建筑裝飾材料污染物散發(fā)影響因素

建筑裝飾材料污染物散發(fā)影響因素研究摘要：大量研究表明，揮發(fā)性有機污染物（VOC）是現(xiàn)代室內(nèi)常見，同時又是危害較大的污染物之一，建筑材料是室內(nèi)VOC的重要來源。本文運用集總數(shù)學模型，研究了室內(nèi)多孔建筑材料內(nèi)部污染物散發(fā)、濕材料內(nèi)污染物散發(fā)、墻壁等不同表面的作用對室內(nèi)空氣污染物濃度貢獻情況，以及相互之間的影響和作用規(guī)律，為理解和控制室內(nèi)空氣污染奠定了一定的理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵字：建筑材料揮發(fā)性有機物數(shù)學模型散發(fā)規(guī)律0引言室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量和室內(nèi)污染的主要影響因素很多，歸納起來可以從以下四個方面考慮：1.建筑物自身造成的污染，比如放射性污染和氨氣污染；2.建筑裝修材料造成的污染，包括甲醛、VOCs；3.空調(diào)設(shè)備使用不當，容易產(chǎn)生霉菌污染空氣，或者交叉污染；4.室外空氣。盡管室內(nèi)裝飾裝修材料實際上是多種多樣的，換句話說，室內(nèi)空氣中污染物的散發(fā)源頭也是多種多樣，而且要完全掌握和分析他們內(nèi)部污染物的散發(fā)并不是一件簡單的事。它們的存在導致室內(nèi)污染狀況變化也較大，我們需要從理論上認識它們的作用和規(guī)律，以控制室內(nèi)空氣品質(zhì)。本文使用合理的集總參數(shù)數(shù)學模型[1]，研究了干性多孔材料（地毯）、一次衰減源、墻體沉積的不同組合情況下室內(nèi)污染物濃度以及多孔材料內(nèi)部、墻體表面污染物量等的變化情況，從定性的角度出發(fā)，簡化了污染源形式和種類，分析和探討這些材料在實際條件下對室內(nèi)污染的影響，以及相互的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律，便于對室內(nèi)污染從量上掌握。1模型簡要介紹本文使用的模型為文獻[1]所建集總參數(shù)模型，該模型同時考慮了普通裝修室內(nèi)常見材料揮發(fā)性有機化合物(VOC)的散發(fā)狀況，并針對不同材料或表面，使用一些較成熟的理論或經(jīng)驗?zāi)Ｐ头謩e表述，因此實用性較強。其基本內(nèi)容如下：1.1基本條件及假設(shè)1)污染物散發(fā)源為室內(nèi)干性多孔材料，包括地毯、聚乙烯地板、人造板等，散發(fā)出來的各類有機揮發(fā)性氣體；2)室內(nèi)污染物吸收源為墻體、窗簾；3)本文所建模型還做了以下基本假設(shè)：a.干性多孔材料內(nèi)部材質(zhì)均勻，污染物的初始濃度相同；b.材料內(nèi)部污染物散發(fā)過程為純物理現(xiàn)象，沒有化學反應(yīng)；c.材料內(nèi)部污染物單一（包括TVOC），或者至少擴散過程不相互干擾；d.材料內(nèi)部擴散為一維擴散，傳遞動力為濃度差，并完全遵循費克定律；e.污染物擴散系數(shù)、材料表面分隔系數(shù)不隨濃度變化而變化，并可以真實反應(yīng)材料整個散發(fā)過程；f.空氣和材料交界面始終保持平衡狀態(tài)，動態(tài)平衡很快建立；g.污染物的吞吐只發(fā)生在吸附材料表面，并遵循Langmuir等溫吸附線；h.室內(nèi)污染物分布均勻，或者很快達到均勻一致；i.材料底部沒有污染物擴散通過表面。