从20世纪80年代起，世界上一些发达国家陆续开展了对潜艇加装AIP技术即“不依赖空气推进装置（air independent propulsion）”技术的研究，并相继取得了一些突破性成果。AIP潜艇舱室大气环境控制难于柴电常规潜艇和核潜艇。柴电常规潜艇经常要在通气管或水面状态进行充电，利用充电时机，舱内空气可以与自然大气进行通风换气，从而达到空气净化的目的。其水下续航时间不长，有害气体累积浓度低，空气净化负担轻，舱室大气环境控制技术简单容易。AIP潜艇水下续航时间要求较长，由于隐蔽性要求，不能频繁上浮进行通风换气，有害气体完全靠空气净化设备清除，空气净化负担重^[1]。AIP潜艇空气质量要求达到或接近核潜艇，但是AIP潜艇现有能量和空间均不能与核潜艇相比，核潜艇大气环境控制技术也不能直接运用到AIP潜艇上。

AIP潜艇按其设计可在水下连续潜航30昼夜。潜艇水下航行时艇员生活在一个特定的环境中，空间狭小，活动受限，舱内缺乏自然光及正常的空气流通，再加上摇摆，振动，噪声，高温，高湿，生物节律，有害气体，营养，给水等因素，必然会对人体生理，心理产生一定的影响。开展该类潜艇航行空气质量数据调查，可以为今后加强医学保障和制定相应的卫生标准提供科学依据。潜艇舱室封闭环境中气体种类很多，对艇内空气的产生污染，威胁着艇员的健康。艇内污染源众多，如人体代谢产物产生的氨、甲酸、尿酸、醛、甲硫醇、挥发性胺等有害物质；烹饪产生大量丙烯醛、含氧化合物和气溶胶等；非金属材料如油漆、塑料、橡胶、燃料、润滑油、粘合剂等产生大量的烷烃、烯烃、卤代烃、芳香烃、含氧化合物、含硫化合物、气溶胶等多种有害物质。随着艇上非金属材料的不断增多，这些材料已经成为舱室空气污染物的主要来源^[2]。气溶胶对人体的危害与其粒径密切相关，粒径大于2.5 μm的微粒易被呼吸道阻留，对人体局部黏膜产生刺激作用，引发过敏性鼻炎，感染上呼吸道，形成支气管哮喘、支气管炎、过敏性肺炎，并导致呼吸功能失调；而小于2.5 μm的微粒可直接进入肺部，导致肺部硬化，对艇员健康造成极大威胁^[3]。

潜艇舱室大气环境检测研究受到各国海军的重视。美国海军将潜艇大气质量的重要性列为第二位，仅次于武备，足见对大气环境质量的重视程度。多数国家从潜艇空气中检测出几百种组分，我国从潜艇舱室空气中检测出652种组分^[4]。1991年发表的《潜艇空气质量》全面论述了潜艇空气的检测和控制技术。英国皇家海军对潜艇舱室空气检测技术也非常重视，先后定性分析出潜艇舱室空气中195种有害气体组分，为其中的50种组分进行了定量分析^[5]。

周升如^[8]使用5种吸附剂（Tenax，Porapak，Chromosob-103，GDX-101，活性炭）进行浓缩采样，用色质谱法定性了14类266种有机物，但未能找到有机物种类变动的规律。肖存杰^[9]将潜艇大气组分分为12类，运用6种吸附剂（Tenax，Porapak，Chromosob-103，GDX-101，活性炭，硅胶）对这12类物质进行浓缩采样，采用色质谱法、检定管法、比色法和原子吸收光谱法定性检测出368种组分，其中脂肪烃175种，芳香烃53种，萘及其同系物28种，茚及其同系物20种，卤代烃14种，含氮化合物2种，醇类7种，醛类9种，酮类16种，酸类1种，酯类4种，醚类2种以及其他37种。定量检测出67种组分。瑞典海军联合国防研究所、隆德大学等单位研究了“哥特兰”级AIP潜艇下潜过程中空气的质量情况，共同开展了为期16天的试验，其中连续潜航8天^[8]。这个试验研究中，主要对二氧化碳（CO₂）、氧（O₂）、臭氧（O₃）、氢（H₂）、二氧化氮（NO₂）、挥发性有机化合物（VOC）、甲醛、悬浮颗粒物（PM）和微生物污染物进行了监测。此外还监测了空气温度、总压力和相对湿度。试验表明只要空气更新系统正常工作，除了二氧化碳，所有测量浓度远低于瑞典环保局制定8 h职业接触限制标准，被监测空气污染物没有发生积累。澳大利亚国防部国防科学技术组织研究人员研究了柴电潜艇内物释放的颗粒性质和组成，从海洋来源的柴油颗粒排放的测量是罕见的，虽然这种形式的运输造成重大的空气污染。然而，与陆地环境不同，航海环境不受其他燃烧源的干扰。柴油机舱内微粒物质平均浓度为1 500 μg/m³，粒径分布在0.5～202 μm范围内，测定了颗粒物的元素碳（EC）、有机碳（OC）和总碳（TC）的化学形态^[9]。比利时安特卫普大学研究人员研究了柴电艇舱内颗粒物污染情况，收集了艇内细粒子和粗离子进行研究，对有机碳、水溶性有机碳、主要无机离子物种和有机物种进行了分析，并估算了海盐粒子、非海盐硫酸盐、水溶性和水不溶性有机物的浓度^[10]。

