（工程热物理专业论文）室内装饰材料污染物散发过程的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文以建环实验室为研究对象，搭建了测量建筑材料v o c 散发的小型试验台。 使用p g m 7 2 4 0 手持式v o c 气体检测仪对建筑装饰板材散发的异丁烯、苯、甲苯 和二甲苯浓度进行了测量，对检测数据进行了拟合得到污染物浓度变化特性曲线及 其释放速率方程；利用自定义函数( u d f ) 将实验所得指数释放速率方程动态加载 到f l u e n t 求解器中，模拟得到房间的气流组织及污染物浓度场的分布，并与测试 结果进行了分析比较；在此基础上，对某新装修建筑房间室内空气中的气态污染物 进行数值模拟，分析了实际建筑室内污染物散发机理及空间传输过程。 关键词：室内空气品质，装饰材料，污染物浓度，实验，数值模拟 a bs t r a c t e x p e r i m e n t f o rv o c se m i s s i o n sf r o mt h eb u i l d i n gm a t e r i a li se s t a b l i s h e di n b u i l d i n g e n v i r o n m e n tl a b f i r s t l y ，i s o b u t y l e n e ， b e n z e n e ，i o l u e n ea n dm x y l e n e d i f f u s i n gi nt h er o o mh a db e e nm e a s u r e du s i n gp g m - 7 2 4 0 v o cg a s e o u sa p p a r a t u s t h e nt h ec h a r a c t e f i s t i cc u r v e sa n dr e l e a s ev e l o c i t ye q u a t i o n so fc o n t a m i n a n t sh a db e e n g o tb yd e a l i n gw i t ht h ed a t am e a s u r e di nt h e1 a b s e c o n g d l y ，e x p o n e n t i a lr e l e a s ev e l o c i t y e q u a t i o ni sl o a d e dt 0t h es o l v e ri nf l u e n t s o f t w a r eb yu s i n gu s e r d e f i n e df h n c t i o n 1 h e ni n d o o ra i r f l o wd i s t r i b u t i o na n dc o n c e n n ? a t i o nf i e l do ft h ec o n t a m i n a n t sh a db e e n s i m u i a t e d ， a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r e c o m p a r e d w i t ht h em e a s u r e dr e s u l t s s u b s e q u c n t l y ；s i m u l a t i o ni sa d o p t e dt 0t h ei n d o o ra i rc o n t a m i n a t i o ni nt h eb u i l d i n gr o o m w i t hn e wf i n i s h i n g ，a n dv o c se m i s s i o nm e c h a n i s ma n ds p a c et r a n s m i s s i o nh a v eb e e n a n a l y z e d d i n gg u i y a n ( e n g i n e e r i n gt h e 姗o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp f o f j i n gy 6 u y i n k e yw o r d s ：i n d o o ra i rq u a l i t y d e c o r a t i n gm a t e r i a l s ，c o n t a m i n a n tc o n c e n t r a t j o n ， e x p e r i m e n t ，n u m e r i c a is i m u i a t i o n 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文以建环实验室为研究对象，搭建了测量建筑材料v o c 散发的小型试验台。 