CN108107149B - 一种测定建材voc散发特性参数的间歇通风法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测定建材VOC散发特性参数的间歇通风法，该方法利用环境舱来维持一个温度、相对湿度、换气次数和风速较为恒定的空间；所述的环境舱可通过启闭进气口和排气口来切换通风及密闭状态；将待测建材置于环境舱内，通过对建材样品执行密闭、通风两种散发模式，测定密闭及通风状态下的VOC浓度动态变化情况；记录各密闭状态下的VOC平衡浓度及通风状态下排出的VOC质量，建立VOC质量守恒方程，利用4‑6次密闭‑通风散发周期的实验数据代入VOC质量守恒方程进行线性拟合，通过拟合直线的斜率和截距即可获得描述建材VOC散发特性的分离系数与初始可散发浓度。

Description

一种测定建材VOC散发特性参数的间歇通风法
技术领域
本发明属于室内环境质量检测领域，特别涉及一种对刨花板、密度板等人造板材中测定建材VOC散发特性参数的间歇通风法。
背景技术
清洁的空气是人类赖以生存的基本条件。人类大部分时间都在住宅、办公室、教室等室内环境中度过，这些建筑中的室内空气品质与人体的健康状况密切相关。现代建筑对室内装修要求日益攀升，装饰装修材料的大量使用导致室内有害物散发量过高；另一方面，为了降低建筑能耗，增强气密性并减少新风量的措施会加剧污染物在室内空气中的浓度。挥发性有机化合物(VOC)作为主要的室内化学污染源，广泛存在于各类装饰装修建材内。相比近年来引发中国社会密切关注的室外大气污染，室内VOC污染危害时间更长且更难以察觉
建材VOC散发受控于三个特性参数，分别为：扩散系数(D)、分离系数(K)及初始可散发浓度(C0)，准确测定这三个参数是掌握建材VOC散发特性的基础，也是确定适宜的VOC控制策略的前提。传统的散发关键参数实验方法是利用各个参数的定义，通过构造相应的实验系统对各参数进行独立测量，例如湿杯法、低温研磨流化床脱附法、常温萃取法等，这些方法只能针对单一参数进行测定，效率不高。因此出现了可同时测定D与K的实验方法，例如双舱法、微量天平法等，但这些方法均忽略了建材外表面的对流传质阻力，导致低估扩散系数的值。C0和K对建材VOC散发的敏感程度最高，而D则相对较弱，且针对D的理论求解方法也较为丰富。近年来，更多的出现了可同时测定C0与K的实验方法，如多次散发回归法、多气固比法等，这些方法需要在测试正式开始前对测试材料的体积进行预先调整以适应实验对环境舱内平衡浓度的要求，因此测试时间较长且需消耗材料较多。浓度足迹法法通过求解建材VOC传质模型，获得环境舱内VOC浓度解析解的变换形式，经实验数据拟合求得散发特性参数，所需的测试时间较短。但是该方法涉及散发模型中的众多过程参数及复杂的求解过程，易产生计算误差；且拟合实验数据时，需查证实验数据取值范围的有效性，不同范围内实验数据得到的结果迥异。
综上所述，如何针对建材VOC的散发特性开发一种操作简单、结果可靠、耗时短的建材VOC散发特性参数高效测试方法，是本领域研究人员所共同关注的热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效、精确的测定建材VOC散发特性参数的间歇通风法。
为实现上述任务，本发明采用如下技术方案：
1)将待测建材置于温湿度恒定的清洁密闭环境舱内，经过一段时间的散发，使环境舱内VOC浓度达到平衡状态，记录下该平衡浓度的值；
2)以恒定的空气流量向环境舱内通入清洁空气，排气口则以相同速率排出环境舱内的气体，此时环境舱内的建材处于一个通风散发状态，记录下环境舱内VOC浓度的逐时变化情况；
3)经过一段时间后，停止通风换气，再次以密闭状态进行散发，则环境舱内的VOC浓度将达到一个新的平衡浓度，记录下该平衡浓度值，依次切换密闭、通风状态，多次循环后，得到多个密闭状态下的平衡浓度及通风换气时排出的VOC的质量；
4)根据建材散发VOC的质量守恒关系，建立如下的VOC质量守恒方程：
Figure BDA0001552605940000021
式中，C0为建材VOC的初始可散发浓度mg/m3；K为建材VOC的分离系数；Cequ,i为各平衡状态下环境舱内气相VOC的平衡浓度mg/m3；β定义为气固比，其计算公式为β＝V/Vm；V为环境舱内的空气体积m3；Vm为建材体积m3；Δmj为各通风状态下排出的VOC质量mg；
5)将实验测量得到的不同密闭状态下的VOC平衡浓度Cequ,i及不同通风状态下的VOC排出量Δmj代入式(5)进行线性拟合，则可通过方程的斜率及截距求得K及C0的实验测量值。
所述的环境舱内部空气容积为1m3，环境舱内空气温度控制范围为10～40℃，相对湿度控制范围30％-90％，温度精度范围±0.5℃，相对湿度精度范围±5％。
