建材中VOC和甲醛散发的物性参数测量方法

建材中VOC和甲醛散发的物性参数测量方法组员：尤若于、薛斐、朱超逸、唐海达、钟文智目录通风舱模型密闭舱模型可通风可密闭舱模型模型改进和讨论通风舱模型若有仪器可方便逐时测定甲醛浓度，请设计一个通风舱实验（舱材料可用不锈钢或玻璃，并可认为不吸附甲醛），可测定出材料的D，K，C0。假设：1.污染物是从一个单层均质的基底材料中散发；2.边界层阻力相比于材料散发的阻力可以忽略不计；3.污染物散发是一个一维稳态过程。简化理论推导𝜕C𝜕t=𝐷∙𝜕2𝐶𝜕𝑥2C=C0，0≤x≤L𝜕C𝜕x|𝑥=0=0𝜕y𝜕t∙𝑉=−𝐷∙𝐴𝜕𝐶𝜕𝑥|𝑥=𝐿−𝑄∙𝑦Kv=𝐶|𝑥=𝐿𝑦简化理论推导利用上述偏微方程以及边界条件求得C(x,t)的解：其中h=𝑄/𝐴𝐷∙𝐾𝑣，k=𝑉/𝐴𝐾𝑣，qn是qtanqL=h−kq2的正根由于解析解的级数随n的增加衰减明显，故只保留级数第一项完成推导计算：斜率−𝐷𝑞12；截距𝑙𝑛{2𝐶0(ℎ−𝑘𝑞12)cos(𝑞1𝐿)𝐾𝑣[𝐿ℎ−𝑘𝑞122+𝑞12𝐿−𝑘+ℎ]cos(𝑞1𝐿)}Cx,t=2C0{exp(−𝐷𝑞𝑛2𝑡)(ℎ−𝑘𝑞𝑛2)cos(𝑞𝑛𝑥)[𝐿ℎ−𝑘𝑞𝑛22+𝑞𝑛2𝐿−𝑘+ℎ]cos(𝑞𝑛𝐿)}∞𝑛=1lnyt=−D𝑞12𝑡+𝑙𝑛{2𝐶0(ℎ−𝑘𝑞12)cos(𝑞1𝐿)𝐾𝑣[𝐿ℎ−𝑘𝑞122+𝑞12𝐿−𝑘+ℎ]cos(𝑞1𝐿)}实验设计进而求得D值。C0ybagKv=𝐶0𝑦𝑏𝑎𝑔V,y(t)M=𝑦(𝑡)𝑄𝑑𝑡𝑡0=C0×𝐴×𝐿再对lnyt做线性拟合，得到的直线斜率和截距分别对应−D𝑞12和𝑙𝑛{2𝐶0(ℎ−𝑘𝑞12)cos(𝑞1𝐿)𝐾𝑣[𝐿ℎ−𝑘𝑞122+𝑞12𝐿−𝑘+ℎ]cos(𝑞1𝐿)}模型改进考虑交界面边界层阻力的影响：𝜕C𝜕t=𝐷∙𝜕2𝐶𝜕𝑥2C=C0，0≤x≤L𝜕C𝜕x|𝑥=0=0Kv=𝐶|𝑥=𝐿𝐶𝑠𝑡−D𝜕Cx,t𝜕x=ℎ𝑚𝐶𝑠𝑡−𝐶∞𝑡，t0，x=L𝐶∞𝑡𝐶𝑠𝑡𝜕𝐶∞𝑡𝜕t∙𝑉=−𝐷∙𝐴𝜕𝐶𝜕𝑥|𝑥=𝐿−𝑄∙𝐶∞𝑡𝐶∞𝑡=0，t=0密闭舱实验设计密闭舱（换气次数约为0）建筑板材表面暴露，密封边缘考虑边界层影响假设内部均一，一维过程VOCs在舱中随时保持混合均匀密闭舱模型对板材列出控制方程(1)B.C.(2)(3)I.C.(4)2mmm2CCDtxmC0,x0xmmmmaCCDhC,xLxKm0Cx,tC,t0,0xL密闭舱模型对舱内空气列方程(5)I.C.(6)Ca是舱内VOC浓度，μg/m3Cm,0是建材内初始VOC浓度，μg/m3Dm是VOC在建材中的扩散系数，m2/sK是建材与空气之间的分配系数hm是对流传质系数，m/sL是板材厚度，mA是板材面积，m2V是密闭舱体积，m3ammxLdCCVAD|dtxaC0,t0密闭舱模型由以上方程，可以解出以下方程来描述释放过程(7)qn是下列方程的解(8)22m,0n1am,0nnCβsinqCt2CβKβ1qAmnDLqntemmmhLBiD211nnmnmnnAKβqKBi1cosq12KBiqsinqn1,2,，n21ntanq1n1,2,qnmqKBiK，AL/V密闭舱模型当传质过程达到平衡时，舱内VOC浓度为(9)联立(7)和(9)，得(10)当使用无穷级数的第一项代替整体时，误差不超过5%(11)m,0equCβCKβ122n=equanequn1nCCtsinq2(1)CqAmnDLqtKeequa122equ11CCt21sinln()ln()CmnKqDLqtqA密闭舱模型记Cequ-Ca(t)为超额浓度，(Cequ-Ca(t))/Cequ为无量纲超额浓度，则(11)相当于无量纲超额浓度的对数关于时间t的线性方程记斜率为记截距为方程(11)化为(12)22m1SLDLq11121sinINTln()KqqAequaequCCtln()SL*tINTC密闭舱模型使用与t对SL和INT进行最小二乘法拟合，K，C0易知，则SL和INT都是仅关于Dm与q1的方程，由此可求得Dm当时间足够长的时候，舱内浓度将接近Cequ，这意味着：会变很小并且不稳定，这会造成拟合的偏差，应当避免使用这部分数据，因此只使用小于的部分equaequCCtln()CequaequCCtCaCtequ0.99CRef:XuY,ZhangYP*,AnimprovedmasstransferbasedmodelforanalyzingVOCemissionsfrombuildingmaterials,AtmosphericEnvironment,2003,37(18),2497-2505.实验装置可通风可密闭模型——MEFR法板材放入密闭舱内达到平衡：把气体排空，通入洁净空气，待其达到新的平衡：进入下一个循环，到第i个循环：011aaCALKCALCV11/oaCCK122aaaKCALKCALCV10221/(1/)aaKCKCCKK211121012111/(1/)(1/)(1/)(1/)iiiaiaiaaiiiiKCKCKCKCKCCKKKKKln(ln)ln1/oaiCKCiKK实验装置和优缺点InletcleanairOutletair优点：极大减少实验时间求K简单易行，避免低浓度VOC下的测量误差缺点对板材与舱体壁面的密闭性有较高的要求先密闭平衡时得到equCxx=Lx=0()aCt0()inCQt()()aCtQt()aCttequC1t2t再通风平衡时得到210()()tequatCCtQtdtC210(()())tequatALCVCCtQtdt0equequCVCALKC0equequCCKC相比密闭舱：优点：与可求出缺点：时间长相比通风舱:优点：求较准，时间相对短0CKK另一种可通风可密闭模型减少第二次平衡时间：1.