使用p g m 7 2 4 0 手持式v o c 气体检测仪对建筑装饰板材散发的异丁烯、苯、甲苯 和二甲苯浓度进行了测量，对检测数据进行了拟合得到污染物浓度变化特性曲线及 其释放速率方程；利用自定义函数( u d f ) 将实验所得指数释放速率方程动态加载 到f l u e n t 求解器中，模拟得到房间的气流组织及污染物浓度场的分布，并与测试 结果进行了分析比较；在此基础上，对某新装修建筑房间室内空气中的气态污染物 进行数值模拟，分析了实际建筑室内污染物散发机理及空间传输过程。 关键词：室内空气品质，装饰材料，污染物浓度，实验，数值模拟 a bs t r a c t e x p e r i m e n t f o rv o c se m i s s i o n sf r o mt h eb u i l d i n gm a t e r i a li se s t a b l i s h e di n b u i l d i n g e n v i r o n m e n tl a b f i r s t l y ，i s o b u t y l e n e ， b e n z e n e ，i o l u e n ea n dm x y l e n e d i f f u s i n gi nt h er o o mh a db e e nm e a s u r e du s i n gp g m - 7 2 4 0 v o cg a s e o u sa p p a r a t u s t h e nt h ec h a r a c t e f i s t i cc u r v e sa n dr e l e a s ev e l o c i t ye q u a t i o n so fc o n t a m i n a n t sh a db e e n g o tb yd e a l i n gw i t ht h ed a t am e a s u r e di nt h e1 a b s e c o n g d l y ，e x p o n e n t i a lr e l e a s ev e l o c i t y e q u a t i o ni sl o a d e dt 0t h es o l v e ri nf l u e n t s o f t w a r eb yu s i n gu s e r d e f i n e df h n c t i o n 1 h e ni n d o o ra i r f l o wd i s t r i b u t i o na n dc o n c e n n ? a t i o nf i e l do ft h ec o n t a m i n a n t sh a db e e n s i m u i a t e d ， a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r e c o m p a r e d w i t ht h em e a s u r e dr e s u l t s s u b s e q u c n t l y ；s i m u l a t i o ni sa d o p t e dt 0t h ei n d o o ra i rc o n t a m i n a t i o ni nt h eb u i l d i n gr o o m w i t hn e wf i n i s h i n g ，a n dv o c se m i s s i o nm e c h a n i s ma n ds p a c et r a n s m i s s i o nh a v eb e e n a n a l y z e d d i n gg u i y a n ( e n g i n e e r i n gt h e 姗o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp f o f j i n gy 6 u y i n k e yw o r d s ：i n d o o ra i rq u a l i t y d e c o r a t i n gm a t e r i a l s ，c o n t a m i n a n tc o n c e n t r a t j o n ， e x p e r i m e n t ，n u m e r i c a is i m u i a t i o n 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文室内装饰材料污染物散发过程的 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：z 蕉塾 日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：工挂拯 日 期。牛占 导师签名： 日期： 珈红尸 型孕血彭 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景及其意义 第一章绪论 近年来，随着科技的进步和经济的发展，人们对生活质量和舒适度的要求越来 越高。