为研究该类潜艇舱室空气中主要污染物的组成和浓度，对AIP艇水下航行试验进行空气污染物检测和监测。开展该类潜艇空气污染物定量分析的研究，可为今后该类潜艇有害气体标准限值研究以及艇用空气净化装置设计提供依据。

该型潜艇针对常见空气污染物装备了空气更新系统、采用LiOH作为吸收剂的二氧化碳消除系统、装有吸附挥发性有机物及颗粒物的活性炭过滤装置。这个试验研究中，主要对挥发性有机化合物（VOC）、二氧化碳（CO₂）、一氧化碳（CO）和悬浮颗粒物（TSP，PM₁₀，PM_2.5）进行了监测，同时对空气的温湿度和压力进行了记录。VOC一共采集了6个有代表性的点位，分别是住舱、厕所、指挥舱、柴油机舱的厨房、斯特林热气机舱和机械舱。航行试验在6月到7月进行，航行试验各舱室环境设备运行良好。

采用SUMMA6L硅涂层采样罐（Entech USA）对潜艇各舱室有害气体进行富集与测量。采样前采样罐用N₂清洗并抽真空，由于SUMMA6L采样罐样品保存时间为20–30 d，为了保持样品的新鲜度，采集时间为航行第42 d，共采集6个点位，分别为住舱（AS）、洗手间（T）、指挥室（CR）、柴油舱段的厨房（G）、斯特林发动机舱（SS）、机械舱（MR）。采用瞬时采样方式，将瞬时采样头接到清洗过的采样罐上，打开阀后会自动采集空气样品，6 L的采样罐在5 min采集完毕。采样时各舱室环境条件如表1所示。采集后密封采样阀，待航行结束后带回实验室定量分析。

表 1(Tab. 1)

表 1 潜艇长航中6个采样点的污染物定量分析结果 Tab. 1 The identified pollutants of six sampling location in this campaign. Pollutant Quantification limit（mg/m–3） Permissible Concentration[12] TLV-TWA[13] Concentrations/mg·m–3 Group Name 1-AS 2-T 3-CR 4-G 5-SS 6-MR Aliphatic n-Hexane 0.010 – 1920 0.565 0.452 0.507 0.553 0.458 0.518 Cyclohexane 0.009 – 375 2.21 1.99 1.86 1.33 2.00 1.92 n-Heptane 0.011 75 1786 0.667 0.329 0.765 1.03 0.704 0.573 Halogenated Chloromethane 0.006 – – 0.189 0.152 0.150 0.058 0.140 0.144 Chloroethane 0.007 – – 0.019 0.019 0.017 0.010 0.017 0.015 Chloroethylene 0.007 – – 0.007 0.008 0.007 0.007 0.007 0.007 Dichloromethane 0.009 87.5 167 1.17 1.06 1.00 0.627 0.990 1.03 1,1-Dichloroethane 0.011 – 400 0.028 0.019 0.018 0.011 0.014 0.019 Trichloromethane 0.013 – 50 0.126 0.098 0.093 0.063 0.080 0.100 1,2-Dichloroethane 0.011 87.5 400 0.227 0.149 0.163 0.129 0.182 0.154 Tetrachloromethane 0.017 – 30 0.367 0.329 0.304 0.256 0.337 0.322 Trichloroethylene 0.015 – 292 0.019 0.015 0.015 0.015 0.015 0.016 1,2-Dichloropropane 0.013 – 5 0.036 0.034 0.042 0.034 0.040 0.040 Oxygenated Ethanol 0.005 300 2054 11.3 2.04 3.15 2.42 2.47 1.01 Acetone 0.006 – 1295 3.36 2.70 2.54 1.07 1.82 2.69 Methyl tert butyl ether 0.010 – 643 0.064 0.080 0.058 0.027 0.037 0.078 2-Butanone 0.008 – 0.425 0.499 0.336 0.349 0.290 0.38 Ethyl acetate 0.010 – 1571 1.24 2.45 0.634 1.19 0.910 2.39 Methyl methacrylate 0.011 – 223 0.589 0.259 0.480 0.634 1.06 0.527 Aromatic Benzene 0.009 6.0 1.5 0.319 0.167 0.318 0.213 0.307 0.282 Toluene 0.010 40 13.5 3.88 2.69 2.55 2.07 1.92 3.91 Ethyl benzene 0.012 30 435 2.19 1.18 1.72 2.52 1.57 1.97 p-Xylene 0.012 – 435 1.00 0.734 0.685 1.46 0.682 0.792 m-Xylene 0.012 – 435 0.688 0.434 0.617 1.12 0.701 0.778 o-Xylene 0.012 – 435 0.837 0.408 0.583 0.987 0.632 0.682 Styrene 0.012 –- 80 0.124 0.057 0.087 0.120 0.091 0.097 4-Ethyl toluene 0.013 – – 0.079 0.042 0.065 0.137 0.087 0.050 1,3,5-Trimethyl benzene 0.013 – – 0.092 0.043 0.068 0.110 0.080 0.042 1,2,4-Trimethyl benzene 0.013 – – 0.314 0.154 0.232 0.523 0.322 0.153 Chlorobenzene 0.013 – 55 0.100 0.072 0.046 0.020 0.023 0.128 1,4-Dichlorobenzene 0.016 – 142 0.211 0.220 0.289 0.153 0.133 0.334 Sulfur Dimethylsulfide 0.025 – – 0.025 0.076 0.075 0.068 0.056 0.066 Dimethyldisulfide 0.025 – 25.4 0.052 0.167 0.085 0.082 0.046 0.109 Carbon disulfide 0.008 – 3.11 0.223 0.188 0.193 0.213 0.194 0.186 TLV-TWA，Threshold Limit Values-Time Weighted Average，the data come from American Conference of Governmental Industrial Hygienists（ACGIH）；–，no reported.

