室內(nèi)環(huán)保涂料中空氣污染物VOCs排放濃度在線監(jiān)測(cè)

雷俊花

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300)

因我國(guó)城市化與工業(yè)化發(fā)展速度加快，導(dǎo)致城市群中能源消耗與工業(yè)污染問(wèn)題日益顯著[1-2]。但在此環(huán)境中，我國(guó)大氣污染控制政策與技術(shù)落后于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，空氣污染物沒(méi)有被合理控制便會(huì)融于大氣之中。所有空氣污染物對(duì)人類的身體健康、環(huán)境質(zhì)量均存在負(fù)面影響，空氣污染種類也不局限于煤煙類污染、機(jī)動(dòng)車尾氣污染，而是變成具有規(guī)模性、復(fù)雜性的復(fù)合類、地域性壓縮污染，污染的范圍具有擴(kuò)散性[3]。由此可知，為了防止出現(xiàn)惡劣的復(fù)合類空氣污染，需要構(gòu)建具有持續(xù)性、有效性的污染物管理方案[4-5]。揮發(fā)性有機(jī)物VOCs在建筑涂料行業(yè)較為常見(jiàn)，建筑涂料行業(yè)產(chǎn)品種類多樣化，揮發(fā)性有機(jī)物VOCs也具有多樣化、危害顯著、排放模式多樣等特性，在建筑涂料施工各個(gè)階段對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物VOCs進(jìn)行合理監(jiān)測(cè)與控制，對(duì)優(yōu)化建筑涂料行業(yè)水平、降低大氣污染危害度具有現(xiàn)實(shí)意義[6-8]。建筑類涂料屬于涂料的主要使用種類，我國(guó)涂料行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模顯著，建筑涂料行業(yè)變成工業(yè)領(lǐng)域的核心之一，但是在室內(nèi)裝修施工過(guò)程中，所用的涂料、稀釋劑、清洗劑與膠粘劑等有機(jī)溶劑，會(huì)釋放大量的揮發(fā)性有機(jī)物VOCs，這對(duì)人體健康存在不利影響[9-10]。為了在線監(jiān)測(cè)建筑室內(nèi)涂料中空氣污染物VOCs的排放濃度，本文提出建筑室內(nèi)涂料中空氣污染物VOCs的排放濃度在線監(jiān)測(cè)方法，可為我國(guó)控制建筑室內(nèi)涂料中空氣污染物VOCs的排放與管理方案提供協(xié)助。

1 在線監(jiān)測(cè)方法

1.1 試驗(yàn)過(guò)程

在試驗(yàn)之前，將有機(jī)玻璃模擬倉(cāng)實(shí)施通風(fēng)換氣，啟動(dòng)溫濕度控制儀，檢測(cè)有機(jī)玻璃模擬倉(cāng)中污染物VOCs本底值，空倉(cāng)工作50 min，保證有機(jī)玻璃模擬倉(cāng)環(huán)境穩(wěn)定。將涂料均勻地覆蓋在不銹鋼板上，并快速放在有機(jī)玻璃模擬倉(cāng)中，在線監(jiān)測(cè)溫度、涂層厚度、相對(duì)濕度等條件對(duì)空氣污染物VOCs排放濃度的影響[11]。試驗(yàn)條件設(shè)置詳情見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)條件設(shè)置詳情Tab.1 Details of test condition setting

1.2 污染物排放濃度反演算法

基于差分吸收光譜技術(shù)的污染物排放濃度反演算法，需要先使用差分吸收光譜采集儀器采集污染物VOCs的光譜信息[12-14]。儀器結(jié)構(gòu)如圖1所示。差分吸收光譜采集儀器的氙弧燈光源射出的光會(huì)發(fā)送至準(zhǔn)直透鏡，準(zhǔn)直后的平行光穿過(guò)污染物VOCs后，出射光會(huì)在聚透鏡中聚集在傳輸光纖里，再使用光纖傳輸?shù)哪Ｊ絺鬏斨凉庾V儀，光譜儀使用光柵把獲取的光變換為光譜，并使用CCD將光譜的光信號(hào)變換成電信號(hào)，使用A/D轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換后，在PC端使用差分吸收光譜技術(shù)，對(duì)污染物VOCs進(jìn)行反演。