由于人口数量和有限土地之间的矛盾，高层建筑物也日渐增多。新型建筑装 饰装修材料和日用化学品的使用越来越多，使得室内空气中有害物质无论从种类上 或数量上都不断增加，从而造成室内空气污染。随着社会的发展，人们越来越多的 活动是在居室内进行的，同时为了节约能源，现代建筑物的设计与建造及其功能对 建筑物的气密性要求越来越高。据统计，现代人8 0 以上甚至高达9 0 的时间在室 内度过，尽管室内污染物浓度水平较低，人们在建筑内的污染物接触量在全日接触 量中仍占较大的比重。建筑室内空气品质的改善可有效减少污染物全日接触量。在 按年龄、性别及工作情况划分的人群中，婴幼儿、女性与老弱病残者是受建筑室内 污染的高危险人群。鉴于婴幼儿、女性与老弱病残者的生理特点，较普通人更易受 到环境污染的影响而损害健康，改善建筑室内环境对减少空气污染对婴幼儿、女性 与老弱病残者的健康危害尤为重要。由此可见，人们呼吸的空气绝大部分来自室内， 室内空气品质直接影响人们的健康1 1 4 1 。根据加拿大卫生组织调查显示，当前人们 6 8 的疾病都与室内空气污染有关。据北京市统计，装饰装修造成的室内环境污染 己成为消费者投诉的前五大问题之一i j 。 在现代建筑中生活和工作的人们经常表现出一系列的病态反应：头痛、困倦、 胸闷、恶心、流鼻涕、易疲劳、烦躁、粘膜刺激、过敏性皮炎、哮喘等，这些现象 经过研究学者的分析和研究，提出了“病态建筑综合症力或“写字楼综合症”( s i c k b u i l d i n gs y n d r o m e ，s b s ) ，建筑物关联症( b u i l d i n gr e l a t e di l l n e s s ，b r i ) ，化学品 敏感( m u l t i p l ec h e m i c a ls e n s i t i v i t y ，m c s ) 和化学过敏症( c h e m i c a lh y p e r s e n s i t i v i t y s v n d r o m e ，c h s ) 等新概念。人们的健康和工作效率受到严重影响。世界卫生组织 ( w h o ) 近期公布的“2 0 0 2 年世界卫生报告 显示，人们长期生活在室内，因此 受到的空气污染主要来自室内。美国环境保护署( e p a ) 历时5 年的专题调查结果 显示，许多民用和商用建筑内的空气污染程度是室外空气污染数倍至数十倍，有的 甚至超过1 0 0 倍。研究表明，美国人5 0 的疾病的产生与室内空气污染有关，根据 美国国家职业安全与卫生研究所( n a t i o n a li n s t i t u t e f o ro c c u p a t i o n a l s a f e t ya n d h e a l t h ，n i o s h ) 统计，美国室内从业人员出现s b s 症状的比例已由1 9 8 0 年的2 上升到目前的3 5 6 5 【1 0 l 。据统计，全球近一半人处于被污染了的室内空气中。 室内环境污染已经引起3 6 的呼吸道疾病，2 2 的慢性肺病和1 5 的气管炎、支气 管炎。全世界每年有2 4 0 0 万人的死亡与室内污染紧密相关，其中室内空气污染与 1 华北电力大学硕士学位论文 高血压、胆固醇过高及肥胖症等共同列为人类健康的十大威胁。在中国虽然没有相 关权威机构的统计调查，但从我国室内环境监测中心室内空气品质( i n d 0 0 r f q u a l i t y ，i a q ) 监测量越来越大的趋势也可以看出此问题在我国日趋严重。监测数 据表明，近年来我国每年由室内空气污染引起的超额死亡数达1 1 万人，超额门诊数 2 2 万人次，超额急诊数4 3 0 万人次。严重的室内环境污染也造成巨大经济损失，我 国每年因室内环境污染危害健康所导致的经济损失就高达千亿元人民币【1 1 2 3 1 。因 此，室内环境污染已成为我国目前经济和社会发展中一个亟待解决的重要问题。 造成室内空气品质低劣的原因主要是室内空气中含有挥发性有机化合物 ( v 0 l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ，v o c s ) ，它是多种低沸点有机化合物如苯、甲苯和 甲醛等的统称。它们通常以气态形式存在于建筑室内空气中。大量建筑中的v o c s 含量超过了健康允许的限度，吸入这些v o c s 会对人体健康产生严重的不良影响。室 内挥发性有机物( v o c s ) 主要来源于建筑及建筑装饰装修材料，如各种人造板材( 胶 合板、纤维板、刨花板或大芯板、密度板) 、各种树脂、粘合剂、油漆、涂料、壁 纸、装饰地毯、挂毯等挥发出的甲烷、丙烷、氯烃、氟烃、醇、醚、酯、酮、醛、 氨、二硫化碳等物质。机动车尾气也是渗入室内的主要v o c s 污染源。另外，人及人 在室内烹饪、使用清洁剂、杀虫剂及其它化学日用品等也是室内v o c s 的重要来源 【1 2 3 1 。世界卫生组织( w h o ) 和美国环境保护署( u s e p a ) 等组织己将v o c s 列为 造成空气污染，影响人体健康的主要有害物之一。