表 1 潜艇长航中6个采样点的污染物定量分析结果 Tab.1 The identified pollutants of six sampling location in this campaign.

三级冷阱浓缩仪的仪器参数参照USEPA TO- 15方法^[13]。一定体积的含有目标化合物的气体通过冷阱预浓缩装置富集后能进入色谱进行分析，而溶剂气体（N₂，O₂，CO₂，H₂O）无保留的通过预浓缩装置后不进入色谱分析^[11]。三级预浓缩技术常用于分析潮湿空气中的VOCs化合物，一级冷阱（装有弱吸附能力的玻璃珠）的目的是有效的去除水。然后冷阱被加热，用氦气或氮气将浓缩物质慢慢带入装有Tenax吸附剂的二级冷阱中，目的是有效的去除CO₂。浓缩气体被加热，反吹进入三级冷阱。目的是在不丢失VOCs的条件下进一步消除水蒸气的干扰，并将浓缩气体快速冷冻浓缩以便快速进样分析。本研究采用美国Entech公司7100A型VOCs预浓缩仪，对样品进行浓缩。

实验室分析仪器为气相色谱/质谱仪（安捷伦7890/5975GC/MS，美国Agilent公司），载气为高纯氦气，纯度>99.999%，载气流量1.2 ml/min，尾吹氦气29 ml/min，氢气流量30 ml/min，空气流量300 ml/min。柱温为两阶程序升温，40 ℃保持5 min，10 ℃/min上升到140 ℃保持5 min，20 ℃/min升到250度保持3 min。分流比10∶1，进样口温度为200 ℃，传输线温度230 ℃，离子源温度130 ℃，四级杆温度温度230 ℃，质量范围10～600 amμ。色谱柱为安捷伦DB-5MS，60 m×0.32 µm×1.0 µm（美国Agilent公司）。采用标准气体（1 ppm，Linde Spectra Gases Inc，林德有限公司），用外标法定量，所有气体指标均测试3次，标准偏差分析精度±5%，加标回收率91%～110%。

航行的第13 d到第18 d对6个不同舱室的气溶胶质量浓度进行检测。采用便携式气溶胶检测仪（TSI8533，TSI Inc. USA）对进行24 h浓度检测，该仪器可监测细颗粒物（Fine Particles，PM_2.5）、可吸入颗粒物（Inharable particulates，PM_l0）和总悬浮颗粒物（Total Suspended Particulates，TSP）的浓度。监测时采样流量3.0 L/min，检测范围0.001～150 mg/m³，计算颗粒物日浓度平均值。