1.2控制方程1）污染源內(nèi)部對于干性多孔材料，同時滿足上述假設(shè)條件，其控制方程為（費克定律）[2]：（1）其中：Cm,i—i材料內(nèi)部污染物濃度μg/m3；Dm,i—i材料內(nèi)部污染物擴散系數(shù)m2/s；t—時間變量s；y—擴散一維方向上空間變量m；2）材料表面在污染源材料表面，污染物的散發(fā)和吸附應(yīng)該是同時存在的，并保持動態(tài)平衡，在常溫常壓條件下，符合Langmuir等溫線，控制方程為[3]：（2）其中：Cm|y=bi—i材料表面（仍在固相）污染物濃度，μg/m3；kma，i—i材料表面分隔系數(shù)；Cas，i—I接近材料表面空氣中污染物濃度，μg/m3；3）邊界層質(zhì)擴散在材料表面，存在一層濃度邊界層，其中的污染物傳遞過程同時受擴散和對流影響，氣相傳質(zhì)速率為（費克第二定律）[2]：（3）其中：Ri--氣相傳質(zhì)速率，μg/m2s；hi—傳質(zhì)系數(shù)，m/s；Ca--空氣中污染物濃度，μg/m3；4）墻體表面吸附沉積效應(yīng)，控制方程為[4]：（4）其中：Mi—第i塊材料單位面積的吸附量，μg/m2；k3，i/k4，i—第i塊材料的吸附/解吸系數(shù)，m/s，/s5）濕性材料（涂料）的污染物散發(fā)率為[5]：（5）其中：R0s—濕材料的初始散發(fā)率，μg/m2s；Rs--濕材料的散發(fā)率，μg/m2s；k1—衰減系數(shù)，/s；t—時間，s；6）控制體內(nèi)（房間）污染物質(zhì)量平衡方程：(6)其中：Ca—空氣中污染物濃度，μg/m3；N—換氣次數(shù)，s-1；Li—第i塊材料特性面積，/m；1.3初始及邊界條件1）初始條件污染源材料i內(nèi)部：（7）吸附/解析材料i表面吸附量（8）空氣中污染物：（9）2）邊界條件材料底部（固固界面）：（10）材料空氣界面：（11）1.4部分參數(shù)問題[2、6、7]空氣中污染物傳質(zhì)系數(shù)：在現(xiàn)有傳質(zhì)理論當中，已經(jīng)對該系數(shù)進行了較深入的研究，并得出以下關(guān)系式：a)層流狀態(tài)下（Re<500000）:（12－a）b)紊流狀態(tài)下（Re>500000）:(12－b)c)混合流狀態(tài)下（Re<107,Retr=500000）:（12－c）其中：Sh—修伍德數(shù);Sc—施密特數(shù);Re—材料表面雷諾數(shù);u—材料表面空氣的平均流速,m/s;v—空氣運動粘度m2/s;d—材料特性長度;空氣中污染物的擴散系數(shù)：該系數(shù)與系統(tǒng)的溫度、壓力以及物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。在一定條件下，可以通過實驗方法測定。對于空氣當中單一污染物（含TVOC研究）情況，可以視為雙組分系統(tǒng)，其計算根據(jù)分子運動學說推導得到：(13)其中：T—絕對溫度,K;Ma、Mair—污染物，空氣的分子量;P—總壓,atm;Sav—污染物和空氣的分子平均截面積,m2;n—實驗確定常數(shù)如需更加精確嚴謹?shù)那笏銡怏w擴散系數(shù)，可采用下式（赫虛范特法）：(14)其中：σ—平均碰撞直徑,（勒奈特-瓊斯參數(shù)）;ΩD—分子擴散的碰撞積分，為波爾茨曼常數(shù)（1.3806x10-6erg/K）的無因次函數(shù)。以上公式中都需要較多的實驗數(shù)據(jù)，對于我們研究的對象系統(tǒng)，大多采用半經(jīng)驗公式進行計算（福勒法）：(15)其中：∑va、∑vair—污染物和空氣的分子擴散體積,cm3/mol;由于我們研究的污染物濃度相對較低，邊界層上濃度變化也小，我們認為上述公式對于我們研究的系統(tǒng)有效。