大於以鼻部 吸入時之吸入效率。如就保護勞工之觀點而 言，應以口部吸入效率代表勞工吸入氣膠之 採樣準則為宜。
2.由於不同負荷時，口部之吸入效率在重度工 作時明顯大於中度工作時，故就建立吸入效 率採樣準則時宜以工作負荷加以區分，方能 有效評估勞工之實際吸入量。
3.現今常用之四種採樣器，均無法有效捕集代 表勞工實際吸入量，因此未來仍有待開發新 型採樣器，以做為勞工在靜止空氣中評估暴 露時使用。
4.本研究所獲得之吸入效率，未來宜利用數值 分析方法加以分析，以瞭解並推估靜止空氣 環境中之氣膠吸入效率模式，並做為未來新 採樣器開發之基礎。
六、參考文獻
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表一、試驗用氣膠
級數編號 mdae(µm) σg K
F1200 6.0 1.36 1.44
F1000 9.0 1.38 1.49
F800 13.0 1.30 1.06
F600 18.0 1.29 1.69
F500 26.0 1.21 1.24
F400 34.0 1.20 1.12
F360 46.0 1.20 1.18
F320 58.0 1.17 1.00
F280 74.0 1.19 1.00
F240 89.5 1.29 1.04
表二、靜止空氣氣膠測試系統之均勻性
級數編號 mdae (µm) Conc. (mg/m3) CV (%)
F1200 6.0 2.1 5.2
F600 18.0 2.7 6.1
F400 34.0 3.5 7.6
F320 74.0 4.2 9.2
F240 89.5 5.1 9.7
表三、本研究擬採用之呼吸速率及方式 每分鐘吸入
氣體體積（L）
每分鐘之 呼吸次數（次）
吸入
方式 模擬工作形態
20 20 鼻 中度工作
20 20 口 中度工作（worst case）
30 25 鼻 重度工作
30 25 口 重度工作（worst case）
表四、靜止空氣中，不同工作型態及吸入方式下，人形模特兒之吸入效率
單位：(%) 氣膠氣動粒徑dae (µm)
工作型態 吸入
方式 6.0 9.0 13.0 18.0 26.0 34.0 46.0 58.0 74.0 89.5 鼻 86.3 72.1 60.3 56.2 46.1 35.2 21.5 12.3 6.21 3.2 中度工作 口 89.2 80.1 70.3 65.2 56.1 50.0 42.1 21.6 15.3 7.9 鼻 89.4 81.2 73.1 62.9 49.8 36.5 26.1 14.7 9.6 7.6 重度工作 口 92.4 89.6 86.3 78.6 70.1 62.3 51.6 38.4 2.5 20.8
表五、四種個人氣膠採樣器在靜止空氣中之吸入效率
單位：(%) 氣膠氣動粒徑dae (µm)
採樣器
6.0 9.0 13.0 18.0 26.0 34.0 46.0 58.0 74.0 89.5 37-mm 87.6 80.3 71.2 56.3 30.7 18.4 10.1 3.01 0.31 0.01 4-mm 88.5 82.4 73.6 60.4 32.6 21.3 10.4 4.09 0.41 0.01 7-hole 89.3 83.6 78.5 62.6 38.9 30.6 13.6 5.23 1.28 0.25 IOM 90.2 86.6 80.4 65.8 41.0 33.8 15.8 9.65 4.35 1.26