这些有机物会长期( 数年甚至更 长) 向室内散发v o c s 及其他有害物。因此，建材、家具等室内装饰物已被公认为室 内v o c s 的主要来源( 一般认为占6 0 以上) ，迫切需要从机理上研究室内有害污染 物散发一扩散一传播及分布的规律，以便对室内污染物进行有效的控制，为减轻室 内空气污染提供理论基础和控制手段。 1 2 国内外研究动态 1 2 1v o c s 散发模型的研究 1 2 1 1 国外研究现状 国外大规模出现装修热是在2 0 世纪6 0 年代，对挥发性有机物的试验研究已经形 成了比较完善的体系。国外学者通过一系列调查和系统研究发现，建筑材料的吸附 解析作用对室内v o c s 浓度有很大影响。建筑材料的沉降、吸附、解析作用或污染 物的累积将在其整个使用周期内持续影响室内空气品质。近十年来，国外学者对建 筑材料中v o c 的散发模型进行了广泛研究。对于建筑材料中v o c 散发过程的复杂 性，通常只考虑占主导地位的过程。各国学者根据不同的理解和假设，建立了很多 数学模型，大体上可分为两大类，即f i r s to r d e ra d s o r p t i o n d e s o r p t i o nr a t e 模型和 2 华北电力大学硕士学位论文 e q u i l i b r i u m i n t e r f a c e 模型1 7 2 4 j 。 由于室内污染物的多样性、微量性和累积性，许多研究机构投入了巨资建立了 专门用于室内环境研究的受控环境舱( c o n t r o l l e de n v i r o n m e n ta n de n e r g y ，l c i e e ) 。 为了加强对挥发性有机物污染源的监控，1 9 9 0 年美国测试和材料协会( a s t m ) 提出 了测试室内源释放有机物的指导程序，推荐了用小型人工气候舱测定室内材料制 品中的挥发性有机物。为了研究和探索低散发材料的散发情况且验证建筑物的点散 发源，国外又发展了一种便携式实验装置，这种实验装置即为区域实验散发小室 ( f l e c ) 。区域实验散发小室是为试验有机物散发而设计的微型舱1 2 5 l 。 一些研究者对室内建材v o c s 散发特性进行了研究，目前干材料v o c s 散发的解 析模型中，最有影响力的是l i t t l e 模型。l i t t l e 模型中假设：建材表面空气侧v o c s 浓 度与环境中v o c s 浓度相同，也就是假设材料表面的对流传质系数无穷大，假设材料 内部初始浓度分布均匀。l i t t l e 模型考虑了材料的扩散和环境通风的影响，但没有考 虑进口浓度对散发率的影响，且认为环境浓度与材料边界浓度成线性关系，忽略了 边界层的影响，也没有考虑房间吸附源对v o c 散发的影响。c t o p p 和p v n i e l s e n 等 发展了一个湿材料液体薄膜如油漆散发有机物的物理模型，模型理论认为在湿材料 刚开始应用的一段时间主要是蒸发过程，而在蒸发散发一段时间后，液体薄膜变成 以扩散为主【2 5 - z 。 1 2 1 2 国内研究现状 我国对室内空气品质( 认q ) 的研究起步较晚，这是因为室内空气品质问题与 经济，技术发展水平密切相关，很多室内空气污染问题是在经济和技术发展到一定 水平才出现的。自2 0 世纪9 0 年代初开始，我国已逐步开展了有关建筑和装饰材料中 v o c s 的释放及其所致室内污染的研究工作，如广东、上海、武汉、江苏、吉林等省 市卫生防疫站合作进行了一系列调查研究工作【z 5 j 。目前国内对i a q 的大量研究是在 实验测量基础上的数据模拟，由于实验在典型环境下进行，其结果是否能直接应用 于室内实际环境还存在问题。针对上述情况，一些学者将理论模型与实际环境和建 筑材料相结合展开了研究。 戴树桂等人对一些典型装饰材料和日用化学品的苯系物挥发进行了模拟研究。 实验以壁纸为吸附物，使用恒定源吸附效应模型对甲苯、乙苯和间二甲苯进行小室 模拟实验。结果发现易挥发的甲苯其吸附效应较重，难挥发的间二甲苯吸附效应较 轻，乙苯则居中。严炎等人对木质人造板材中甲醛释放规律进行了研究，通过环境 气候舱的模拟，分别建立了短期和长期舱浓度随时间变化的模型。结果发现短期模 型能很好地反映数小时内甲醛释放的规律，而长期模型在开始三周内拟合不够理 想，而后拟合准确，能很好地预测人造板材的甲醛长期释放规律。成通宝等人建立 3 华北电力大学硕士学位论文 了用于模拟分析建筑中无机污染物( i v o c ) 和挥发性有机污染物( v o c s ) 的通用认q 模型。对自然通风情况下和不同控制策略时室内污染进行了模拟分析。许瑛等人对 l i t t l e 模型进行改进，取消了忽略边界层质阻和初始浓度均匀的假设，建立了平板建 材v o c s 单面散发模型，并利用杜哈美尔定理给出了解析解。与小室实验结果比较， 发现模型与实验值吻合。张寅平等人提出了干材料多层双面v o c s 散发模型。该模 型和小室模型结合，可预测有建材v o c s 散发源的小室内v o c s 在一定通风量下的 浓度变化。