圖1 差分吸收光譜采集儀器Fig.1 Differential absorption spectrum acquisition instrument

差分吸收光譜技術(shù)是以光譜分析手段測(cè)量污染物VOCs排放濃度，在所選光譜段分析污染物VOCs分子的差分吸收結(jié)構(gòu)，高精度監(jiān)測(cè)污染物VOCs的濃度。數(shù)學(xué)模型為：

L(α)=L0(α)exp[∑(-IβjDj)]

(1)

式中，L0(α)為光源發(fā)射的原始發(fā)光強(qiáng)度；L(α)為探測(cè)器獲取的發(fā)光強(qiáng)度；βj為污染物VOCs的吸收截面；Dj為第j類氣體濃度；I為光程。

差分吸收光譜技術(shù)主要是按照污染物VOCs在其光譜段中的差分屬性，把式(1)中吸收截面一分為二：

(2)

使用數(shù)字濾波克服其他污染氣體與粉塵的影響，把式(2)代入式(1)：

E′(α)=ln[L0(α)/L(α)]=I∑(βjDj)

(3)

式中，E′(α)為差分吸光度。

選擇存在顯著差分吸收結(jié)構(gòu)的波段，在此波段中選取一些吸收度顯著、離散波長(zhǎng)合理的吸收光譜強(qiáng)度，建立污染物VOCs濃度與波長(zhǎng)的方程組：

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 填充率對(duì)空氣污染物VOCs排放濃度的影響

將填充率依次設(shè)成1.76、1.41、1.06、0.71、0.36 m2/m3，當(dāng)填充率存在差異時(shí)，空氣污染物VOCs排放濃度的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。分析圖2可知，初始階段時(shí)，室內(nèi)涂料中空氣污染物VOCs排放濃度變化較為明顯，隨后，室內(nèi)涂料中空氣污染物VOCs排放濃度慢慢降低，填充率越大，空氣污染物VOCs排放濃度越高。

圖2 填充率對(duì)空氣污染物VOCs排放濃度的影響Fig.2 Influence of filling rate on VOCs emission concentration of air pollutants

當(dāng)填充率存在差異時(shí)，空氣污染物VOCs排放濃度的擴(kuò)散通量變化情況如圖3所示。分析圖3可知，空氣污染物VOCs排放濃度的擴(kuò)散通量會(huì)因填充率變多而變大，原因是填充率變大，空氣污染物VOCs的有效傳質(zhì)表面積變大，涂料和模擬倉(cāng)空間本體間的空氣污染物VOCs濃度呈梯度提升。

圖3 不同填充率下VOCs排放濃度的擴(kuò)散通量變化Fig.3 Diffusion flux changes of VOCs emission concentration under different filling rates

2.2 涂層厚度對(duì)空氣污染物VOCs排放濃度的影響

將涂層厚度依次設(shè)成0.15、0.25、0.35、0.45 mm，當(dāng)涂層厚度存在差異時(shí)，空氣污染物VOCs排放濃度的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。分析圖4可知，不同涂層厚度條件下，初始階段時(shí)，室內(nèi)涂料中空氣污染物VOCs排放濃度變化較為明顯，隨后，空氣污染物VOCs排放濃度逐漸變小。當(dāng)涂層厚度變大，空氣污染物VOCs排放濃度變大，原因是涂層厚度變大，所釋放的空氣污染物VOCs量變長(zhǎng)，致使空氣污染物VOCs排放濃度變大。涂層厚度變大，涂料性狀出現(xiàn)變化的過(guò)程耗時(shí)變長(zhǎng)，致使涂料中空氣污染物VOCs釋放時(shí)間增多，濃度也隨之變大。

圖4 涂層厚度對(duì)空氣污染物VOCs排放濃度的影響Fig.4 Influence of coating thickness on VOCs emission concentration of air pollutants

當(dāng)涂層厚度存在差異時(shí)，空氣污染物VOCs排放濃度的擴(kuò)散通量變化情況如圖5所示。分析圖5可知，伴隨涂層厚度變大，空氣污染物VOCs排放濃度的擴(kuò)散通量也變大。相關(guān)資料顯示，涂料中揮發(fā)性有機(jī)物的釋放量和涂層厚度存在直接聯(lián)系，涂層厚度增大一倍，涂料中揮發(fā)性有機(jī)物的釋放強(qiáng)度便會(huì)提升20%。