舉例如下：計算常壓，溫度為298K條件下，苯（C6H6）在空氣中的擴散系數(shù)。1．∑va=16.5*6+1.98*6-20.2=90.68，∑vair=20.1。Ma=78，Mair=23，代入(15)式中，計算得到Da=97.76x10-7m2/s2．σa=5.349，σair=3.711，σa,air=4.53，Ma=78，Mair=23，εa/k=412.3，εair/k=78.6，ΩD=f(kT/εa,air)=1.153，代入(14)式中，計算得到Da=96.2x10-7m2/s對于TVOC，由于內(nèi)部成分復雜，我們采用Sparks等推薦的23℃條件下Da=5.938x10-6m2/s[8]，并按下式進行不同溫度下該值的調(diào)整[9]：(16)材料內(nèi)部擴散系數(shù)Dm,i、分隔系數(shù)kma,i、吸附/解析系數(shù)k3,i/k4,i：對于該類系數(shù)，是必須通過實驗方法加以確定的，屬于材料的物理特性，已經(jīng)有大量的文獻提供該類數(shù)據(jù)。2研究對象描述對于具體的室內(nèi)，可以通過給定的各種污染物形式、參數(shù)，使用本章模型進行詳細、細致的數(shù)學模擬,目標污染物為乙苯,各可視化圖形均基于Matlab5.0版本.各材料參數(shù)見下表1，部分參數(shù)來源文獻[10]，其余為合理假設(shè).表1模型運用情況參數(shù)表序號12345678地毯C0(μg/m3)4.0x1077XXXXXXXXDm(m2/s)5.4x10--12kma3000h（m/s）0.0004224L0.34油漆類衰減源R0s(μg/mm2h)8000Xk1(/h)0.08L0.2墻面1k3(m/h)1.13XXk4(/h)3.65L0.34XL0.9X墻面2k3(m/h)0.25XXk4(/h)5.43L0.34XL0.9X墻面3k3(m/h)0.97XXk4(/h)0.191L0.34XL0.9X其中‘X’表明系統(tǒng)包含該項。為了更合理的分析上述表格及其中的相互關(guān)系，本文對8種情況全部作了較長時間的模擬（10天），結(jié)果見圖1－12。情況1作為標準情況散發(fā)，其余各無因次圖形均為各量與情況1對應(yīng)量的比值。其室內(nèi)污染物濃度峰值為870μg/m3，出現(xiàn)時間大約在1小時左右，隨后開始快速下降，從第2天開始進入緩慢下降階段，盡管如此，室內(nèi)濃度在很長一段時間仍然維持80μg/m3左右的水平。材料內(nèi)污染物的散發(fā)率峰值在2.4μg/m2s，變化趨勢和室內(nèi)污染物濃度基本一致，很長時間維持0.05μg/m2s左右的散發(fā)水平。10天內(nèi)的無因次散發(fā)量大約在11%左右。情況2在情況1的相同條件下增加了油漆類污染源，屬于濕材料類，大量實驗和研究結(jié)果表明該類材料污染物散發(fā)以揮發(fā)為主，影響時間較短，也稱為一次衰減源，從圖1可以很明顯的看出這個趨勢。圖12的室內(nèi)空氣污染物濃度無因次變化圖反映出，由于該衰減源的存在，室內(nèi)濃度在2到3天發(fā)生了較大的變化，峰值甚至達到情況1的3.2倍左右，從第3天以后才開始逐漸恢復，擺脫該污染源的影響。這也印證了在裝修完工初期，由于室內(nèi)存在大量的一次衰減源，為降低室內(nèi)污染應(yīng)該盡量加大通風，加速濕材料污染物的釋放。圖3、4分別是干多孔材料無因次散發(fā)率圖和無因次釋放量相對變化圖（與情況1比較），圖形表明，干多孔材料的污染物散發(fā)情況受到了一次污染源的干擾，在頭3天出現(xiàn)較大的波動，初期散發(fā)率大幅下降，在1.5天左右反彈并超過情況1同期散發(fā)水平。