所述的环境舱内舱壁面材料为对甲醛呈惰性、无吸附性的不锈钢，舱门缝隙处以无吸附作用的密封条进行密封，环境舱的舱内顶部设置有保证舱体内空气流速为0.1至0.3m/s使空气中的VOC浓度分布均匀的循环风扇，。
所述的环境舱有密闭及通风两种运行模式，通风换气量为0-3m3/h。
所述的VOC浓度采用VOC检测仪进行实时监测记录，密闭状态下的采样频率为15min/次，通风状态下的采样频率为2min/次。
所述的待测建材的气固比范围为600-800。
所述的密闭散发与通风散发交替次数为4-6次。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)本发明通过搭建简单的实验系统即可测定建材VOC散发特性参数，实验方法中所需测量的中间参数较少，涉及的计算过程简单，需要消耗的建材样品量较小；
2)本发明在密闭散发周期内仅需记录其平衡浓度，因此对VOC浓度的过程变化量具有较高的误差宽容度；
3)本发明通过多组实验数据进行线性拟合得到散发特性参数，避免了单次实验的随机误差。
附图说明
图1为本发明的环境舱测试系统及实验仪器布置示意图；
图2为本发明的间歇通风法测试原理示意图；
图3为实施例中密度板在环境舱中散发时的甲醛浓度变化；
图4为实施例中甲醛浓度数据拟合得到散发特性参数；
图中标号分别表示：1-环境测试舱、101-温湿度控制面板、102-采样口、103-流量计、104-舱门、105-排气口、106-内舱、107-进气口、108-循环风扇、2-测试建材、3-无线温湿度记录器、4-风速传感器、401-风速记录仪、5-热电偶温度传感器、501-热电偶温度记录仪、6-VOC检测仪、601-气体过滤器、7-Tenax采样管、8-气相色谱-质谱联用仪、9-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，本发明中建材的散发测试在环境舱中进行，主要实验装置包括：
(1)环境测试舱1，内舱106空气容积1m3，舱内空气温湿度由控制面板101调节，控制温度范围10至40℃，相对湿度范围30％-90％，温度精度范围±0.5℃，相对湿度精度范围±5％。通过采样口102可对舱内气体进行采样分析。环境舱有密闭及通风两种运行模式可以选择。密闭状态下，进气口107与排气口105均处于关闭状态。通风状态下，通过流量计103控制进气流量，外界干净的空气通过进气口107进入环境舱，与舱内气体混合均匀后在正压作用下由舱门中心的排气口105排出。测试舱内舱106壁面材料为对VOC呈惰性、无吸附性的不锈钢，舱门104缝隙处以无吸附作用的密封条进行密封。舱内顶部设置有循环风扇108，保证舱体内空气流速为0.1至0.3m/s，使空气中的VOC浓度分布均匀。测试建材2置于环境舱的中间位置，气体流动的方向和测试建材2的表面平行。
(2)温湿度记录系统，包括舱内空气温、湿度的无线测量传感器3，记录环境舱内壁面温度的热电偶温度传感器5及其记录仪501。
(3)测量建材表面风速的风速传感器4及其连接的记录仪401。
(4)VOC气体成分及浓度分析系统，对单种VOC气体测定时，利用VOC气体检测仪6，检测仪采样进气口连接过滤器601，对干扰气体形成有效的过滤，保证测量目标VOC浓度的可靠性；对混合VOC气体进行测定时，利用Tenax采样管7在采样口102对舱内混合气体采样，随后通过气相色谱-质谱联用仪8进行定性和定量分析；最后所有采样数据均通过计算机9进行数据存储及处理分析。
环境舱散发实验所用建材在实验开始之前一个用铝箔胶带对四周进行封边，隔绝VOC从建材边缘散发，使建材内VOC的默认传质过程仅在一维厚度方向进行。最后装入黑色密封袋内避光保存，待实验开始时再取出，以保证建材内部初始浓度分布均匀。
参见图1及图2。实验开始后，首先进行密闭状态下的建材散发实验，关闭进气口107及排气口105。使用VOC检测仪6对环境舱内的VOC浓度进行实时监测，采样频率为15min/次，当一小时内甲醛平均浓度变化不超过1％时，则认为环境舱内的气相甲醛浓度已到达平衡状态，记录下该值。根据Henry定律，平衡状态下气相VOC的平衡浓度Cequ,i(mg/m3)与建材表面吸附相VOC浓度Cm(mg/m3)服从下述关系：
Cm＝KCequ,i (1)
第一次到达平衡状态时，环境舱内的VOC服从下述的质量平衡方程
C0Vm＝Cequ,1V+KCequ,1Vm (2)
式中，C0为初始可散发浓度；Cequ,1为第一个密闭平衡状态时的浓度；V为环境舱内的空气体积；Vm为建材体积。
随后，开启环境舱的通风模式，打开进气口107及排气口105，设定好换气流量，以恒定体积流量由进气口107向环境舱内通入洁净的空气，由于舱内的正压作用，排气口105会以同样的速率向外界环境排出舱内的气体。VOC气体检测仪6的采样频率设置2min/次，缩小两次采样的时间间隔以便更精确地计算排出环境舱的VOC质量，记录环境舱内的逐时浓度变化。在经历一段时间的通风换气后，环境舱排出的VOC质量为Δm1，再次密闭环境舱，直至其达到第二个浓度平衡状态，此时环境舱内的VOC质量服从下述等式：
