CN101650291A - 一种用于测定建材表面阻隔层传质特性参数的实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测定建材表面阻隔层传质特性参数的实验方法，属于室内环境检验领域；该方法包括：阻隔层夹固在动态环境舱和静态环境舱的开口之间；将确定流量的载气通过动态环境舱；在静态环境舱中注入有机挥发物，并使有机挥发物浓度分布均匀；利用有机挥发物测试仪器实时检测动态环境舱出气口以及静态环境舱中的有机挥发物浓度；建立有机挥发物在阻隔层内传输的传质模型；将动态环境舱出气口的有机挥发物浓度的实验值利用数学表达式进行最小二乘法拟合，得到有机挥发物在阻隔层内的扩散系数，进而计算得到阻隔层内的分离系数，从而实现了对有机挥发物在阻隔层中传质特性参数的测定。本发明的实验方法操作过程简便，结果的可靠性高。

Description

一种用于测定建材表面阻隔层传质特性参数的实验方法

技术领域

本发明属于室内环境检验领域，特别涉及一种用于测定建材表面阻隔层传质特性参数包括扩散系数和分离系数在内的实验方法。

背景技术

很多室内建材诸如地毯、人造板等会大量释放有机挥发物(VOC)。有机挥发物已被认为是恶化室内空气品质的主要原因，其严重负面影响人们的舒适、健康和工作效率。因此，如何有效控制建材的有机挥发物散发受到越来越多的关注。通常来讲，源头控制是改善室内空气品质最有效和经济的方法。其中，在建材表面覆盖阻隔层(如浸渍纸、PVC膜、油漆等)被认为是一种比较有潜力的途径。一些研究者在此方面开展了研究。有研究者通过比较环境舱的浓度水平评估了几种表面阻隔层的有效性。还有研究者基于模拟结果发现，阻隔层可以有效降低甚至消除建材的有机挥发物散发。但是，鲜有工作对常见阻隔层的传质特性参数(包括扩散系数和分离系数)进行测定。这就使覆有阻隔层的建材的有机挥发物散发状况难以进行预测，同时难以选择合适的阻隔层来设计低散发建材。文献中常用于测定材料传质特性参数的方法有杯法、双舱法等。杯法是将材料覆盖在盛有液体有机挥发物的杯子的口部，通过称量杯子一段时间内的质量变化来计算有机挥发物在材料中的扩散系数。它的缺点是由于杯中的有机挥发物接近饱和浓度，得到的结果会高估材料在室内有机挥发物浓度水平下的扩散系数，并且一次实验只能测定一种有机挥发物。双舱法是将材料放在上下两个静态环境舱的开口之间，在其中一个静态环境舱内注入有机挥发物，然后同时检测两个环境舱中的有机挥发物浓度变化，最后通过耦合求解出阻隔层的传质特性参数(扩散系数和分离系数)。它的不足是存在多解的风险，使结果具有不确定性。因此，需要发展一种新的简单可靠的实验方法对阻隔层的传质特性参数进行测定。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有的测定方法的不足，提出一种适用于测定建材表面阻隔层的传质特性参数的实验方法，该方法操作过程简便，实验结果的可靠性高。

为实现上述目的，本发明提出一种用于测定建材表面阻隔层传质特性参数包括扩散系数和分离系数在内的实验方法，该方法包括一个通过载气的动态环境舱，一个静态环境舱以及一台有机挥发物测试仪器(如气相色谱仪GC、质子传递反应质谱仪PTRMS等)，同时涉及建立阻隔层中有机挥发物传输的传质模型。

采用所述的实验方法测定建材表面阻隔层的传质特性参数，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将待测阻隔层夹固在动态环境舱和静态环境舱的两开口之间，形成一个整体；

2)将确定流量的载气通过动态环境舱。载气流量可利用流量控制器进行控制和计量；

3)在静态环境舱中注入有机挥发物，并使有机挥发物浓度分布均匀。可在静态环境舱内设置搅拌风扇搅拌有机挥发物使其均匀分布。注入有机挥发物的量可以人为控制，使静态环境舱中的有机挥发物浓度处于室内环境水平(～mg/m³量级)。

4)利用有机挥发物测试仪器实时检测动态环境舱出气口的有机挥发物浓度C_out，当动态环境舱出气口的有机挥发物浓度达到平衡浓度后，将此时测出的有机挥发物浓度称为有机挥发物的平衡浓度C_out，e，再检测静态环境舱内的有机挥发物浓度C_h；

