CN110631853B - 一种测定家具中挥发性有机物释放特性参数的直流舱方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于室内环境检验技术领域，特别涉及能实现木家具及软体家具中挥发性有机物VOC释放特性参数测定的直流舱方法。该方法包括：建立家具VOC释放过程的物理模型；将待测家具置于恒定温湿度的直流舱中，将纯净空气以恒定通风量通入环境舱内使家具释放VOC，测量不同时间的环境舱内VOC浓度值；然后根据物理模型计算得到家具VOC释放过程的初始浓度、扩散系数和分配系数三大释放特性参数值。本发明的直流舱方法实验系统简单、测试周期短、精度高，且能同时测定三个参数，可用于实验室检测和工程应用。

Description

一种测定家具中挥发性有机物释放特性参数的直流舱方法
所属技术领域
本发明属于室内环境检验技术领域，特别涉及能实现木家具、软体家具中挥发性有机物释放特性参数测定的直流舱方法。
背景技术
室内环境中由挥发性有机物(VOC)导致的空气质量问题已引起高度关注。家具(包括木家具和软体家具)是室内VOC污染的重要来源，这些污染物由于存在着较大的挥发性，极易通过人体皮肤或通过口入被人体所摄入，同时部分污染物会和空气中的臭氧、氮氧化物等进一步反应，生成对人体危害较大的物质。常见的VOC如甲醛、苯系物等会影响人体呼吸系统、神经系统和血液系统，引发病态建筑综合征甚至致癌。家具中VOC的释放过程可由初始浓度C0、扩散系数Dm和分配系数K这三个释放特性参数表征，准确测定C0、Dm和K是研究家具释放规律的基础。目前释放特性参数的典型测定方法如微天平法、双室法、浓度轨迹法(C-history)等主要应用于建材，无法适用于家具。家具的释放特性与建材存在较大差异，室内使用的木家具和软体家具一般为多层结构，其释放表面积大、释放周期长。传统的针对建材的测定方法如浓度轨迹法在密闭舱(换气次数为零)中进行测试，通过把建材置于密闭舱中自由释放直至达到平衡，通过测定逐时浓度和平衡浓度来获得建材的释放特性参数。由于在密闭舱中采样会破坏舱中VOC气体的质量守恒，将导致参数测试误差。考虑到在实际室内环境中家具均处于通风的状态，因而在直流舱(换气次数大于零)中测试家具的释放特性参数，更符合家具在实际环境中的释放规律，且可以在直流舱出口处用常规的采样分析设备进行测试，为实验过程带来了很大的便利。目前尚无可同时测定家具VOC初始浓度、扩散系数和分配系数三个释放特性参数的直流舱方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有的实验系统和方法在测定木家具和软体家具释放特性参数上的局限性，提出一种快速、准确和同时测定家具挥发性有机物(VOC)三个释放特性参数的直流舱方法，本发明的参数测定方法实验系统简单、测试周期短、精度高，便于实验室检测和工程应用。
为实现上述目的，本发明基于直流舱中木家具和软体家具中VOC的释放过程及特性，提出了同时测定初始浓度C0、扩散系数Dm和分配系数K三个释放特性参数的直流舱方法，包括如下步骤：
1)建立直流舱(即换气次数大于零的环境舱)中家具VOC释放过程的物理模型，当家具释放一定时间后，直流舱内VOC浓度可描述为：
Figure GDA0002574446790000021
Figure GDA0002574446790000022
Figure GDA0002574446790000023
Figure GDA0002574446790000024
Figure GDA0002574446790000025
该模型中：Ca为直流舱内VOC浓度，μg/m3；A1、B1、A2、B2为方程(1)的系数；t为散发时间，s；Etest为误差绝对值；C0为家具中VOC的初始浓度，μg/m3；Dm家具中VOC的扩散系数，m2/s；K为家具内VOC的分配系数；δ为家具的厚度，m；β＝Aδ/V，表示家具体积与直流舱体积之比；V为直流舱体积，m3；A为家具散发表面积，m2；q1为(0,π/2)的某个值；q2为方程qn tanqn＝(a-qn 2)/[Kβ+(a-qn 2)K/Bim]的第2个正根；Bim＝hmδ/Dm，为传质毕渥数；α＝Nδ2/DmV，为关于Dm和K的函数；hm为对流传质系数，m2/s；
Figure GDA0002574446790000026
n取1代表G1，n取2代表G2；N表示直流舱的换气次数,1/h；
2)在体积为1～10m3的直流舱内进行测试，实验时直流舱的温度控制精度为±0.5℃、湿度控制精度为±5％；
