基于室内建材污染物逸出能力的散发速率预测模型及关键因素研究

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室内建材释放的挥发性有机化合物(Volatile organic compounds,VOCs)是室内空气污染的主要来源,其散发持续时间长,严重影响室内空气质量和人体健康,近年来已成为社会关注的焦点。目前国内外对室内建材VOCs散发预测研究模型主要包括经验模型和传质模型等,但相关模型或者太过复杂、参数难以求解,或者缺乏明确的物理意义,限制了预测模型的应用。同时,材料结构和环境因素是影响室内建材VOCs散发的关键因素,传统的材料表征方法可以提供建筑材料的表面形貌或者一部分孔隙参数,不能反映材料内部的孔道结构信息,并缺乏材料结构和环境参数与VOCs逸出能力之间的关系研究。因此,本论文基于环境舱法对典型室内建材污染物散发规律进行研究,建立基于逸出因子和阻隔因子的污染物散发速率预测模型,以及简单高精度的VOCs长期散发预测方法,并对材料内部孔隙结构进行三维表征,建立建材内部污染物扩散通道网络模型,直观表达污染物扩散通道。同时研究了材料结构和环境条件等关键因素对室内建材VOCs散发的影响及其与VOCs逸出因子和阻隔因子之间的关系。(1)首先考察了采样流速、采样体积、环境舱内壁处理方式、环境舱不同体积规格对室内建筑材料甲醛和VOCs散发速率测试结果的影响。在此基础上,提出“逸出因子”和“阻隔因子”概念,并基于VOCs在建材内部的传质过程,建立了基于逸出因子和阻隔因子的散发速率预测模型。提出了“重合点”的概念并建立其计算方法,“重合点”之后可使用单指数模型对污染物散发速率进行预测,实现将基于逸出因子和阻隔因子的建材污染物散发速率预测模型简化至单指数模型的最简形式,减少了模型参数和计算量,阐明了单指数模型的应用前提。通过优化求解逸出因子和阻隔因子所需的短期散发数据个数及时间段,建立了逸出因子和阻隔因子求解方法和污染物长期散发速率预测方法,即通过VOCs在72/96/120 h的短期散发速率数据可对长至28天的散发速率进行预测,预测精度达80%以上,且优于幂律模型预测精度。(2)引入X射线断层扫描技术(XRT)对中密度纤维板的三维结构进行表征,通过对断层扫描二维切片进行非中值滤波处理、阈值分割以及二值化处理,分别建立了孔隙相和材料相的三维结构。将XRT与扫描电镜法(SEM)和压汞法(MIP)耦合,从宏观、介观和微观多尺度对材料表面形貌和内部结构进行综合表征,并获得了孔隙率、曲折度和分形维数等参数。结果表明所表征的中密度纤维板材料内部孔隙以宏观孔为主,XRT和MIP测得的孔隙率一致性较好,但墨水瓶状孔和孔喉的存在导致MIP测得的曲折度偏低。运用孔隙连通性算法对XRT测得的中密度纤维板内部连通孔进行提取,通过骨骼化处理建立了建材内部污染物扩散通道网络模型,直观反映了材料内部孔隙结构连通方式以及污染物在材料内部的扩散通道。(3)基于SEM和XRT技术对不同饰面中密度板的表面形貌和内部三维结构进行多尺度综合表征,结果表明水性漆饰面处理后材料整体结构未发生显著改变,曲折度变化较小,整体孔隙率由29.9%下降至26.2%,甲醛散发速率降低20%左右;油性漆和PVC膜饰面处理后,表面分别形成了厚度约为50 μm和153 μm的饰面层,其孔隙率分别为4.32%和4.89%,材料整体孔隙率分别下降至23.2%和23.2%,曲折度增加一倍左右,甲醛散发速率降低两个数量级。通过模型拟合获得不同饰面材料污染物散发逸出因子a1和阻隔因子b1参数值,基于回归分析法建立了a1和b1与材料整体和表面结构参数的关系模型,结果表明a1与材料表面层孔隙率εS和表面层分形维数fS呈线性正相关,与材料表面层曲折度τS呈线性负相关,与材料整体结构参数相关性较差;b1与材料整体孔隙率ε呈指数负相关,与表面层结构参数无直接相关性。(4)基于单因素分析法研究了相对湿度(20%、30%、50%、70%)和换气率(0.5 h-1、1.0 h-1、2.0 h-1、3.0 h-1)对油性漆饰面板VOCs散发的影响,结果表明相对湿度和换气率主要影响VOCs初始阶段散发,散发速率与相对湿度成正比,与换气率相关性较差;散发浓度与换气率呈负相关。根据建立的污染物散发速率预测模型及参数求解方法获得了不同条件下各污染物的逸出因子a1和阻隔因子b1值,基于回归分析建立了a1和b1与相对湿度和换气率之间的定量关系模型。在测试范围内a1和b1均与相对湿度呈正相关,且存在多项式关系,与换气率不存在直接相关性。在此基础上推导了基于逸出因子和阻隔因子的污染物散发浓度计算模型,并建立了散发浓度逸出因子a01和阻隔因子b01与换气率的关系模型,结果表明散发浓度逸出因子a01与换气率呈负相关,且存在幂函数关系,而阻隔因子b01与换气率相关性较差。本论文建立了基于逸出因子和阻隔因子的污染物散发速率预测模型,以及逸出因子和阻隔因子与材料结构、环境条件等关键因素之间的关系模型,对阐明室内建材污染物散发机理,实现散发速率快速预测具有重要意义。
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