圖5 不同涂層厚度下VOCs排放濃度的擴(kuò)散通量變化Fig.5 Variation of diffusion flux of VOCs emission concentration under different coating thickness

2.3 通風(fēng)率對(duì)空氣污染物VOCs排放濃度的影響

將通風(fēng)率依次設(shè)置為0.55、1.05、1.55、2.05 L/min，當(dāng)通風(fēng)率存在差異時(shí)，空氣污染物VOCs排放濃度的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。分析圖6可知，通風(fēng)率變大，室內(nèi)涂料中空氣污染物VOCs排放濃度逐漸降低，但降低量逐漸變小。

圖6 通風(fēng)率對(duì)空氣污染物VOCs排放濃度的影響Fig.6 Influence of ventilation rate on VOCs emission concentration of air pollutants

當(dāng)通風(fēng)率存在差異時(shí)，空氣污染物VOCs排放濃度的擴(kuò)散通量變化情況如圖7所示。

圖7 不同通風(fēng)率下VOCs排放濃度的擴(kuò)散通量變化Fig.7 Variation of diffusion flux of VOCs emission concentration under different ventilation rates

分析圖7可知，通風(fēng)率變大，涂料—空氣邊界層厚度變小，空氣污染物VOCs在空氣邊界層的傳質(zhì)系數(shù)變大，傳質(zhì)阻力變低，擴(kuò)散通量便會(huì)變大，涂料釋放空氣污染物VOCs的速度提升，但通風(fēng)率提升至一定值后，邊界層的厚度趨于穩(wěn)定，擴(kuò)散通量不會(huì)變大，這時(shí)涂料中空氣污染物VOCs含量較為穩(wěn)定。此外，模擬倉(cāng)體積固定時(shí)，在溫度與壓力的作用下，單位時(shí)間進(jìn)入模擬倉(cāng)中的新風(fēng)量變多，置換的空氣污染物VOCs量變多，倉(cāng)內(nèi)涂料和空氣中VOCs濃度梯度變高，致使涂料中空氣污染物VOCs擴(kuò)散速度加快，濃度變低。

2.4 相對(duì)濕度對(duì)空氣污染物VOCs排放濃度的影響

將相對(duì)濕度依次設(shè)成45%、65%、85%，當(dāng)相對(duì)濕度存在差異時(shí)，空氣污染物VOCs排放濃度的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示。分析圖8可知，相對(duì)濕度越大，室內(nèi)涂料中空氣污染物VOCs排放濃度越大，時(shí)間越長(zhǎng)，室內(nèi)涂料中空氣污染物VOCs排放濃度逐漸變小。

圖8 相對(duì)濕度對(duì)空氣污染物VOCs排放濃度的影響Fig.8 Influence of relative humidity on VOCs emission concentration of air pollutants

當(dāng)相對(duì)濕度存在差異時(shí)，空氣污染物VOCs排放濃度的擴(kuò)散通量變化情況如圖9所示。分析圖9可知，相對(duì)濕度越大，空氣污染物VOCs排放濃度的擴(kuò)散通量越大。相對(duì)濕度對(duì)涂料中空氣污染物VOCs排放特性的影響較為復(fù)雜，因?yàn)閭}(cāng)內(nèi)環(huán)境濕度變大，涂料含水率變大，涂料傳質(zhì)阻力變低，擴(kuò)散通量便會(huì)變大，空氣污染物VOCs排放速度變快，且相對(duì)濕度變大，涂料內(nèi)部很多物質(zhì)出現(xiàn)水解化，致使小分子有機(jī)物變多，通常情況下，分子量較少，涂料空氣污染物VOCs擴(kuò)散系數(shù)便會(huì)變大，釋放速度提升，濃度便會(huì)變大。

圖9 不同相對(duì)濕度下VOCs排放濃度的擴(kuò)散通量變化Fig.9 Diffusion flux change of VOCs emission concentration under different relative humidity

