非金屬材料VOC初始濃度測定方法研究

章葉川，冷文軍，趙俊濤，施紅旗，蘇洪濤

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430205)

0 引 言

非金屬材料在室內(nèi)裝修、空間站、飛機、船舶等各種有人居住的空間內(nèi)得到大量的應(yīng)用，其釋放的揮發(fā)性有機化合物會導(dǎo)致人體出現(xiàn)頭痛、困倦、惡心和流鼻涕等癥狀，嚴重影響人類的身體健康[1]。目前對于非金屬材料VOC釋放的研究方法分為2類：一是基于一定環(huán)境條件下的實驗數(shù)據(jù)而得到的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?；二是基于傳質(zhì)學(xué)建立的理論模型。隨著研究的深入開展，經(jīng)驗?zāi)Ｐ鸵褵o法滿足科研工作者對VOC釋放機理的探究，更多的從VOC的內(nèi)部釋放機理著手，設(shè)法建立更加通用準確的理論模型。非金屬材料VOC釋放理論模型主要由材料中VOC初始可散發(fā)濃度C0，VOC在材料內(nèi)的傳質(zhì)擴散系數(shù)Dm和VOC在空氣和材料分界面的分配系數(shù)K等3個關(guān)鍵參數(shù)決定[2]。VOC的初始濃度是整個釋放過程的源頭，有研究表明，其初始濃度的大小與釋放量近似成線性關(guān)系，初始濃度對于材料的傳質(zhì)擴散系數(shù)和材料空氣交界處的分配系數(shù)也有著明顯的影響[3]，目前市場上把VOC初始濃度作為對非金屬材料環(huán)保分類和評價的主要參考因素，因此有必要對非金屬材料VOC的初始濃度測定方法進行研究，以求在科研和工程應(yīng)用中，根據(jù)實際需要，選擇適合的測定方法。

1 非金屬材料VOC初始濃度測定方法

目前，對于非金屬材料初始濃度的測定方法主要分為兩類：一類是通過設(shè)計相應(yīng)的實驗，測量材料整個的VOC含量，進而得到初始濃度；另一類是利用實驗艙的VOC濃度變化數(shù)據(jù)，結(jié)合部分實驗條件參數(shù)，通過數(shù)據(jù)擬合得到初始濃度值。具體可分為高溫?zé)峤夥?、低溫研磨法、常溫萃取法、多平衡態(tài)回歸法和數(shù)值擬合法等。

1.1 高溫?zé)峤夥?/h3>

高溫?zé)峤夥ㄊ亲钤鐟?yīng)用于非金屬材料VOC初始濃度值測定的方法，該方法是利用高溫，活化非金屬材料中的VOC分子，使其VOC分子在較短的時間內(nèi)，達到完全釋放的效果，從而測得非金屬材料VOC的初始含量ΔM，C0的計算公式為：

高溫?zé)峤夥ㄔO(shè)備簡單，測試過程便捷高效，但是高溫?zé)峤夥〞罨墙饘俨牧现性緹o法從材料中逸出的束縛態(tài)VOC分子，造成測得的VOC初始濃度比真實情況要高得多。

1.2 低溫研磨法

實際上材料中的VOC分子分為自由態(tài)和束縛態(tài)2種，在通?？删幼…h(huán)境下能自由散發(fā)出的VOC分子都是自由態(tài)，而束縛態(tài)分子在不加外部能量的情況下，是不會散發(fā)出來的，基于此種思想，Cox和Little[4]提出了低溫研磨法。該方法考慮了VOC在材料內(nèi)部的傳質(zhì)和從固相向氣相傳遞的2個控制過程，在低溫下將非金屬材料研磨成粉末，這樣做既可以增加材料的脆性，又可以降低研磨過程中VOC的損失。然后在室溫條件下，使VOC分子在流化床中釋放出來，由于傳質(zhì)路徑大大降低且散發(fā)面積變大，其散發(fā)速率也明顯加快，可縮短對初始濃度的測試時間，C0的計算公式和式（1）相同。