本次试验对住舱的CO及CO₂进行了连续监测（Konor Model JA903，Konor Electronics，Shenzhen China），采样流量500 mL/min，检测范围CO为0～100 mg/m³，CO₂为0～3%，每天监测时间不少于8 h，记录每天所测得的CO₂最高浓度。

总共定量检测出34种组分，分为五大类，分别是脂肪烃、卤代烃、含氧化合物、芳香烃和含硫化合物，如表1所示。大部分物质浓度较低，没有超过我国的常规潜艇军用标准（GJB11.3-91）^[12]和美国政府工业卫生委员会（ACGIH）职业暴露标准^[13]。但常规动力艇的续航能力远不及AIP艇，很多污染物没有制定相应的卫生标准；美国政府工业卫生委员会（ACGIH）职业暴露标准是持续8 h工作日和40 h工作周工作制的时间加权平均浓度，而潜艇的连续暴露时间明显长于8 h，但间隔周期和总的暴露时间明显要短于前者，因此列出的阈值只能作为参考，无法准确对AIP艇上污染物的健康危害进行评估。从表中可以看出，醇醛酮等含氧类化合物和芳香烃化合物的浓度明显高于硫化物和烃类化合物。住舱检出的污染物总量最多，为32.7 mg/m³，其次是机械舱为21.5 mg/m³，斯特林发动机舱（SS）污染物总量最少，为18.4 mg/m³，从上面分析可以知道人员活动和人体代谢产生的污染物占有较大比例。浓度较高的主要优势化合物为环己烷、二氯甲烷、乙醇、丙酮、甲苯、乙苯和二甲苯，大部分为ppm级别，其中住舱中乙醇甚至达到11.3 mg/m³，偏高的乙醇浓度估计和艇员饮酒有关。在这些污染物质中有一些低嗅阈值如二甲基硫醚、二甲基二硫醚，在厕所等舱室浓度较高，其中厕所检出的二甲基二硫醚达到0.167 mg/m³，超过住舱浓度的3倍，超出其嗅阈值8 000多倍^[14]。这些物质在这个浓度范围会严重恶化舱室内的空气品质，对人体感官产生强烈刺激作用。需要加大对这些场所空气质量的改善，如加装一些有对这些臭味物质有专一化学吸附能力的净化器。从定量检测出的物质来看，苯乙烯、甲苯、乙苯、二甲苯、四氯化碳属于中等毒性物质，而苯、二硫化碳、三氯甲烷、二甲基二硫醚属于高毒性物质，浓度在几十至几百个PPb之间，这些组分对舱室环境的影响不容忽视。图1显示了5类污染物的浓度堆积图。艇上非生物源化合如脂肪烃、芳香烃、卤代烃等多为污染源自身含有，如舰艇润滑油挥发、制冷剂泄露与油漆涂料释放，因温度变化和通风作用而自然挥发，受环境参数影响很大。生物型来源与有机物的代谢和分解密切相关，如有机酸、硫化物等，其浓度与污染源的微生物活性和稳定参数有显著的相关性^[15]。芳香烃和卤代烃等毒性较大的化合物在动力舱和机械舱比重大，这些地方有柴油发动机、冷却器、油管、水管、滤器和辅机等，柴油机下部的底舱里则布置着滑油舱、污油舱以及柴油机冷却淡水舱等，这些舱室这两类非生物源化合物含量较多。机舱内的噪音大，环境温度高，是潜艇上环境条件最差的舱室。而住舱、指挥室等人员活动密集的地方有大量的醇醛酮等含氧物质检出，这与人员活动和饮食关系密切。

图 1 潜艇舱室5类污染物的浓度 Fig. 1 Concentrations of five pollutant families in the six cabins

根据颗粒物粒径的大小可以将颗粒物分为3种：粒径小于2.5 µm的颗粒物称为细颗粒物（Fine Particles，PM_2.5）；粒径小于l0 µm的颗粒物称为可吸入颗粒物（Inhalable particulates，PM_l0）；粒径小于100 µm的所有悬浮颗粒物称为总悬浮颗粒物（Total Suspended Particulates，TSP）^[16]。PM₁₀可以在大气中滞留较长的时间，是日常大气的主要污染物之一^[17]。PM_2.5是可吸入颗粒物PM₁₀中较多的一部分，PM_2.5粒径小，可吸附重金属和致病菌等大量有毒有害物质且在大气中停留时间长、输送距离远，对能见度、空气质量和人体健康影响较大^[18]。

监测在航行第13 d到18 d进行，各舱室PM_2.5和PM₁₀的平均浓度均高于系泊时浓度水平，说明舱内产生了一定的气溶胶污染，如图2所示。

图 2 潜艇舱室中3种不同粒径颗粒物小时平均质量浓度 Fig. 2 Particle mass concentration of three particle size in the six cabins

