CN101650338B - 建材表面阻隔层传质特性参数测定用实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及建材表面阻隔层传质特性参数测定用实验系统，属于室内环境检验领域，该实验系统包括压缩气瓶，流量控制器，气体散发腔，静态环境舱，质子传递反应质谱仪和旁通；气体散发腔与静态环境舱上下放置；气体散发腔的顶壁周边开有两个相对的进气口，顶壁中间开有出气口，底部为开口状；静态环境舱底部安装有搅拌风扇，顶部开有与散发腔开口同样大小的开口及采样孔；流量控制器通过连接管路连接在压缩气瓶和气体散发腔的进气口之间；质子传递反应质谱仪和排出多余气体的旁通分别通过连接管路与气体散发腔的出气口相连；静态环境舱的采样孔通过连接管路也与质子传递反应质谱仪相连。本发明的实验系统测试精度和灵敏度高，反应时间短，操作简便。
Description
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的实验系统。
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)。VOC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VOC散发受到越来越多的关注。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方法。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VOC散发状况难以利用传质模型进行预测，同时难以选择合适的阻隔层来设计低散发建材。文献中常用的双舱法是将待测阻隔层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该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。同时，双舱法使用的环境舱体积一般较大(30L-1m3)，测试灵敏度比较低。另外，传统的VOC测试仪器(如气相色谱仪GC)采样量较大，测试时间间隔较长，不能满足快速检测VOC浓度变化的要求。因此，有必要发展一种快速灵敏的实验系统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实验系统的不足，提供一种新型的用于测定建材表面阻隔层的传质特性参数的实验系统，利用该实验系统测定阻隔层具有测试精度和灵敏度高，反应时间短，操作简便等特点。
为实现上述目的，本发明提出的一种用于测定建材表面阻隔层传质特性参数的实验系统，该实验系统包括提供载气的压缩气瓶，控制和计量空气流量的流量控制器，通过载气的气体散发腔，静态环境舱，检测VOC浓度的质子传递反应质谱仪和排出多余气体的旁通；其中，气体散发腔与静态环境舱上下放置；气体散发腔的顶壁周边开有两个相对的进气口，顶壁中间开有出气口，底部为开口状；静态环境舱底部安装有搅拌风扇，顶部开有与散发腔开口同样大小的开口及采样孔；所述流量控制器通过连接管路连接在压缩气瓶和气体散发腔的进气口之间；质子传递反应质谱仪和排出多余气体的旁通分别通过连接管路与气体散发腔的出气口相连；静态环境舱的采样孔通过连接管路也与质子传递反应质谱仪相连。
本发明的特点及效果：
本发明的实验系统，采用气体散发腔作为动态环境舱，由于其散发面积与腔体体积之比很大，故其出气口的VOC浓度具有很高的灵敏度；同时，利用质子传递反应质谱仪检测VOC浓度，可以实现在线实时检测，并且其检测下限低，反应时间短。这些特点都有助于快速灵敏地对阻隔层的传质特性参数进行测定。
附图说明
图1为本发明的实验系统的总体示意图。
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系统结合附图及实施例详细说明如下：
本发明的实验系统总体示意图，如图1所示，该实验系统包括提供载气的压缩气瓶1，控制和计量载气流量的流量控制器2，通过载气的气体散发腔5，静态环境舱13，检测VOC浓度的质子传递反应质谱仪8和排出多余气体的旁通9。其中，气体散发腔5与静态环境舱13上下放置；气体散发腔5的顶壁周边开有两个相对的进气口3，顶壁中间开有出气口4，底部为开口状；静态环境舱底部安装有搅拌风扇11，顶部开有与散发腔开口同样大小的开口及采样孔12；所述流量控制器2通过连接管路连接在压缩气瓶1和气体散发腔3的进气口之间；质子传递反应质谱仪8和排出多余气体的旁通9分别通过连接管路与气体散发腔的出气口相连；静态环境舱的采样孔12通过连接管路也与质子传递反应质谱仪8相连。
本发明的各部件的实施例详细说明如下：