加热2.通入有一定浓度的甲醛气体不可行温度对建材内可散发VOC浓度有很大影响！Whenthetemperaturerisesby25.4C,itincreasesbyabout507%.Ref:Xiong,J.Y.;Zhang,Y.P.Impactoftemperatureontheinitialemittableconcentrationofformaldehydeinbuildingmaterials:experimentalobservation.IndoorAir2010,20(6),523–529.另一种可通风可密闭模型模型改进和讨论——改进的通风舱测量实验原来是给舱内通洁净气体，但这样达到平衡的时间很长。模型改进和讨论——改进的通风舱测量实验xx=Lx=0()aCt,0inaCCQ()aCtQCo(,)()CxKCa,0,0,00(())aaaaKCALCVCoALCCtQdt上式中未知数为：K和Co先后通入两种浓度的气体进舱内，即可得到两个平衡方程，求解出K和Co。,0()aaCC模型改进和讨论——密闭舱求CO和K的方法探究当密闭舱到稳态时，满足：基于此，提出下面两种测量方法：1）改变舱内初始浓度，最小二乘法求Co和K2）改变板材和舱的体积比，最小二乘法求Co和K(,)()CxKCa(0)Ca模型改进和讨论——改变舱内初始浓度求法记初始状态：舱内污染物总浓度为：所以平衡时浓度存在如下等式：测量不同舱内污染物初始浓度下，最终平衡浓度。通过最小二乘法得到斜率和截距，求解K和Co。,0aCoALCV,0(,0)(0)aaCxCoCC,0()()aaaCoALCVCVKCAL=ALV令,01()11aaCCCoKK,0aC模型改进和讨论——改变板材和舱的体积比对于密闭舱，平衡时有所以测量不同的时的空气平衡浓度的对做最小二乘法得到斜率和截距，求解K和Co。()1CoCaK111()aKCCoCo()aC11()aC和模型改进和讨论——密闭舱内空气浓度不均匀在上文密闭舱实验的介绍中，为了空气浓度均一，加了个风扇。可实际情况并非如此。为此对空气也用一维传质模型：B.C.I.C.22,/aaaCCDLxVALtx0,/aCxVALxmmmmaCCDhC,xLxKCx,t0,t0,0xLa参考文献【1】XiongJY,ZhangYP*,YanW,CharacterisationofVOCandformaldehyedeemissionfrombuildingmaterialsinastaticenvironmentchamber:modeldevelopmentandapplication，IndoorandBuiltEnvironment,2011,20(2),217-225.【2】LittleJC,HodgsonAT,GadgilAJ:Modelingemissionsofvolatileorganiccompoundsfromnewcarpets:AtmosEnviron1994;28(2):227–234.【3】ZhangYP,LuoXX,WangXK,QianK,ZhaoRY:Influenceoftemperatureonformaldehydeemissionparametersofdrybuildingmaterials:AtmosEnviron2007;41:3203–3216.【4】ZhangYP,LuoXX,WangXK,QianK,ZhaoRY:Influenceoftemperatureonformaldehydeemissionparametersofdrybuildingmaterials:AtmosEnviron2007;41:3203–3216.【5】Xiong,J.Y.;Zhang,Y.P.Impactoftemperatureontheinitialemittableconcentrationofformaldehydeinbuildingmaterials:experimentalobservation.IndoorAir2010,20(6),523–529.【6】XuY,ZhangYP*,AnimprovedextractionmethodtodeterminetheinitialemittableconcentrationandthepartitioncoefficientofVOCsindrybuildingmaterials,AtmosphericEnvironment,2009,43(26),4102-4107.【7】XuY,ZhangYP*,AnimprovedmasstransferbasedmodelforanalyzingVOCemissionsfrombuildingmaterials,AtmosphericEnvironment,2003,37(18),2497-2505.参考文献欢迎点评