CN108918575A - 一种同时测定多温度下建材甲醛散发特性参数的阶跃温升密闭散发法 - Google Patents

Abstract

一种同时测定多温度下建材甲醛散发特性参数的阶跃温升密闭散发法。基于吸附势理论及亨利定律，建立了分离系数K和初始可散发浓度C₀之间的函数关系式，并推导得到了密闭环境中甲醛平衡浓度C_equ关于K的解析式。利用密闭环境舱维持一个温湿度恒定的空间，对建材样品进行甲醛散发测试，测量初始温度下的甲醛逐时浓度和平衡浓度。随后升高温度，测量其对应的新平衡浓度。依次重复上述操作，将得到多个温度下的甲醛平衡浓度值。对初始温度下的甲醛逐时浓度进行非线性拟合，可确定该温度下的K。当获知建材在其他温度下的C_equ，即可通过平衡浓度的比值快速求得其对应温度下的K，进而计算得到其对应的C₀。极大地提高了甲醛散发特性参数的测量效率。

Description

一种同时测定多温度下建材甲醛散发特性参数的阶跃温升密 闭散发法

技术领域

本发明属于室内环境质量检测领域，特别涉及一种同时测定多温度下建材甲醛散发特性参数的阶跃温升密闭散发法。

背景技术

现代建筑对室内装修要求日益攀升，装饰装修材料和人造板家具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，建筑物增强密闭性并减少新风量的措施会促使污染物在室内空气中积聚，导致其浓度严重超标。室内装修大量使用密度板、刨花板等人造板材，而这些板材的生产过程中大量使用脲醛树脂及酚醛树脂，以维持其结构及加工性能。甲醛，作为脲醛树脂及酚醛树脂中的主要成分，是室内空气污染的罪魁祸首，已被国际癌症研究署(IARC)确定为Ⅰ类致癌物。长期生活和工作在这些化学污染物环境中会增加患呼吸系统和心血管疾病的风险，此外，还会引发“病态建筑综合症”、“建筑物关联疾病”及“多种化合物过敏症”等一系列医学症状。

建材甲醛的散发过程可由三个关键参数进行描述，分别为扩散系数(D)、分离系数(K)、初始可散发浓度(C₀)。扩散系数已经形成了较为准确的理论预测模型，可根据材料的结构参数、VOC属性及环境参数来计算扩散系数的值。但是关于分离系数及初始可散发浓度的理论模型仍较少，且现有模型中存在较多的未知参数需要通过环境舱实验进行拟合方可获知。因此，设计快速准确测定K与C₀的实验方法是掌握建材VOC散发特性的关键。研究者们提出了大量巧妙的实验方法来对这两个参数进行测定，如多气固比法、多次散发回归法、密闭直流间歇散发法等，但是这些方法需要进行多个散发周期的测定方可确定散发特性参数的值，实验时间较长。C-history法可通过测量一个散发周期的VOC浓度即可同时得到三个散发特性参数的值，但是该方法涉及的中间参数较多，计算过程较为复杂；且在拟合实验数据时，需查证实验数据取值范围的有效性，不同时间范围内实验数据得到的结果迥异。

建材甲醛散发易受温度波动的影响，准确预测甲醛在室内空气中的浓度需掌握其在不同环境温度下的散发特性参数。根据现有的大量实验研究发现，随着室内环境温度的升高，建材甲醛散发的K随之减小，而C₀则随之递增，这两个参数均是随时间呈单方向的变化趋势。综上所述，如何针对建材甲醛在不同温度下的散发特性，设计一种操作简单、结果可靠、耗时短的建材甲醛散发特性参数测定方法，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同时测定多温度下建材甲醛散发特性参数的阶跃温升密闭散发法。

为实现上述目的，本发明中待测建材需置于密闭环境测试舱中，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)基于吸附势理论及亨利定律，建立K和C₀之间的函数关系式；

将环境舱内气体视为理想气体，则建材的吸附势ε为：

式中，R为通用气体常数，8.314J/(mol·K)；T为环境舱内的空气温度，K；p₀为实验温度下的饱和蒸汽压，Pa；p为气体的平衡压力，Pa；

分离系数描述了建材和气相接触界面在平衡状态时，界面处吸附质固相浓度与气相浓度之比，建材表面的吸附相浓度和气相的吸附质浓度间存在着一个等温吸附关系，建材及空气中的甲醛浓度均远低于饱和浓度，用亨利定律描述，结合理想气体状态方程，分离系数可表述为：

将式(2)带入式(1)中，可得：

ε＝RT ln K (3)

对于单个气体分子，其受到的吸附势能强度为

式中，N_A为阿佛加德罗常数；k_B为玻尔兹曼常数，J/K；

吸附质分子发生解吸的条件为，气体分子的动能大于其与建材间的吸附势能，这部分可解吸的气体分子与总含量之比即为可散发比例，其表达式为：

将式(4)带入式(5)考虑到气体分子被限制于材料表面时，气体动能会偏离原有的理想气体动能分布，故上式中以常数λ替换以减小由此产生的误差，化简得C₀的表达式为：

2)将待测建材置于温湿度恒定的密闭环境舱内，对建材进行初始温度下的甲醛浓度散发实验，待环境舱内空气中的甲醛浓度达到平衡状态时，其平衡浓度C_equ与分离系数K之间的关系为：