本实施例的气体散发腔5与静态环境舱13通过两块不锈钢压板6与8根螺栓7连接。压板厚度为5mm，螺栓公称直径为12mm。每块压板连接四根螺栓。
该气体散发腔5为底部开口的微型圆形不锈钢腔体，其进气口在腔体顶壁周边，出气口在腔体顶壁中间，该气体散发腔内径150mm，外径200mm，高度18mm，腔体体积为35ml，扩散面积为0.0177m2，负载率(即散发面积与腔体体积的比)高达506m2/m3，保证其出气口的VOC浓度具有很高的灵敏度。
该静态环境舱13呈圆柱形，内径300mm，高度430mm，体积30L，由不锈钢材料制造，同时抛光处理，尽量降低其壁面对VOC的吸附效应。
本实施例的质子传递反应质谱仪8(英文名称：PTRMS，型号：Ionicon Analytik，生产地：奥地利)可以同时测试分子质量数在21～512的VOC，检测下限低(约为30ppt)，反应时间短(约为100ms)，能够在线实时检测VOC浓度。
本实施例的压缩气瓶1为通用压缩气瓶。
本实施例的流量控制器2型号为D08-3C/ZM，能够控制和计量流量，并显示流量数据。
本实施例的旁通9为连接至室外的旁通管。
本实施例的系统中所有连接管路为聚四氟乙烯管。
采用本发明的系统的测定方法包括以下步骤：
1)将阻隔层10放在气体散发腔和静态环境舱的相对开口之间，用不锈钢压板与螺栓将气体散发腔与静态环境舱紧密连接，本实施例阻隔层厚度为0.15mm，实验之前，阻隔层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；
2)开启压缩气瓶，载气经过流量控制器后进入气体散发腔。调整流量控制器控制空气流量到指定数值(一般为0.5～1L/min，本实施例中在向静态环境舱注入VOC(例如甲醛)之前，先用载气冲刷气体散发腔一段时间，以充分排出其中的残留气体)。同时，开启质子传递反应质谱仪，检测气体散发腔出气口的VOC浓度，直到其在允许的范围为止(如10ppb以下)，多余气体经过旁通排到室外；
3)将待测试的VOC用注入器从采样孔注入静态环境舱，同时开启其中的搅拌风扇使VOC浓度分布均匀。注入VOC的量控制在使静态环境舱中的VOC浓度处于室内环境水平(～mg/m3量级)；
4)质子传递反应质谱仪实时检测气体散发腔出气口的VOC浓度，直至浓度达到平衡状态。判断平衡状态的原则可以设定为前后5次采样数据平均值的相对误差小于1％。当气体散发腔出气口的VOC浓度达到平衡浓度后，改变连接管路，使之连接到静态环境舱的顶部采样孔，再检测静态环境舱中的VOC浓度；
5)所述步骤4)中气体散发腔出气口的实时VOC浓度Cout能够表示为
定义 表示所述步骤4)中气体散发腔出气口VOC的平衡浓度，则有
式中，D为扩散系数，单位为m2/s；K为分离系数；t为时间，单位为s；L为阻隔层厚度，单位为m；Q为载气的流量，单位为m3/s；A为阻隔层面积，单位为m2；Ch为静态环境舱中的VOC浓度，单位为kg/m3。
6)将所述步骤4)中实时得到的气体散发腔出气口的VOC浓度用步骤5)中式(1)进行最小二乘法拟合，得到VOC在阻隔层中的扩散系数D；然后，利用步骤5)中式(2)计算得到VOC在阻隔层中的分离系数K，从而实现了对VOC在阻隔层中传质特性参数的测定。
Claims (4)
1.一种用于测定建材表面阻隔层传质特性参数的实验系统，其特征在于，该实验系统包括提供载气的压缩气瓶，控制和计量载气流量的流量控制器，通过载气的气体散发腔，静态环境舱，检测有机挥发物浓度的质子传递反应质谱仪和排出多余气体的旁通；其中，气体散发腔与静态环境舱上下放置；气体散发腔的顶壁周边开有两个相对的进气口，顶壁中间开有出气口，底部为开口状；静态环境舱底部安装有搅拌风扇，顶部开有与散发腔开口同样大小的开口及采样孔；所述流量控制器通过连接管路连接在压缩气瓶和气体散发腔的进气口之间；质子传递反应质谱仪和排出多余气体的旁通分别通过连接管路与气体散发腔的出气口相连；静态环境舱的采样孔通过连接管路也与质子传递反应质谱仪相连；
还包括放在气体散发腔和静态环境舱的相对开口之间的阻隔层，用不锈钢板与螺栓将气体散发腔和静态环境舱紧密连接。
2.如权利要求1所述的实验系统，其特征在于，还包括置于所述气体散发腔顶壁的两块不锈钢压板，穿过该两块不锈钢压板将所述气体散发腔与静态环境舱连接成一体的多根螺栓。
3.如权利要求1所述的实验系统，其特征在于，所述气体散发腔采用微型圆形不锈钢腔体，腔体体积为35ml，扩散面积为0.0177m2。
4.如权利要求1所述的实验系统，其特征在于，所述静态环境舱为不锈钢材料制造的圆柱形环境舱。
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