5)建立有机挥发物在所述阻隔层中传输的传质模型：

$\frac{\∂C}{\∂t}=D\frac{{\∂}^{2}C}{\∂x^2}---\left(7\right)$

初始和边界条件：

C＝0|_t＝0 0≤x≤L    (8)

C|_x＝0＝KC_h          (9)

C|_x＝L＝KC_l≈0       (10)

式(1)-(4)中，C为阻隔层中有机挥发物浓度，单位为kg/m³；D为扩散系数，单位为m²/s；t为时间，单位为s；x为阻隔层从静态环境舱指向动态环境舱的空间坐标，单位为m；L为阻隔层厚度，单位为m；K为分离系数；C_h为静态环境舱中的有机挥发物浓度，单位为kg/m³；C_l为动态环境舱中阻隔层边界侧的有机挥发物浓度，由于有载气稀释，计算中可近似按C_l≈0处理，单位为kg/m³；

6)根据式(1)-(4)得到所述阻隔层中的有机挥发物浓度C(x，t)：

$C(x,t)=\frac{K{C}_h}{L}x+2K{C}_h\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^n\sin \left(\frac{\mathrm{n\π}}{L}x\right)}{\mathrm{n\π}}{e}^{-{\left(\mathrm{n\π}\right)}^2\frac{\mathrm{Dt}}{L^2}}---\left(11\right)$

于是得到所述步骤4)中动态环境舱出气口的实时有机挥发物浓度C_out表示为

$C_{\mathrm{out}}=\frac{\mathrm{ADK}{C}_h}{\mathrm{QL}}[1+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n{e}^{-{\left(\mathrm{n\π}\right)}^2\frac{\mathrm{Dt}}{L^2}}]---\left(12\right)$

定义 $\frac{\mathrm{ADK}{C}_h}{\mathrm{QL}}=C_{\mathrm{out},e},$ 表示所述步骤4)中动态环境舱出气口有机挥发物的平衡浓度，则分离系数K可以表示为：

$K=\frac{\mathrm{QL}{C}_{\mathrm{out},e}}{\mathrm{AD}{C}_h}---\left(7\right)$

式(6)，(7)中，Q为载气的流量，单位为m³/s；A为阻隔层面积，单位为m²；

7)将所述步骤4)中实时得到的动态环境舱出气口的有机挥发物浓度用步骤6)中式(6)进行最小二乘法拟合，得到有机挥发物在阻隔层中的扩散系数D；然后，利用步骤6)中式(7)计算得到有机挥发物在阻隔层中的分离系数K，从而实现了对有机挥发物在阻隔层中传质特性参数的测定。

本发明的特点及效果：

本发明的用于测定建材表面阻隔层特性参数的实验方法，利用动态环境舱和静态环境舱形成有机挥发物通过阻隔层传输的传质环境，利用有机挥发物测试仪器测试有机挥发物浓度，实现了同时但非耦合地测定阻隔层中传质特性参数：扩散系数和分离系数，一次实验中可以测试多种有机挥发物，并且有机挥发物浓度可以控制在常见的室内有机挥发物浓度水平，避免了文献中各种方法的不足。此实验方法的操作简便，结果的可靠性高。

附图说明

图1为本发明的实验方法中有机挥发物通过阻隔层传输的传质示意图。

具体实施方式

本发明提出的用于测定建材表面阻隔层传质特性参数的实验方法结合附图和实施例详细说明如下：

本发明的实验方法中有机挥发物通过阻隔层传输的传质示意图，如图1所示，图中，该实验方法包括一个动态环境舱4，一个静态环境舱8和一台有机挥发物测试仪器6，动态环境舱相对方向的侧壁上开有进气口3和出气口5，底面为开口状，静态环境舱底部装有一个搅拌风扇10，同时顶面开有与动态环境舱开口同样大小的开口和采样孔7。有机挥发物测试仪器6通过连接管路对动态环境舱4出气口和静态环境舱8内有机挥发物浓度进行检测；所有连接管路可采用聚四氟乙烯管。

本发明的实验方法实施例包括以下步骤：

1)将待测试的阻隔层(阻隔层厚度在10^-1mm量级为宜，本实施例中测试的建材的阻隔层厚度为0.15mm，面积为0.0177m²)放在控温控湿的空间内用载气吹扫处理至少两天，以充分消除其中含有的有机挥发物。然后，将经过处理后的阻隔层9紧密地夹固在动态环境舱4和静态环境舱8的量开口之间，形成一个整体；