式中，β为气固比，定义为密闭环境舱内空气体积与建材体积的比值；

3)保持环境舱处于密闭状态，在初始温度的基础迅速升温至下一工况后保持不变，则空气中的甲醛浓度在首个平衡浓度的基础上继续升高，直至达到新的平衡状态；依次重复上述操作，将得到多个温度下的甲醛平衡浓度值，其平衡浓度满足：

4)对初始温度下的甲醛浓度曲线进行非线性拟合，得到其对应的分离系数值记为K₁，初始温度下的平衡浓度记为C_equ,1，如式(10)所示，根据不同温度下C_equ,2与初始温度下C_equ,1的比值即可确定各温度对应的K₂，进而根据式(6)计算得到对应温度下的C₀，从而实现对不同环境温度下K和C₀的快速测量，

所述的环境舱内部空气容积为1m³，舱内壁面夹层中安装有水盘管，通过控制水温来调节环境舱内空气温度，温度控制范围为18-33℃，精度范围±0.5℃。

所述的两个相邻温度工况之间的温差为5℃。

所述的甲醛浓度采用甲醛检测仪进行实时监测记录，采样频率为6min/次。

所述的平衡浓度为一小时内环境舱空气中的甲醛平均浓度变化不超过1％。

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，利用单次实验即可同时测定建材在多个温度下的K与C₀，极大地提高了散发特性参数的测量效率，节约时间及耗材成本；

2)本发明中仅需测量不同环境温度下的平衡浓度，无需对浓度变化过程进行测量，可有效规避浓度波动带来的误差；

3)通过掌握多个温度下的K与C₀判断建材在不同环境下的散发特性，可提出更具针对性的室内空气质量控制策略。

附图说明

图1为本发明的密闭环境舱测试系统及实验仪器布置示意图；

图2为本发明的阶跃温升密闭散发法测试原理示意图；

图3为实施例中密度板散发甲醛浓度实验数据和理论预测值的比较和分析。

图中标号分别表示：1-空气源热泵、2-水箱、3-制冷剂盘管、4-水泵、5-水盘管、6-环境舱、7-循环风扇、8-测试建材、9-热电偶温度传感器、10-无线温湿度记录器、11-甲醛检测仪、12-热电偶温度记录仪、13-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，本发明中建材的密闭散发测试在环境舱中进行，主要实验装置包括：

(1)舱内空气温度控制系统，包括空气源热泵1，其制冷剂盘管3通入水箱2中与水进行换热，随后由水泵4将水箱2中加热后的水输送至环境舱6壁面夹层中的水盘管5，从而调节环境舱6中的空气温度。控制温度范围18至33℃，温度精度范围±0.5℃。

(2)环境测试舱6，舱内空气容积1m³，舱内壁面材料为对甲醛呈惰性、无吸附性的不锈钢。舱内顶部设置有循环风扇7，保证舱体内空气流速为0.1至0.3m/s，使空气中的甲醛浓度分布均匀。

(3)温湿度记录系统，包括设置在环境舱内的记录环境舱内壁面温度的热电偶温度传感器9及其记录器12；以及舱内空气温、湿度的无线温湿度记录器10。

(4)设置在环境舱内的甲醛检测仪11对环境舱内气体中的甲醛浓度进行实时监测和记录，最后将所有的采样数据通过计算机13进行存储及处理分析。

实验对象选用室内装修常见的一种密度板(长×宽×厚：710×705×12mm)。建材在实验开始之前用铝箔胶带对四周进行封边，隔绝甲醛从建材边缘散发。测试建材8置于环境舱的中间位置，气体流动的方向和测试建材的表面平行。

阶跃温升密闭散发法测试原理示意图如图2所示。实验开始后，保持环境舱处于密闭状态，调节环境舱内温度为18℃，使用VOC检测仪对环境舱内的VOC浓度进行实时监测，采样频率为6min/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该温度下的平衡状态。随后依次升高环境舱温度至23℃、28℃及33℃，重复上述操作，记录下不同温度对应的平衡浓度。