3)将直流舱的温度、湿度设为所需值，将不含VOC的纯净空气以恒定通风量通入直流舱内，然后将家具置于直流舱内进行测试；
4)在家具释放过程中，用二硝基苯腙(DNPH)吸附管或特纳斯(Tenax-TA)吸附管连接高精度采样泵在环境舱出口处采集VOC气体，然后用高效液相色谱仪(HPLC)或气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)进行定量分析，获得不同时间的直流舱内VOC实时浓度；
5)将方程(1)中的系数A2和B2设为0，对测得的不同时间直流舱内VOC浓度取对数，绘制对数浓度和释放时间的散点图，选取呈线性关系的数据点代入方程(1)中拟合求得系数A1和B1；
6)将测试的全部VOC浓度数据代入方程(1)，拟合求得A2和B2；
7)将q1在(0,π/2)划分为200等份，将等分后的q1代入方程(2)～(5)，分别求得不同的Etest；
8)选取使得Etest最小的q1，然后将此q1代入方程(3)～(5)，通过求解3个方程即可获得家具中VOC的三大释放特性参数C0、Dm和K的值。
本发明的特点及效果：
本发明的测定方法，通过研究直流舱中木家具和软体家具VOC的释放特性，运用数学方法对直流舱内测量的VOC浓度数据进行拟合处理，从而求得室内家具释放过程的三大释放特性参数，克服了现有方法只适用于密闭舱、无法同时测定所有参数等缺陷。该方法实验周期短(不超过一周)、测试精度高且采样简便，可用于实验室检测和工程应用。
附图说明
图1为直流舱中家具VOC释放过程的测试系统图
图2为本发明的直流舱内家具释放二甲苯的浓度对数和释放时间的散点图
图3为二甲苯浓度的拟合结果
具体实施方式
本发明提出的可快速、准确、同时实现家具中挥发性有机物(VOC)三大释放特性参数的直流舱测定方法结合附图及实例详细说明如下：
本发明的直流舱中家具VOC释放过程的测试系统如图1所示，家具VOC释放测试系统分为三部分：环境舱系统、供气系统和温湿度控制系统。环境舱4内部由抛光不锈钢材料制成，在环境舱顶设有一轴流风扇7，环境舱温湿度由温湿度控制系统6控制。空气压缩机1把外界空气压缩后，经高效过滤器2过滤，再由流量控制系统3送入环境舱内，将家具8置于环境舱4中，在释放过程中，在环境舱出口处用二硝基苯腙(DNPH)吸附管或特纳斯(Tenax-TA)吸附管5采样环境舱出口处的VOC气体，然后由高效液相色谱仪(HPLC)或气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)9进行定量分析。
本实施例的释放特性参数测定方法包括以下步骤：
1)建立直流舱(即换气次数大于零的环境舱)中家具VOC释放过程的物理模型，当家具释放一定时间后，直流舱内VOC浓度可描述为：
Figure GDA0002574446790000031
Figure GDA0002574446790000041
Figure GDA0002574446790000042
Figure GDA0002574446790000043
Figure GDA0002574446790000044
该模型中：Ca为直流舱内VOC浓度，μg/m3；A1、B1、A2、B2为方程(1)的系数；t为散发时间，s；Etest为误差绝对值；C0为家具中VOC的初始浓度，μg/m3；Dm家具中VOC的扩散系数，m2/s；K为家具内VOC的分配系数；δ为家具的厚度，m；β＝Aδ/V，表示家具体积与直流舱体积之比；V为直流舱体积，m3；A为家具散发表面积，m2；q1为(0,π/2)的某个值；q2为方程
Figure GDA0002574446790000045
的第2个正根；Bim＝hmδ/Dm，为传质毕渥数；α＝Nδ2/DmV，为关于Dm和K的函数；hm为对流传质系数，m2/s；
Figure GDA0002574446790000046
n取1代表G1，n取2代表G2；N表示直流舱的换气次数,1/h；
2)在体积为1m3的直流舱内进行测试，实验时直流舱的温湿度均由空调系统进行控制，温度精度为±0.5℃、湿度控制精度为±5％；
3)将直流舱的温度、湿度分别设为(23±0.5)℃和(45±5)％，将处理后不含VOC的纯净空气以恒定通风量(0.87m3/h)通入直流舱内，然后将家具置于直流舱内进行测试，所选取家具为家庭中常见的床头柜(板式木家具)，散发总表面积为3.98m2，厚度为0.021m，承载率为3.98m-1；