2)使载气1经过流量控制器2后进入动态环境舱。载气可以由压缩气瓶或者经过过滤装置的空气压缩机提供。流量控制器用于控制和计量载气的流量(流量控制在既满足有机挥发物测试仪器的采样量要求，又不使动态环境舱出气口浓度太低，一般以0.5～1L/min为宜，本实施例载气流量为0.5L/min)。在向静态环境舱注入有机挥发物之前，先用载气通过动态环境舱一段时间，以充分排出残留的气体。开启有机挥发物测试仪器，检测动态环境舱出气口的有机挥发物浓度，直到其在允许的范围为止(如10ppb以下)；

3)将待测试的有机挥发物用注入器从采样孔注入静态环境舱，同时开启搅拌风扇使有机挥发物浓度分布均匀。注入有机挥发物的量可以人为控制，使静态环境舱中的有机挥发物浓度处于室内环境水平(～mg/m³量级)；注入的有机挥发物可以为单种，也可以为多种(本实施例为甲醛气体)。由于静态环境舱体积(本实施例中静态环境舱体积为30L)相比阻隔层面积很大，通过直接检测静态环境舱内的有机挥发物浓度变化证明，静态环境舱内的有机挥发物浓度在实验过程中基本保持不变；

4)将有机挥发物测试仪器的连接管路连接到动态环境舱出气口处，实时检测动态环境舱出气口的有机挥发物浓度，直至有机挥发物浓度达到平衡状态。判断平衡状态的原则可以设定为前后5次采样数据的平均值的相对误差小于1％。当动态环境舱出气口的有机挥发物浓度达到平衡状态后测量的浓度为平衡浓度，改变连接管路，使之连接到静态环境舱采样孔内，再检测静态环境舱中的有机挥发物浓度；

5)建立有机挥发物在所述阻隔层中传输的传质模型：

$\frac{\∂C}{\∂t}=D\frac{{\∂}^{2}C}{\∂x^2}---\left(13\right)$

初始和边界条件：

C＝0|_t＝0 0≤x≤L          (14)

C|_x＝0＝KC_h                (15)

C|_x＝L＝KC_l≈0             (16)

式(1)-(4)中，C为阻隔层中有机挥发物浓度，单位为kg/m³；D为扩散系数，单位为m²/s；t为时间，单位为s；x为阻隔层从静态环境舱指向动态环境舱的空间坐标，单位为m；L为阻隔层厚度，单位为m；K为分离系数；C_h为静态环境舱中的有机挥发物浓度，单位为kg/m³；C_l为动态环境舱中阻隔层边界侧的有机挥发物浓度，由于载气稀释，计算中可近似按C_l≈0处理，单位为kg/m³；

6)根据式(1)-(4)得到所述阻隔层中的有机挥发物浓度C(x，t)：

$C(x,t)=\frac{K{C}_h}{L}x+2K{C}_h\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^n\sin \left(\frac{\mathrm{n\π}}{L}x\right)}{\mathrm{n\π}}{e}^{-{\left(\mathrm{n\π}\right)}^2\frac{\mathrm{Dt}}{L^2}}---\left(17\right)$

于是得到所述步骤4)中动态环境舱出气口的实时有机挥发物浓度C_out表示为

$C_{\mathrm{out}}=\frac{\mathrm{ADK}{C}_h}{\mathrm{QL}}[1+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n{e}^{-{\left(\mathrm{n\π}\right)}^2\frac{\mathrm{Dt}}{L^2}}]---\left(18\right)$

定义 $\frac{\mathrm{ADK}{C}_h}{\mathrm{QL}}=C_{\mathrm{out},e},$ 表示所述步骤4)中动态环境舱出气口有机挥发物的平衡浓度，则分离系数K可以表示为：

$K=\frac{\mathrm{QL}{C}_{\mathrm{out},e}}{\mathrm{AD}{C}_h}---\left(7\right)$

式(6)，(7)中，Q为载气的流量，单位为m³/s；A为阻隔层面积，单位为m²；

7)将所述步骤4)中实时得到的动态环境舱出气口的有机挥发物浓度用步骤6)中式(6)进行最小二乘法拟合，得到有机挥发物在阻隔层中的扩散系数D；然后，利用步骤6)中式(7)计算得到有机挥发物在阻隔层中的分离系数K，从而实现了对有机挥发物在阻隔层中传质特性参数的测定。