模型给出了解析解，能大大节省计算时间，且具有很强的概括性，能方 便用于建材v o c s 的散发模拟【2 7 瑚】。余跃滨等人在质传递理论基础上提出了建筑装 饰材中v o c s 释放的集成数学模型。该模型可用于模拟常用建筑装饰材料中v o c s 对室内污染的全过程，包括多孔建筑装饰材料内部污染物散发过程、湿材料内部污 染物散发过程、墙壁等不同表面作用对室内空气污染物浓度的贡献情况，以及这些 过程之间的相互关联和影响。并与室内污染物分布c f d 模拟结果进行了比较，模拟 精度较好1 2 9 。3 叭。 从v 0 c s 研究现状及进展可知，目前国内外建筑中由于装修而引起的挥发性有机 物污染是比较严重的，并且室内环境中的v o c s 污染物种类繁多，影响因素复杂，目 前只能定性检测或进行少数典型化合物的定量测定。国内外对装修材料散发模型的 试验和理论研究还大多限于人工环境室，需要加大对实际建筑各类房间v o c s 散发机 理的研究，理论模型还需不断地完善。另外，国内研究人员多采用进口的采样设备 和分析仪器，检测技术也主要从国外借鉴，昂贵的研究费用和检测数据的不准确限 制了国内该领域的发展。因此，应结合国内实际情况，尽快研究建立高灵敏度、操 作快捷的室内v o c s 检测技术。在借鉴和吸收发达国家先进经验的基础上，系统地开 展室内环境空气中v o c s 污染现状的调查及污染控制技术等方面的研究工作，并重点 探求室内各污染物之间的相互影响及在环境中的迁移、转化规律以及如何减少v o c s 在人体处的暴露，并进行暴露评价。同时要规范各类建材和释放v o c s 的产品。要科 学合理地选材装修，积极创造良好的通风条件，营造人与自然的和谐，满足人们生 活的基本愿望1 1 1 ”l 。 1 2 2 室内空气环境的研究 室内空气环境表现为复杂的流体流动和热污染物传输的混合过程，即空气对流 传热传质过程。预测室内气流组织的方法有两种：实验研究方法与数值模拟方法。 实验研究方法可以提供高质量的实验数据，但是耗时耗费，而且难以对各种参数变 化的敏感性进行分析。所以，数值模拟方法成为预测室内气流分布的常用方法。模 拟室内气流分布，认识其基本特性是控制和调节建筑室内环境以及保证人体健康的 主要途径和理论基础。研究室内气流和污染物分布的计算机模拟模型主要有两种： 室内气流模型和多区域模型。前者主要是用计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i d 4 华北电力大学硕士学位论文 d y n a m i c s ，c f d ) 的方法进行研究。后者主要是以认q p c 和c o n t a m ( w a l t o n ，1 9 9 7 ) 为代表。污染源空间分布、污染物释放强度、气流组织等是影响室内污染物浓度场 的主要因素，其中，气流组织是h v a c 专业控制室内空气质量的重要手段。随着计 算机技术的迅速发展和c f d 软件的不断开发与完善，用c f d 计算模拟室内任意一点 的污染物浓度分布已经越来越受到人们的青睐1 3 。 1 9 7 4 年，丹麦的p v n i e l s e n 首次使用计算流体力学( c f d ) 方法对室内空气 流动进行了数值模拟，他利用流函数和涡旋公式求解封闭二维流动方程。n i l a e n 等 又对医院特护病房的气流及污染物分布状况进行了c f d 模拟，从而优化通风设计 1 3 2 】。g o s m a n 利用七一模型对不同几何形状的房间进行了三维数值模拟。美国麻省 理工学院( m i t ) 开发了几个雷诺平均纳维一斯托克斯( r e y n o l d sa v e r a g e d n a v i e r s t o k e s ，r a n s ) 方程模型( 如双层七一紊流模型和零方程模型的c f d 程序) 和大涡模拟l e s ( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，l e s ) 程序，用于模拟计算带有置换通风 的办公室建筑室内空气流速和温度、进行建筑物能量分析和室内热环境设计、评价 建筑物自然通风效果、研究建筑材料的v o c 释放和室内空气品质问题。i s h j h u 和 k a n e k i 利用流函数和涡旋公式数值求解非稳态二维流动方程，预测室内污染物浓度 的分布，并研究了室内通风效率。s t e v e nj e m m e r i c h 等人利用大涡旋模拟技术对三 维房间内热空气流动进行模拟，高级的湍流模拟技术开始更深入的研究。 我国从2 0 世纪8 0 年代开始对c f d 技术在室内环境方面的应用进行研究，魏学 孟等根据七一紊流模型，用差分方法对射流洁净室进行了数值模拟，得到流场分布 和污染物分布特征。刘玉峰等利用c f d 软件模拟计算了两种气流组织方式下室内甲 醛的浓度场，分析了室内浓度场、无因次浓度、空气交换效率的分布规律，并与传 统计算方法的结果进行了比较【3 2 0 4 1 。