無因次散發(fā)量也表現(xiàn)出相同趨勢，但不同之處在于，無因次散發(fā)率在0.5天后始終維持大于1的水平，而實際上無因次散發(fā)量的相對變化卻始終不能達到1。估計是一次衰減源的存在導致了干多孔材料的散發(fā)延遲而引起的，不過具體原因還有待于實驗的驗證。圖1-4表明，一次衰減源會對室內(nèi)污染和干多孔材料的散發(fā)造成較大影響，呈正相關(guān)，但一次衰減源強度、衰減常數(shù)以及負荷率大小對材料污染散發(fā)和室內(nèi)污染的量化關(guān)系需要進一步的研究。對于情況3-8則記錄了室內(nèi)同時存在源和匯，即除了散發(fā)源外還有沉積效應(yīng)的情況，我們使用本模型進行了模擬，具體數(shù)字不便列表，圖（5-12）給出了可視化計算結(jié)果。情況3（6）、4（7）、5（8）分別為匯效應(yīng)不同的情況，匯效應(yīng)吸附率/解析率（）變化從，6、7、8對應(yīng)3、4、5相同匯不同負荷率的情況。情況3、4、5的負荷率均為0.34，圖5的室內(nèi)無因次濃度曲線顯示：匯效應(yīng)越大，室內(nèi)污染物濃度受其影響影響的強度和廣度越大。比值越小，其效應(yīng)越小。并可以通過其對室內(nèi)污染物的影響調(diào)節(jié)到干多孔材料的散發(fā)率和無因次散發(fā)量，這點很鮮明地反映在5-12系列圖上。情況3的匯效應(yīng)比值為0.3，其對室內(nèi)污染物濃度的影響只有2天左右，并引起干多孔材料散發(fā)率從大到小再到正常，表面沉積量在1-2個小時達到峰值280μg/m2，隨后迅速下降，1.5天開始趨于平緩；情況5由于匯效應(yīng)值大，其沉積量出現(xiàn)峰值較晚，大于需要10小時，下降速度也相對緩慢，10天仍然有近400μg/m2，情況4的幅度和深度都小，與其匯效應(yīng)值協(xié)調(diào)。結(jié)合圖6情況4、5對應(yīng)的干多孔材料無因次散發(fā)率變化圖形看，匯效應(yīng)相當于一臺‘泵’，通過污染物在其表面沉積將干多孔材料散發(fā)率強行增大直到不能接濟，衰減，然后恢復，匯效應(yīng)值表現(xiàn)‘泵’的實際工作能力?？傮w而言，凡是有匯效應(yīng)存在，干多孔材料的無因次散發(fā)量就必然加大，圖（7、11）反映了這一點，無因次散發(fā)量與情況1相比始終大于1，情況8該值最大達到1.02左右。從這兩幅圖上同時也反映出另外一個問題，即干多孔材料污染物散發(fā)內(nèi)部阻力占據(jù)絕對優(yōu)勢，匯效應(yīng)的存在通過對室內(nèi)污染物的吸收和改變，間接的達到對干多孔材料散發(fā)調(diào)節(jié)作用，但作用強度和幅度有限，即便是情況8匯效應(yīng)大，其變化幅度也在5%的范圍內(nèi)。情況4的匯效應(yīng)比值為0.046，其對室內(nèi)污染物濃度、多孔材料散發(fā)率、無因次散發(fā)量的影響維持不到1天，而且幅度小，不到1%，然后很快達到動態(tài)平衡。情況3也在5%左右。由此看，不銹鋼類的材料匯效應(yīng)比值應(yīng)該是0。情況5的匯效應(yīng)比值為5.1，效果則非常明顯，先吸收室內(nèi)污染物，導致空氣中無因次濃度大幅下降，低至0.8，變化幅度有20%，然后開始吐，由于匯效應(yīng)大，10天左右空氣中無因次濃度仍然大于1。其表面沉積量峰值達到2000μg/m2，并長期維持400μg/m2的量，調(diào)節(jié)作用顯著。