2.5 供暖方式對(duì)空氣污染物VOCs排放濃度的影響

將供暖方式依次設(shè)成地板供暖、頂棚供暖、風(fēng)盤(pán)供暖、自然工況(無(wú)供暖)，當(dāng)供暖方式存在差異時(shí)，空氣污染物VOCs排放濃度的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖10所示。分析圖10可知，沒(méi)有供暖的自然工況中，空氣污染物VOCs排放濃度在監(jiān)測(cè)時(shí)間為50 min之前，屬于上升期，上升幅度較大；監(jiān)測(cè)時(shí)間為50～110 min，空氣污染物VOCs排放濃度屬于下降期，下降幅度不大。供暖方式依次是地板供暖、頂棚供暖、風(fēng)盤(pán)供暖時(shí)，空氣污染物VOCs排放濃度均存在變小趨勢(shì)，且監(jiān)測(cè)30 min后，空氣污染物VOCs排放濃度均低于沒(méi)有供暖的自然工況。

圖10 供暖方式對(duì)空氣污染物VOCs排放濃度的影響Fig.10 Influence of heating mode on VOCs emission concentration of air pollutants

當(dāng)供暖方式存在差異時(shí)，空氣污染物VOCs排放濃度的擴(kuò)散通量變化情況如圖11所示。分析圖11可知，自然工況中，空氣污染物VOCs排放濃度的擴(kuò)散通量最小，地板供暖、頂棚供暖、風(fēng)盤(pán)供暖方式中，空氣污染物VOCs排放濃度的擴(kuò)散通量都大于自然工況。原因是自然工況中，室內(nèi)空氣污染物VOCs排出室外的量較少，但供暖可加速空氣污染物VOCs的排放，從而提升空氣污染物VOCs排放濃度的擴(kuò)散通量。

圖11 不同供暖方式下VOCs排放濃度的擴(kuò)散通量變化Fig.11 Diffusion flux change of VOCs emission concentration under different heating modes

2.6 溫度對(duì)空氣污染物VOCs排放濃度的影響

以頂棚供暖方式為例，設(shè)置頂棚供暖方式下，供暖溫度依次是21、19、17 ℃，當(dāng)溫度存在差異時(shí)，空氣污染物VOCs排放濃度的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖12所示。分析圖12可知，溫度升高，空氣污染物VOCs排放濃度變大，這是因?yàn)闇囟茸兏撸瑐}(cāng)內(nèi)蒸氣壓變大，涂料傳質(zhì)阻力變低，VOCs排放濃度提升。

圖12 溫度對(duì)空氣污染物VOCs排放濃度的影響Fig.12 Influence of temperature on VOCs emission concentration of air pollutants

當(dāng)溫度存在差異時(shí)，空氣污染物VOCs排放濃度的擴(kuò)散通量變化情況如圖13所示。分析圖13可知，供暖溫度依次是21、19、17 ℃時(shí)，21 ℃條件下，空氣污染物VOCs排放濃度的擴(kuò)散通量最高，伴隨溫度降低，空氣污染物VOCs排放濃度的擴(kuò)散通量也變小，原因是，溫度提升可加速空氣污染物VOCs的排放，增大空氣污染物VOCs排放濃度的擴(kuò)散通量。

圖13 不同溫度下VOCs排放濃度的擴(kuò)散通量變化Fig.13 Diffusion flux change of VOCs emission concentration at different temperatures

3 結(jié)論

本文在不同填充率、涂層厚度、通風(fēng)率、相對(duì)濕度、供暖方式、溫度的條件下，對(duì)建筑室內(nèi)涂料中空氣污染物VOCs排放濃度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)后，掌握了建筑室內(nèi)涂料中空氣污染物VOCs排放特性。針對(duì)本文監(jiān)測(cè)內(nèi)容，對(duì)建筑裝修提出以下幾點(diǎn)建議。

(1)建筑室內(nèi)裝修后，需要控制室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度，并盡可能多通風(fēng)，讓建筑室內(nèi)涂料中空氣污染物VOCs快速排放。

(2)當(dāng)室內(nèi)裝修完畢、人類居住時(shí)，應(yīng)合理控制室內(nèi)溫濕度，將涂料中空氣污染物VOCs的排放控制在合理范圍之內(nèi)。

(3)室內(nèi)裝修時(shí)，最好采用空氣污染物VOCs排放較低的涂料，從根源控制污染物排放量。