樊建人等采用大涡模拟方法针对整套住宅，对 其在不同条件下的自然通风及室内空气污染物排放过程进行了数值模拟，计算结果 表明：自然通风时流场中的大尺度涡是污染物积存的主要区域；不同的房间布置产 生不同的流场，从而影响换气效果；一般情况下污染物排放速度与外界风速成正比； 污染物排放主要受对流影响，扩散影响可以忽略，因而不同污染物具有极为相似的 排放规律；室外污染物浓度变化时，室内外污染物相对浓度差的变化过程相似【3 5 】。 目前，国内只有少数几家科研机构和大专院校做了一些有关室内环境方面的研 究工作，但也主要是集中在燃料燃烧、吸烟等以及不同场所的v o c s 的排放、室内 装修及家具所带来的污染、室内环境污染的治理与对人体的健康效应以及对氡的检 测等几个方面的研究上。与国外相比，在研究手段、研究广度和深度上及研究的系 统性差距较大。因此，我国的室内环境研究人员任重而道远。目前，我国将c f d 应 用于室内空气方面的研究大致分为三部分：室内通风状况及气流分布情况的研究、 热舒适度( 温度场) 以及污染物浓度的分布【3 6 3 引。 5 华北电力大学硕士学位论文 1 3 课题的主要工作内容 在深入分析室内挥发性有机污染物的来源、危害和传播机理的基础上，搭建测 量建筑材料v o c s 散发的小型试验台，进行测试和数值模拟，研究其散发特性及其 浓度分布规律。具体工作内容如下： ( 1 ) 搭建测量建筑材料v o c 散发的小型试验台，利用p g m 7 2 4 0 手持式v o c 气体检测仪对建筑装饰板材散发的异丁烯、苯、甲苯和二甲苯进行测量，对测试数 据进行拟合得到污染物浓度变化特性曲线。 ( 2 ) 应用计算流体力学方法对放置有饰面板材的实验房间内污染物的传播进 行数值模拟。模拟得到房间的气流组织及污染物浓度场的分布，并与测试结果进行 分析比较。 ( 3 ) 对自然通风的新装修建筑房间室内空气中的气态污染物进行数值模拟， 分析实际建筑室内污染物散发机理及空间传输过程。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章挥发性有机化合物的散发和传播机理及特性研究 2 1v o c s 的来源及危害 2 1 1 挥发性有机化合物 室内空气污染物质包括颗粒物、气体和蒸气，它们由空间内居住者及其活动产 生或由室外带入，取决于室内空间属性。室内空气传播的物质可能是：由建筑材 料和系统散发和( 或) 脱落产生；由室外空气引发；由建筑运行和维护过程中 产生。这些物质包括生物溶胶、颗粒物( 人造玻璃纤维、燃烧核等) 、挥发性有机 化合物，以及无机和有机气体。 挥发性有机化合物( v o c s ) 是在所有的非工业室内环境中普遍存在的空气污染 物。v o c s 的蒸气压力大约为1 3 一1 3 0 m p a ，包括4 到1 6 碳烷、氯代烃类、乙醇、乙 醛、酮、酯、萜烯、醚类和芳香烃( 如苯和甲苯) 及环烃类。根据世界卫生组织( w h o ) 1 9 8 9 年划分的所有室内有机污染物质分类，分类之间没有明显的界限，以沸点范围 的不同可以分为四类。挥发性有机化合物是指在常压下，沸点范围在5 0 2 6 0 之间 的各种有机化合物，如表2 1 所示【”】。v o c 的特点是在施工中大量挥发，使用中缓t 慢释放，有些具有致癌、致畸、致突变毒性，其中至少有十几种被列入美国国家环 境保护局( e p a ) 和我国国家环境保护总局确定的优先监测污染物名录。 表2 1 室内有机污染物质的分类( w h o ，1 9 8 9 ) 描述缩写沸点范围，蒸气压 极易挥发( 气态的) 有机化合物v v o c l o 2 k p a 挥发性有机化合物 v o c5 0 10 0 到2 4 0 2 6 0 l o 。2 k p a 半挥发性有机物( 杀虫剂、多核 s v o c2 4 0 2 6 0 到3 8 0 4 0lo 1 0 8 l 【p a 芳香烃化合物、可塑剂) 粒状有机化和物或附着于粒状物 上的有机化合物 p o m 3 8 0 2 1 2 挥发性有机化合物的来源 室内空气中挥发性有机污染物的来源不仅受到室外空气污染的影响，还与复杂 的室内装饰材料和室内污染源的排放密切相关，主要来源于三个方面： 7 华北电力大学硕士学位论文 1 ) 室外污染源。如工业排放的废气、汽车尾气、光化学污染物、垃圾焚烧、 植物等。 2 ) 室内污染源。室内装饰材料和生活及办公使用中产生的有机污染物，例如： 建筑装饰材料：壁纸、其他装饰品等： 纤维材料：地毯、挂毯、化纤窗帘等； 有机涂料：含水涂料、油漆、粘合剂、捻缝胶等； 办公用品：油墨、复印机、打印机、修正液等； 生活日用品：化妆品、清洁剂、防腐剂、纺织纤维等； 人为活动：烹调、吸烟等； 室内设备：家具、电视、电脑、空调、冰箱等。 3 ) 室内外兼有的污染源。如油漆、燃料燃烧等。 以下是几种典型材料及器具释放污染物的情况，如表2 2 所示【3 7 4 。 