4)在床头柜家具释放过程中，测量不同时间下的直流舱内目标VOC浓度，本实施例所选取的目标VOC为二甲苯，实验中采样多个数据点，用Tenax-TA吸附管在直流舱出气口处采样，然后用GC-MS分析；实验测得第2、4、8、12、24、28、32、48、52、56、72小时环境舱内二甲苯浓度分别为1143.61μg/m3、1008.70μg/m3、831.90μg/m3、645.04μg/m3、424.96μg/m3、357.45μg/m3、375.47μg/m3、219.33μg/m3、206.68μg/m3、195.76μg/m3、143.49μg/m3；
5)将方程(1)中的系数A2和B2设为0，对测得的不同时间直流舱内二甲苯浓度取对数，绘制对数浓度和释放时间的散点图，绘制结果如图2所示，选取24小时以后的数据点(呈线性关系)代入方程(1)中进行拟合求得A1和B1的值分别为749.3和-0.024；
6)将测试的全部VOC浓度数据代入方程(1)，拟合求得A2和B2的值分别为582.1和-0.144，拟合结果如图3所示；
7)将q1在(0,π/2)划分为200等份，将等分后的q1代入方程(2)～(5)，求得的Etest范围在6.24～970.97之间；
8)选取使得最小Etest(为6.24)的q1，将求得的q1(为1.35)代入方程(3)～(5)中，通过求解3个方程，获得的家具三大释放特性参数C0、Dm和K的值分别为7.06×105μg/m3、4.03×10-10m2/s和240。
本发明的原理：在家具自由释放时，通过采样获得不同时间直流舱内家具VOC的浓度，再根据模型将测量的浓度数据整理成对数的形式，绘制直流舱浓度和释放时间的散点图，选取呈线性关系的点进行拟合求得系数A1和B2，再利用全部的数据求得A2和B2；选取使得Eest最小的q1，q1是关于初始浓度C0、扩散系数Dm和分配系数K的函数，通过求解3个方程即可获得释放特性参数C0、Dm和K的值。

Claims (1)

1.一种测定家具中挥发性有机物释放特性参数的直流舱方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)建立直流舱(即换气次数大于零的环境舱)中家具VOC释放过程的物理模型，当家具释放一定时间后，直流舱内VOC浓度可描述为：
Figure FDA0002574446780000011
Figure FDA0002574446780000012
Figure FDA0002574446780000013
Figure FDA0002574446780000014
Figure FDA0002574446780000015
该模型中：Ca为直流舱内VOC浓度，μg/m3；A1、B1、A2、B2为方程(1)的系数；t为散发时间，s；Etest为误差绝对值；C0为家具中VOC的初始浓度，μg/m3；Dm家具中VOC的扩散系数，m2/s；K为家具内VOC的分配系数；δ为家具的厚度，m；β＝Aδ/V，表示家具体积与直流舱体积之比；V为直流舱体积，m3；A为家具散发表面积，m2；q1为(0,π/2)的某个值；q2为方程
Figure FDA0002574446780000016
的第2个正根；Bim＝hmδ/Dm，为传质毕渥数；α＝Nδ2/DmV，为关于Dm和K的函数；hm为对流传质系数，m2/s；
Figure FDA0002574446780000017
n取1代表G1，n取2代表G2；N表示直流舱的换气次数,1/h；
2)在体积为1～10m3的直流舱内进行测试，实验时直流舱的温度控制精度为±0.5℃、湿度控制精度为±5％；
3)将直流舱的温度、湿度设为所需值，将不含VOC的纯净空气以恒定通风量通入直流舱内，然后将家具置于直流舱内进行测试；
4)在家具释放过程中，用二硝基苯腙(DNPH)吸附管或特纳斯(Tenax-TA)吸附管连接高精度采样泵在直流舱出口处采集VOC气体，然后用高效液相色谱仪(HPLC)或气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)进行定量分析，获得不同时间的直流舱内VOC实时浓度；
5)将方程(1)中的系数A2和B2设为0，对测得的不同时间直流舱内VOC浓度取对数，绘制对数浓度和释放时间的散点图，选取呈线性关系的数据点代入方程(1)中拟合求得系数A1和B1；
6)将测试的全部VOC浓度数据代入方程(1)，拟合求得A2和B2；
7)将q1在(0,π/2)划分为200等份，将等分后的q1代入方程(2)～(5)，分别求得不同的Etest；
8)选取使得Etest最小的q1，然后将此q1代入方程(3)～(5)，通过求解3个方程即可获得家具中VOC的三大释放特性参数C0、Dm和K的值。
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