将环境舱内气体视为理想气体，则单个气体分子受到的吸附势能强度为

式中，N_A为阿佛加德罗常数；k_B为玻尔兹曼常数，J/K。

甲醛分子在密度板表面发生解吸的条件为，气体分子的动能大于其与建材间的吸附势能，这部分可解吸的气体分子与总含量之比即为可散发比例，其表达式为：

将式(4)带入式(5),化简可得C₀的表达式为：

式中λ为修正气体非理想性的常数。

在密闭环境舱中，建材的甲醛散发达到平衡状态时，环境舱内的甲醛平衡浓度满足如下方程：

式中，C_equ为密闭环境舱内的甲醛平衡浓度，mg/m³；β为气固比，定义为密闭环境舱内空气体积与建材体积的比值。

结合式(6)与式(7)，可得到如下公式：

由式(8)可见，λ和β为不受温度影响的常数，因此密闭环境舱内的甲醛平衡浓度由分离系数决定。如式(10)所示，若能确定18℃对应的K₁和C_equ,1，则根据其余温度下C_equ,2与18℃时C_equ,1的比值即可确定K₂，进而根据式(6)计算得到C₀。

如图3所示，对18℃的甲醛浓度实验数据进行非线性拟合，得到其对应的D为2.48×10^-10m²/s，K为1660，C₀为8833mg/m³。各时间点的实验数据与理论计算值的相对偏差在均在5％以内，拟合结果较为准确。

在获得18℃下建材的甲醛散发特性参数后，提高环境舱空气温度依次测量23℃、28℃、33℃下的平衡浓度，代入式(6)即可计算得到对应温度下的K，进而根据式(6)计算得到C₀，其具体结果如表1所示。

表1不同温度下测试材料的特征参数

根据不同温度下C₀和K的数据，利用式(6)可拟合得到λ的数值，其C₀和K的关系式为：

式(6)可决系数为0.995，拟合优度较高，验证了C₀和K关系式的准确性。当求得K或者C₀中的一个参数，即可根据上式计算得到另外一个参数，为散发特性参数实验测定方法的选择提供了更多的途径。

Claims (5)

1.一种同时测定多温度下建材甲醛散发特性参数的阶跃温升密闭散发法，其特征在于包括以下步骤：

1)基于吸附势理论及亨利定律，建立K和C₀之间的函数关系式；

将环境舱内气体视为理想气体，则建材的吸附势ε为：

式中，R为通用气体常数，8.314J/(mol·K)；T为环境舱内的空气温度，K；p₀为实验温度下的饱和蒸汽压，Pa；p为气体的平衡压力，Pa；

分离系数描述了建材和气相接触界面在平衡状态时，界面处吸附质固相浓度与气相浓度之比，建材表面的吸附相浓度和气相的吸附质浓度间存在着一个等温吸附关系，建材及空气中的甲醛浓度均远低于饱和浓度，用亨利定律描述，结合理想气体状态方程，分离系数可表述为：

将式(2)带入式(1)中，可得：

ε＝RT ln K (3)

对于单个气体分子，其受到的吸附势能强度为

式中，N_A为阿佛加德罗常数；k_B为玻尔兹曼常数，J/K；

吸附质分子发生解吸的条件为，气体分子的动能大于其与建材间的吸附势能，这部分可解吸的气体分子与总含量之比即为可散发比例，其表达式为：

将式(4)带入式(5)考虑到气体分子被限制于材料表面时，气体动能会偏离原有的理想气体动能分布，故上式中以常数λ替换以减小由此产生的误差，化简得C₀的表达式为：

2)将待测建材置于温湿度恒定的密闭环境舱内，对建材进行初始温度下的甲醛浓度散发实验，待环境舱内空气中的甲醛浓度达到平衡状态时，其平衡浓度C_equ与分离系数K之间的关系为：

式中，β为气固比，定义为密闭环境舱内空气体积与建材体积的比值；

3)保持环境舱处于密闭状态，在初始温度的基础迅速升温至下一工况后保持不变，则空气中的甲醛浓度在首个平衡浓度的基础上继续升高，直至达到新的平衡状态；依次重复上述操作，将得到多个温度下的甲醛平衡浓度值，其平衡浓度满足：

4)对初始温度下的甲醛浓度曲线进行非线性拟合，得到其对应的分离系数值记为K₁，初始温度下的平衡浓度记为C_equ,1，如式(10)所示，根据不同温度下C_equ,2与初始温度下C_equ,1的比值即可确定各温度对应的K₂，进而根据式(6)计算得到对应温度下的C₀，

2.如权利要求1所述的同时测定多温度下建材甲醛散发特性参数的阶跃温升密闭散发法，其特征在于：所述的环境舱内部空气容积为1m³，舱内壁面夹层中安装有水盘管，通过控制水温来调节环境舱内空气温度，温度控制范围为18-33℃，精度范围±0.5℃。

3.如权利要求1所述的同时测定多温度下建材甲醛散发特性参数的阶跃温升密闭散发法，其特征在于：所述的两个相邻温度工况之间的温差为5℃。

4.如权利要求1所述的同时测定多温度下建材甲醛散发特性参数的阶跃温升密闭散发法，其特征在于：所述的甲醛浓度采用甲醛检测仪进行实时监测记录，采样频率为6min/次。

5.如权利要求1所述的同时测定多温度下建材甲醛散发特性参数的阶跃温升密闭散发法，其特征在于：所述的平衡浓度为一小时内环境舱空气中的甲醛平均浓度变化不超过1％。