表2 2 几种典型材料及其释放的污染物 室内污染源释放的污染物种类 板材醇类，烷烃，胺类，苯，3 蒈烯，甲醛，萜烯，甲苯 地板及墙面涂层 醋酸酯，醇类，烷烃，胺类，苯，甲醛，甲基苯乙烯，二甲苯 地毯醇类，甲醛，4 甲基乙基苯，4 苯基环已烯，苯乙烯 醋酸酯，丙烯酸酯，醇类，烷烃，胺类，苯，甲醛，甲苯，萜二烯， 涂料、着色剂 聚氨酯 醇类，胺类，苯，癸烷，二甲苯，甲醛，甲苯，萜烯( 粘合剂主要用 粘合剂 于木工板及家具生产) 防水堵漏剂醇类，烷烃，胺类，苯，二乙苯，甲醛，二甲苯，甲基乙基酮 正丁醇，丁氧基乙醇，丁基2 甲基丙基邻苯二甲酸，已内酰胺，甲酚， 电脑电视二异辛基邻苯二甲酸，1 2 甲基环状硅氧烷，2 乙氧基醋酸乙酯，乙醛， 已二酸，3 亚甲基戊酮，臭氧，酚，磷酸，甲苯，二甲苯 乙醇，苯，丁基甲基丙烯酸酯，碳黑，环丙硅氧烷，乙苯，异丙醇， 复印、打印机甲基丙烯酸甲酯，壬醛，臭氧，苯乙烯，萜烯，甲苯，二甲苯，三氯 乙烷，三氯乙烯 由室内空气污染调查和各类建筑材料分析可见，建筑装饰装修材料是当前室内 空气污染的重要发生源，释放或散发出的主要污染物质有甲醛( h c h o ) 、苯( c 6 h 6 ) 、 8 华北电力大学硕士学位论文 甲苯( c 7 h 8 ) 、二甲苯( c 8 h l o ) 、挥发性有机化合物( v o c s ) 、氨( n h 3 ) 、放射性氡( r n ) 等气体成分以及石棉、重金属等少量的悬浮颗粒物。 2 1 3 挥发性有机污染物的危害 近年来，室内空气污染引起的的健康效应被详细的评论。关于住宅和办公室室 内空气品质风险的公共意识越来越强，v o c s 对人体健康的影响，如表2 3 所示。 表2 3v o c s 对人体的影响 v o c s 浓度( m g m 3 ) 刺激与不适感影响范围 2 5 可能发生神经毒性影响发生中毒 室内空气中的挥发性有机化合物对人体的危害很大，长期处在此种环境中会有 以下症状：咽、鼻、喉不适，头痛，皮肤过敏，呼吸困难，恶心，呕吐，疲劳，眩 晕，血清胆固醇降低，血浆胆碱酯酶减少。下面为几种常见室内污染物的危害。 ( 1 ) 苯及苯系物 苯为无色浅黄色透明油状液体，具有强烈芳香的气味，易挥发为蒸气，易燃有 毒。这些物质主要以蒸气形式被吸入，其液体可以被皮肤吸收和摄入。它们主要对 眼、呼吸道和皮肤有刺激性作用，被吸入的苯大约有5 0 7 0 会被肺吸收。苯对人 体的造血功能有抑制作用，会使红细胞、白细胞和血小板减少，苯对造血系统造成 危害，可致贫血、感染、皮下出血等。长期低浓度暴露会伤害听力，导致头痛、头 昏、乏力、苍白、视力减退及平衡功能失调问题。皮肤反复接触苯可导致红肿、干 燥、起水疱，对人体有致癌作用，吸入2 1 0 p p m 的苯可能发展为白血病。在长期严 重暴露后还会有遗传影响。 甲苯在反复暴露情况下如用鼻吸进会使大脑和肾受到永久损害。吸入1 0 0 p p m 的甲苯会对人产生心理影响，吸入2 0 0 p p m 的甲苯会对人体的神经中枢发生作用， 在2 0 0 5 7 0 p p m 甲苯环境下可能会对眼睛黏膜和上呼吸道产生刺激，接触1 0 0 0 0 p p m 的甲苯可能导致死亡。如母亲在怀孕期间严重暴露于甲苯中，婴儿可能会受毒性影 响而产生缺陷。 皮肤接触二甲苯会产生干燥、皲裂和红肿。神经系统会受到损害。还会使肾和 肝受到暂时性损伤。 9 华北电力大学硕士学位论文 苯和甲苯常用作漆料的溶剂，还常用于建筑、装饰材料及人造板家具的溶剂、 添加剂和粘合剂。所有的液体清洁剂中都含有甲苯。木着色剂、塑料管中也含有甲 苯和二甲苯。民用建筑工程室内环境污染控制规范( g b 5 0 3 2 5 2 0 0 1 ) 中规定，民 用建筑工程室内装修所采用的稀释剂和溶剂，严禁使用苯；不应使用苯、甲苯、二 甲苯和汽油进行除油和清除旧油漆作业。 ( 2 ) 甲醛 甲醛在常温下是一种无色、易溶、有刺激性气味的气体，具有活泼的化学性质 和生物学性质。甲醛是世界上公认的潜在致癌物质，长期接触低浓度甲醛引起流泪、 打喷嚏、咳嗽，甚至出现眼结膜炎和支气管炎等症状，高浓度的甲醛对于中枢神经 系统、免疫系统、肝脏等有毒害，刺激眼结膜、呼吸道粘膜而产生流泪、流涕、引 起结膜炎、咽喉炎、哮喘和变态性疾病等。 ( 3 ) 苯乙烯 苯乙烯主要用于制造一些绝缘材料及漆料的溶剂。皮肤反复接触苯乙烯可导致 刺激性皮炎及中枢和周围神经功能障碍，也对呼吸器官造成刺激，导致皮炎和心情 抑郁。2 0 0 一4 0 0 p p m 时对眼睛有短时间的刺激，接触l o o o p p m 的苯乙烯3 0 m i n 会使人 死亡，环境中苯乙烯浓度高于3 7 6 p p m 时人的中枢神经系统会受到损害【4 2 4 5 1 。 为保护人体健康，室内污染物浓度要受到严格控制，特别是新装修的房间更是 要在室内的污染物浓度低于某一限度值后才可以入住，为此根据多年的研究，各个 机构制定了职业安全与健康标准。美国政府工业卫生学者协会( a c g i h ) 回顾每年 的基本资料并公布了( 有害物) 容许最高浓度( 阈限值，t l l r e s h o l dl i m i tv - a l u e s ， t l 、7 卜一个经常性达成一致的合理的安全水平限值。国立职业安全与健康研究所 ( n i o s h ) 公布了推荐暴露极限( r e l ) ，这一极限通常低于a c g i h 发布的阈限值。 