C0Vm＝Cequ,2V+KCequ,2Vm+Δm1 (3)
式中，Cequ,2为第二个密闭状态时的平衡浓度。
重复上述步骤，可得到多组密闭-通风间歇运行后的质量平衡方程，其通用表达式为
Figure BDA0001552605940000061
定义气固比β＝V/Vm，其适宜范围在600-800之间，β过小会引起测试时间的增加，β过大会导致VOC浓度较低，易产生误差。将β＝V/Vm与式(1)代入方程(4)中进行化简，得到
Figure BDA0001552605940000062
由式(5)所示，若测量不同密闭状态下的VOC平衡浓度Cequ,i及不同通风状态下的VOC排出量Δmj，则可通过多组数据进行线性拟合，由方程的斜率及截距得到K及C0的实验测量值。需注意的是，密闭散发与通风散发交替次数为4-6次较为适宜，次数过少影响测定精度，次数过多测量时间太长。
本实施例对密度板的甲醛散发特性参数进行测定，选用密度板的规格为710mm×155mm×12mm(长×宽×厚)，密度为790kg/m3，气固比β＝762。设定的两次密闭散发周期之间的通风速率为2m3/h，每次通风的时间为1h。在实验过程中，环境舱的温度设定为28℃，相对湿度控制在45±5％。对密度板进行5次密闭散发及4次通风散发，即密闭散发与通风散发交替4次，其对应的Cequ,i及Δmj已在图3中显示。
根据实验得到的Cequ,i及Δmj的数值，带入式(5)中进行线性拟合，其结果如图4所示，线性回归得到的可决系数在0.99以上，拟合优度较高。密度板的K及C0可根据拟合直线的斜率和截距求得，分别为2189和26798mg/m3。本发明提出的测定建材VOC散发特性参数的间歇通风法测试原理简单，数据处理过程方便快捷，所得参数测量结果精度高，适合工程推广应用。

Claims (7)

1.一种测定建材VOC散发特性参数的间歇通风法，其特征在于包括以下步骤：
1)将待测建材置于温湿度恒定的清洁密闭环境舱内，经过一段时间的散发，使环境舱内VOC浓度达到平衡状态，记录下该平衡浓度的值；
2)以恒定的空气流量向环境舱内通入清洁空气，排气口则以相同速率排出环境舱内的气体，此时环境舱内的建材处于一个通风散发状态，记录下环境舱内VOC浓度的逐时变化情况；
3)经过一段时间后，停止通风换气，再次以密闭状态进行散发，则环境舱内的VOC浓度将达到一个新的平衡浓度，记录下该平衡浓度值，依次切换密闭、通风状态，多次循环后，得到多个密闭状态下的平衡浓度及通风换气时排出的VOC的质量；
4)根据建材散发VOC的质量守恒关系，建立如下的VOC质量守恒方程：
Figure FDA0002528222770000011
式中，C0为建材VOC的初始可散发浓度mg/m3；K为建材VOC的分离系数；Cequ,i为各平衡状态下环境舱内气相VOC的平衡浓度mg/m3；β定义为气固比，其计算公式为β＝V/Vm；V为环境舱内的空气体积m3；Vm为建材体积m3；Δmj为各通风状态下排出的VOC质量mg；
5)将实验测量得到的不同密闭状态下的VOC平衡浓度Cequ,i及不同通风状态下的VOC排出量Δmj代入式(5)进行线性拟合，则可通过方程的斜率及截距求得K及C0的实验测量值。
2.如权利要求1所述的测定建材VOC散发特性参数的间歇通风法，其特征在于：所述的环境舱内部空气容积为1m3，环境舱内空气温度控制范围为10～40℃，相对湿度控制范围30％-90％，温度精度范围±0.5℃，相对湿度精度范围±5％。
3.如权利要求1所述的测定建材VOC散发特性参数的间歇通风法，其特征在于：所述的环境舱内舱壁面材料为对甲醛呈惰性、无吸附性的不锈钢，舱门缝隙处以无吸附作用的密封条进行密封，环境舱的舱内顶部设置有保证舱体内空气流速为0.1至0.3m/s使空气中的VOC浓度分布均匀的循环风扇，。
4.如权利要求1所述的测定建材VOC散发特性参数的间歇通风法，其特征在于：所述的环境舱有密闭及通风两种运行模式，通风换气量为0-3m3/h。
5.如权利要求1所述的测定建材VOC散发特性参数的间歇通风法，其特征在于：所述的VOC浓度采用VOC检测仪进行实时监测记录，密闭状态下的采样频率为15min/次，通风状态下的采样频率为2min/次。
6.如权利要求1所述的测定建材VOC散发特性参数的间歇通风法，其特征在于：所述的待测建材的气固比范围为600-800。
7.如权利要求1所述的测定建材VOC散发特性参数的间歇通风法，其特征在于：所述的以密闭状态进行散发与通风散发交替次数为4-6次。
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