本发明的原理：阻隔层夹固在动态环境舱和静态环境舱之间，在静态环境舱内注入一定浓度的有机挥发物，由于浓度梯度的作用，有机挥发物由静态环境舱向动态环境舱传输，动态环境舱出气口的有机挥发物浓度的变化规律反映了阻隔层特性传质参数的大小；通过建立有机挥发物在阻隔层内传输的传质模型，得到动态环境舱出气口的有机挥发物浓度与阻隔层内扩散系数的关系，通过最小二乘法拟合得到扩散系数的最优值，进而计算得到阻隔层内的分离系数。

Claims (1)

1、一种用于测定建材表面阻隔层传质特性参数的实验方法，其特征在于，该实验方法包括一个动态环境舱，一个静态环境舱和一台有机挥发物测试仪器，该动态环境舱相对方向的侧壁上开有进气口和出气口，底面为开口状，该静态环境舱的顶面上开有与动态环境舱开口同样大小的开口和采样孔。并且包括以下步骤：

1)将待测阻隔层夹固在动态环境舱和静态环境舱的两开口之间，形成一个整体；

2)将确定流量的载气通过动态环境舱；

3)在静态环境舱中注入有机挥发物，并使有机挥发物浓度分布均匀；

4)利用有机挥发物测试仪器实时检测动态环境舱出气口的有机挥发物浓度C_out，当动态环境舱出气口的有机挥发物浓度达到平衡浓度后，将此时测出的有机挥发物浓度称为有机挥发物的平衡浓度C_out，e，再检测静态环境舱内的有机挥发物浓度C_h；

5)建立有机挥发物在所述阻隔层中传输的传质模型：

$\frac{\∂C}{\∂t}=D\frac{{\∂}^{2}C}{\∂x^2}---\left(1\right)$

初始和边界条件：

C＝0|_t＝0         0≤x≤L    (2)

C|_x＝0＝KC_h                  (3)

C|_x＝L＝KC_l≈0               (4)

式(1)-(4)中，C为阻隔层中有机挥发物浓度，单位为kg/m³；D为扩散系数，单位为m²/s；t为时间，单位为s；x为阻隔层从静态环境舱指向动态环境舱的空间坐标，单位为m；L为阻隔层厚度，单位为m；K为分离系数；C_h为静态环境舱中的有机挥发物浓度，单位为kg/m³；C_l为动态环境舱中阻隔层边界侧的有机挥发物浓度，由于有载气稀释，计算中可近似按C_l≈0处理，单位为kg/m³；

6)根据式(1)-(4)得到所述阻隔层中的有机挥发物浓度C(x，t)：

$C(x,t)=\frac{{\mathrm{KC}}_h}{L}x+2{\mathrm{KC}}_h\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^n\sin \left(\frac{\mathrm{n\π}}{L}x\right)}{\mathrm{n\π}}{e}^{-{\left(\mathrm{n\π}\right)}^2\frac{\mathrm{Dt}}{L^2}}---\left(5\right)$

根据式(5)得到所述步骤4)中动态环境舱出气口的实时有机挥发物浓度C_out：

$C_{\mathrm{out}}=\frac{{\mathrm{ADKC}}_h}{\mathrm{QL}}[1+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n{e}^{-{\left(\mathrm{n\π}\right)}^2\frac{\mathrm{Dt}}{L^2}}]---\left(6\right)$

定义 $\frac{\mathrm{ADK}{C}_h}{\mathrm{QL}}=C_{\mathrm{out},e},$ 表示所述步骤4)中动态环境舱出气口有机挥发物的平衡浓度，则分离系数K可以表示为：

$K=\frac{{\mathrm{QLC}}_{\mathrm{out},e}}{{\mathrm{ADC}}_h}---\left(7\right)$

式(6)，(7)中，Q为载气的流量，单位为m³/s；A为阻隔层面积，单位为m²；

7)将所述步骤4)中实时得到的动态环境舱出气口的有机挥发物浓度用步骤6)中式(6)进行最小二乘法拟合，得到有机挥发物在阻隔层中的扩散系数D；然后，利用步骤6)中式(7)计算得到有机挥发物在阻隔层中的分离系数K，从而实现了对有机挥发物在阻隔层中传质特性参数的测定。