由于VOC是在室溫中釋放，可避免材料中的束縛態(tài)VOC分子也擴散出來，造成測量值高于實際散發(fā)量。Cox和Little在應(yīng)用低溫研磨法測定乙烯基地板的VOC初始濃度的同時，也應(yīng)用高溫?zé)峤夥▽ν瑯硬牧现械腣OC進行了初始濃度測定，其結(jié)果顯示低溫研磨法得到的數(shù)值約為高溫?zé)峤夥ǖ?0%～70%，這一結(jié)果在一定程度上證明了VOC分子存在束縛態(tài)和自由態(tài)的理論。低溫研磨法相對于高溫?zé)峤夥?，其測量準確性要高，也更加接近真實情況[4]，但是實驗系統(tǒng)相對復(fù)雜，需要低溫和碾磨設(shè)備，由于濃度逐漸降低，對VOC的采樣精度和采樣頻率要求較高。

1.3 常溫萃取法

Smith等[5-6]認為多孔材料中的VOC分為孔內(nèi)氣體中、吸附在材料內(nèi)的孔表面和溶解在材料中的固態(tài)骨架中3部分，其儲存位置和孔徑分布的不同，導(dǎo)致其具有不同的可散發(fā)性，這也是非金屬材料中VOC分為自由態(tài)和束縛態(tài)的根本原因?；谝陨侠碚?，Smith等提出了常溫萃取法，該方法是將材料碾磨成粉末，再將粉末置于機械振蕩器中使VOC加速釋放到一個閉合環(huán)路的空氣中，機械震動和環(huán)路中的空氣噴射形成對材料顆粒的攪拌效應(yīng)。材料中的VOC初始濃度由測得的艙室內(nèi)VOC濃度對時間的函數(shù)以及空氣流量得到。當達到平衡后濃度Cei（i=1，2，…n）后，通過采樣測試平衡濃度，然后向密閉環(huán)路中持續(xù)通入一定流量的潔凈空氣，直到達到檢測下限，再進行釋放、平衡，計算公式如下：

假設(shè)每次平衡時，其表面分配系數(shù)一定，則

由式（1）和式（2）得到

通過擬合CSi和Cei，得到其分配系數(shù)的值，

該實驗方法相對于傳統(tǒng)方法具有更快的VOC散發(fā)速率，其可散發(fā)的自由態(tài)VOC分子完全釋放的時間較短，但是其實驗系統(tǒng)也較為復(fù)雜，顆粒狀材料在閉合氣路中循環(huán)時，容易造成管路堵塞，Smith提出的3部分理論假設(shè)，也需要更深入的研究。

1.4 多平衡態(tài)回歸法

多平衡態(tài)回歸法的基本思想是質(zhì)量守恒和亨利定律，由王新軻等[7-8]在測量密度板的可散發(fā)甲醛含量時提出。該方法是將材料置于密閉環(huán)境艙中讓其自由散發(fā)，記錄平衡時環(huán)境艙中VOC濃度C1。根據(jù)整個系統(tǒng)中VOC的質(zhì)量守恒，如下式：

式中：Cm,0為VOC初始可散發(fā)濃度；V為環(huán)境艙體積；Vm為材料體積；K為分配系數(shù)。

式（6）可變形為：

將平衡后環(huán)境艙中的材料快速取出并密封，再用潔凈的空氣吹洗環(huán)境艙，直至VOC濃度為0，該過程為第1次散發(fā)。然后在將材料放入密閉艙中進行相同的散發(fā)過程，對于第2次散發(fā)期質(zhì)量守恒方程為：

上式同樣改寫為：

以此類推，對于第n次散發(fā)的平衡態(tài)，下述方程成立：

上式改為對數(shù)形式：

通過密閉環(huán)境艙實驗得到的一系列平衡濃度，對實驗數(shù)據(jù)進行線性回歸，依據(jù)回歸直線的斜率和截距得到材料中VOC初始可散發(fā)濃度Cm,0和分配系數(shù)K，其原理圖如圖1所示，該類方法在測量峰值濃度時，存在較大的滯后性和誤差，因此需要使用更加快速準確的測量儀器。

1.5 數(shù)值擬合法

數(shù)值擬合法是結(jié)合實驗數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型，進行迭代計算獲得初始可散發(fā)VOC濃度，同時也可得到擴散傳質(zhì)系數(shù)和分配系數(shù)。數(shù)值擬合法最初由Little等[9]在直流式實驗中提出，將材料儲存在密封袋中，一段時間后，測量袋內(nèi)的VOC濃度Cbag，然后將材料置于換氣次數(shù)、溫濕度和材料表面風(fēng)速都已知的環(huán)境艙中，測量環(huán)境艙中的VOC濃度C（t），通過實驗數(shù)據(jù)可以求得材料的初始濃度C0，以及分離系數(shù)K和擴散傳質(zhì)系數(shù)Dm。具體過程如下：首先根據(jù)測量值C（t）得到材料在一周內(nèi)的VOC散發(fā)量Memit，并以此值作為假設(shè)的初始濃度值C0=Memit/Vm，分離系數(shù)K=C0/Cbag，根據(jù)式（13），應(yīng)用最小二乘法擬合出傳質(zhì)系數(shù)Dm。