情況6、7、8分別表現(xiàn)出了3、4、5相同的作用趨勢，但由于負荷率不同，其作用效果也不同，表現(xiàn)出加大的特征，總體上負荷率和匯效應(yīng)呈正相關(guān)。圖9反映出，情況8匯效應(yīng)比情況5得到放大，使得無因次室內(nèi)污染物濃度低至0.6，高至1.1，幅度在40%左右，相當之大，而且作用時間長；對應(yīng)地，情況5則分別為0.8和1.05左右。對應(yīng)的室內(nèi)濃度峰值分別從870μg/m3下降到522μg/m3和696μg/m3。匯效應(yīng)的存在能否起到很好的調(diào)節(jié)作用，還與室內(nèi)濃度峰值出現(xiàn)的時間有關(guān)，兩者是否同步。但基本上，從圖中可以看到，室內(nèi)污染物濃度峰值都在一定程度上由于匯效應(yīng)的存在而得到減弱。圖（5、8）的室內(nèi)污染物濃度無因次變化圖顯示在室內(nèi)濃度峰值期間匯效應(yīng)使得該值在1以下。舉情況5為例，這種作用可以維持到15小時左右，而情況8則有18小時以上。從3、4、5和6、7、8情況對比來看，室內(nèi)匯效應(yīng)的存在和作用大小主要取決于參數(shù)k3、k4，尤其是比值k3\k4的大小，而與負荷率的關(guān)系則相對弱很多。3結(jié)束本文使用室內(nèi)污污染變化規(guī)規(guī)律研究的的新型通用用數(shù)學模型型，適當選選取室內(nèi)污污染源模式式，定性模模擬研究了了油漆類一一次衰減源源、干性多多孔材料、匯匯效應(yīng)等對對于室內(nèi)濃濃度的影響響規(guī)律，并并得出一些些有用的結(jié)結(jié)論。油漆漆類一次衰衰減源會對對室內(nèi)污染染和干多孔孔材料的散散發(fā)造成較較大影響，呈呈正相關(guān)，，但但它對對室室內(nèi)污染持持續(xù)時間較較短；一次次衰減源強強度、衰減減常數(shù)以及及負荷率大大小對材料料污染散發(fā)發(fā)和室內(nèi)污污染的量化化關(guān)系需要要進一步的的研究。匯效應(yīng)作用規(guī)律律和k3\k4的比值密密切相關(guān)，匯匯效應(yīng)越大大，室內(nèi)污污染物濃度度受其影響響的強度和和廣度越大大。室內(nèi)主主要和長期期的污染源源可能還是是以內(nèi)部擴擴散為主的的干性多孔孔材料。4參考文獻[1]余躍濱濱,張國強，韓韓杰.室內(nèi)建筑筑材料污染染物散發(fā)規(guī)規(guī)律數(shù)學模模型研究，2004年全國暖暖通空調(diào)制制冷學術(shù)年年會，接受受[2]王紹亭亭,陳濤.動量、熱熱量與質(zhì)量量傳遞.第1版.北京:天津科學學技術(shù)出版版社,19986[3]AxlleyJJW.AdsoorptiionMModellingForBuilldinggConntamiinanttDissperssalAAnalyysis..InddoorAir,,19991,11(2)::1477-1711[4]TicchenoorBA,GGuoZZ,DuumnJJE,etaal.TTheIInterractiionoofVaaporPhasseOrrganiicCoompouundsWithhInddoorSinkks.IIndooorAiir,11991,,1(11):223-288[5]韓克勤勤.室內(nèi)用品品中揮發(fā)性性有機物的的揮發(fā)模式式.衛(wèi)生研究,19998,27(66):3391-3393[6]江體乾乾.近代傳遞遞過程原理理.第1版.北京:化學工業(yè)業(yè)出版社,20001[7]R.E.TTreybbal.MasssTraansfeerOppe