我国军用标准没有颗粒物的限值，国标《室内空气质量标准》（GB/T18883-2002）中规定了PM₁₀浓度限值日平均浓度为0.15 mg/m³，PM_2.5没有标准^[19]。PM₁₀日均浓度均超出国家标准GB/T18883-2002的舱室有住舱AS（0.346 mg/m³）、指挥室CR（0.503 mg/m³）、厨房G（0.482 mg/m³）和机械舱MR（0.469 mg/m³）。根据上述分析，该艇潜航状态下舱室气溶胶属于细颗粒物污染。室内环境中PM_2.5主要有以固态形式直接排出的一次粒子和由化学反应生成的二次粒子2种形成方式^[20]。其中一次粒子来源于燃料的燃烧、装饰材料和家具表面的散发、设备的使用、细颗粒物的二次悬浮、小于2.5 μm颗粒物的凝结、空调系统及室内人员的活动如吸烟、呼吸、咳嗽、走动及打扫等，二次粒子主要是多相化学反应形成的硝酸盐、硫酸盐的二次细粒子。推测潜艇舱室环境的细粒子主要来源为人体散发、材料表面研磨和脱落、机械设备运行及人员作业操作产生。

图3显示了住舱外LiOH吸收装置开启后（14:39），舱室气溶胶质量浓度随时间变化规律。可以发现在LiOH吸收装置开启瞬间，舱室内3种粒径的气溶胶浓度迅速升高，随后浓度逐渐降低，由此可以得知LiOH吸收装置开启对舱室的气溶胶浓度产生较大影响。

图 3 潜艇住舱中碱石灰更换时颗粒质量浓度的波动 Fig. 3 Fluctuation of particle mass concentration during an operation of soda lime exchange in accommodation space

潜艇住舱中CO和CO₂最高浓度分布如图4所示。CO会通过呼吸凝结到血红蛋白上，并且在通过气泡膜之后形成碳氧血红蛋白，血红蛋白对CO的亲和力与血红蛋白对氧的亲和力之比大约为235∶1。CO对哺乳动物产生毒性作用的主要机理是降低血的输氧能力，长时间的CO中毒可能引起心肌炎，甚至心肌梗塞，其严重程度随血中CO浓度的增加而增加。我国的常规潜艇军用标准（GJB11.3-91）中CO的浓度为23 mg/m³，航行期间CO均在此标准限值一下，水下航行浓度比水上航行要高。二氧化碳（CO₂）是潜艇舱室空气污染物的主要成分之一，高浓度可产生窒息作用。潜艇艇员是舱室内CO₂的主要来源^[21]。长期处于CO₂浓度较高的环境中，会导致人员感觉胸闷、头晕，反应能力下降。同时，CO₂浓度的高低还时常用来表征室内空气流通程度的好坏，并反映空气中其他有害污染物聚集的水平。艇员在含量为3%的CO₂环境中暴露数十个小时，所有人的工作能力、智力活动能力显著下降，浓度超过约5%的CO₂环境中暴露数10小时会严重损害视力和听力，在含量为1.5%的CO₂气体中暴露几十天，慢性呼吸性的酸碱度和电解质平衡出现明显的适应性改变，离开这个环境若干天也不会完全恢复，说明长期暴露在此浓度下可能导致病理生理的变化。从9艘核动力弹道导弹潜艇所搜集的数据表明，CO₂的平均浓度为0.35%，浓度范围在0～1.1%之间。从10艘核动力攻击潜艇所搜集的数据表明，CO₂的平均浓度为0.41%，浓度范围在0.03%～1.13%之间^[22]。我国的常规潜艇军用标准（GJB11.3-91）中CO₂的浓度为1%，航行的第18天和35天CO₂的最高浓度超过了标准限制，分别为1.12%和1.21%。

图 4 潜艇住舱中一氧化碳和二氧化碳最高浓度分布 Fig. 4 Distribution of maximum concentrations of carbon monoxide and carbon dioxide in accommodation space

因此建议进行潜艇舱室空气组分容许浓度的修订和完善工作，增加一些低嗅阈值和高毒性组分的标准。尽快进行AIP潜艇大气质量标准的制定，对这些低嗅阈值的气体组分进行定标和控制，可以改善舰艇舱室环境空气的质量，同时也可进一步优化筛选上舰使用的非金属材料。针对厕所、菜库、洗手间等有强烈源强的部位，加强卫生和操作管理，配备一些专用的净化设施，进一步改善艇内空气质量。