由擬合出的關(guān)鍵參數(shù)，計算實驗結(jié)束后材料中剩余VOC含量，從而修正初始濃度C0的值，再迭代求解分離系數(shù)K和擴散傳質(zhì)系數(shù)Dm。直至迭代計算收斂于設(shè)定的殘差值。該方法數(shù)值迭代計算，得到初始濃度值C0，以及分離系數(shù)K和擴散傳質(zhì)系數(shù)Dm，通用性強，但是其測試方法需耗費大量時間，且極易出現(xiàn)多解現(xiàn)象，在工程應(yīng)用中很不方便，假設(shè)的初始濃度初值，會很大程度上影響擬合的其余參數(shù)的準確性。

2 VOC初使?jié)舛葴y試方法的評價

上節(jié)內(nèi)容對常用的5種非金屬材料VOC初始濃度測試方法進行了詳細介紹，從各種方法的測試原理、測試設(shè)備、具體步驟和測試結(jié)果的準確性上看出，每種方法都有各自的優(yōu)缺點，總結(jié)如表1所示。

分析可知，非金屬材料VOC初始濃度需要在常溫下測量，才能避免溫度對材料VOC可散發(fā)量的改變，而在常溫下，傳統(tǒng)的直流式測試會耗費大量的時間，因此研究者們就采取各種方法加速VOC在常溫下的散發(fā)，如把材料研磨成顆粒狀、機械振蕩等。為增加測試方法的通用性，研究者們采用了一些把實驗數(shù)據(jù)和數(shù)值擬合結(jié)合的測試方法，但是這類方法是基于一些理想化的數(shù)學(xué)公式，參數(shù)之間也存在著相互影響，其準確性也十分堪憂。如何建立既高效便捷，又相對通用的測定方法是目前科研人員的主要研究方向，結(jié)合現(xiàn)有的理論基礎(chǔ)和技術(shù)手段，本文作者認為在低溫下對非金屬材料的可釋放VOC初始濃度進行系列測定，建立典型非金屬材料的可釋放VOC初始濃度庫，是在一定時效性和精度上，解決工程應(yīng)用和科學(xué)研究對初始濃度值需求的有效辦法。

雖然研究者們對于VOC初始濃度的測試方法展開了大量的研究工作，也取得了非常大的進展，但是本文作者認為要根本性地解決VOC初始濃度測定問題，還是得把非金屬材料內(nèi)部VOC散發(fā)機理作為著力點，研究非金屬材料內(nèi)部VOC分子在材料內(nèi)部由束縛態(tài)向自由態(tài)轉(zhuǎn)變的物理機理，通過試驗測定VOC分子能量分布非均勻性的特征參數(shù)[10]，再以數(shù)學(xué)方法，擬合出VOC可散發(fā)部分比例和溫度T、能量分布非均勻性的特征參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，然后再通過測定高溫環(huán)境下的VOC可散發(fā)初始濃度，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型分別計算常溫環(huán)境和高溫環(huán)境下的VOC可散發(fā)部分比例，就可反推得到常溫下的VOC可散發(fā)初始濃度。

表 1 非金屬材料初始VOC濃度測試方法評價Tab. 1 Evaluation of initial VOC concentration test methods for non-metallic materials

3 結(jié) 語

本文概述了VOC初始濃度參數(shù)對于非金屬材料VOC散發(fā)規(guī)律研究的重要性，詳細介紹了目前常用的5種VOC初始濃度測試方法，并對該5種測試方法的優(yōu)缺點和適用性進行評價，在對于VOC散發(fā)規(guī)律的學(xué)術(shù)研究和VOC控制工程應(yīng)用上，可指導(dǎo)其選擇合適的VOC初始濃度測試方法，以滿足時效性、準確性等。同時也指出了現(xiàn)有VOC初始濃度測試方法的不足之處和改進方向，需要研究者們從VOC的散發(fā)機理出發(fā)，對測定方法進行改進和創(chuàng)新。