职业安全与卫生管理局规定了允许暴露极限( p e l ) ，这是美国唯一的控制标准。联 邦德国制定了最大车间浓度值( m a ) 【i m a l ea r b e i t s p l a t zk o i l z e n t r a t i o n e n ，m a kv a l u e ) 。 然而，所有的这些标准都是显示的工业环境中8 小时的暴露量，通常超过了办公室、 住宅和其他空间内居住者的可接受的水平值。另外，一支加拿大特遣部队发展了关 于室内环境的相似标准。同样地，世界卫生组织已经公布了欧洲的空气品质指导方 针。 在我国，由国家质量监督检验检疫局、卫生部和国家环保局联合制定并发布的 o ( 2 5 ) 式中 k 一装饰材料表面的分隔系数； c o ) 一材料表面空气侧的v o c s 浓度，m m 3 。 1 ) 初始条件 材料内部：c g ，f ) = c 。g ) ， 0s xsl ，f 一0 材料表面：c ，( o ) = c 柚 式中c 。g ) 一材料内部v o c s 任意分布的初始浓度。 ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 2 ) 边界条件 材料底部与不渗透表面接触( 绝质) ，因此下表面边界条件为： 一d 皇至善兰立：o ，了：o ，f o( 2 8 ) d x 1 7 华北电力大学硕士学位论文 材料与空气界面为第三类边界条件： ，；l ：一d 掣：j i z ( e o ) 一g o ”，x ：，f o c 式中 ，f l 一装饰材料表面的单位面积散发速率，m m 2 s ； c j o ) 一材料两侧紧贴建材处空气中v o c 浓度，m m 3 ； g o ) 一房间空气中t 时刻v o c 浓度，m m 3 。 ( 3 ) 房间内主流区( 控制体内) v o c s 质量平衡方程 掣= 崛一训+ 军4 4 掣 式中 一换气次数，t l ； 4 一第i 块材料的特性面积，m 2 ； 1 ) 初始条件 g o ) = o ， f = o ( 2 - 9 ) ( 2 - l o ) ( 2 1 1 ) 2 ) 边界条件 i n l e t 空气速度( 矿) 和挥发性有机化合物浓度( c ) 指定为送风口的边界条件，即 y = 矿。 1 曩码婀 c = c o o ) 式中 y 唧砖一送风口的空气速度； c o o ) 一入口浓度，可以为遵循一定规律的函数，也可以设为o 。 o u t l e t 给定压力，并且回风口法线方向的化合物浓度梯度为o ，即 p = p 咖 1 8 ( 2 一1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 a c ，、 = u 瓠j ( 2 1 5 ) 式中 。一回风口的压力； 一出口法线方向的坐标。 壁面 壁面包括房间的固体壁面和散发材料的表面。如果k 是平行于壁面的空气速度， 是墙表面法线方向的坐标，那么壁面剪切应力f 。表达式为： 铲一考 材料表面 散发材料表面的浓度边界条件是： 一吃警：以要 o x j呶j 剿撇表面：考_ 0 ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 4 ) 对于一种由两层或多层均质材料组成的合成材料，每一层服从方程： 鲁= 考- 鼍) o = 一l ，l a f 苏，i 叙，j 式中 c 一固体材料中的v o c 浓度，m g m 3 ； f 一时间，s ； 屯一坐标( j 2 l ，2 ，3 ) ； d 一固体材料中v o c 的扩散系数，m 2 s 。 1 9 ( 2 - 1 9 ) 华北电力大学硕士学位论文 第三章室内v o c s 浓度测试实验 3 1v o c s 测试对象选择 随着室内空气中挥发性有机化合物研究的不断深入，人体接触到v o c s 的程度 越来越引起人们的关注，人们对v o c s 的研究至少已有2 0 年的历史，然而v o c s 对人体健康的影响及其作用机理和有关空气中v o c s 的健康风险评价仍有许多工作 要做。在评价人体接触对空气中v o c s 的水平时，选择一个合适的生物监测指标对 于监测人体接触未知的有遗传毒性的化学物质或复杂混合物，保障人体健康是十分 必要的。 室内空气中主要的气态污染物有两类：一类是无机污染物，如氨、氡等；另一 类是有机污染物，如苯系物、多环芳烃等挥发性有机化合物( v o c s ) 。现阶段我国 室内挥发性有机污染物主要是甲醛、氨、氡、苯及苯系物、t v o c 等。研究表明， 一般室内空气中v o c s 多达数十种至百种以上，包括脂肪族、芳香族等化合物。挥 发性有机化和物中的苯系物类污染物是室内外普遍存在的挥发性有机污染物。现代 家庭装潢所使用的装饰涂料、油漆制家具、胶粘剂以及化妆品、清洁剂等是室内空 气中苯系物的主要来源。另外由于室内空气中苯系物的排放源很多，从油漆、地板 蜡、空气清新剂、壁纸胶、彩色涂料等8 种室内常用化学品中的挥发性有机物成分 分析中可知，苯系物是挥发性有机物的主要成分。 由于苯及苯系物广泛存在于装饰材料、人造板家具中的黏合剂和油漆中，是密 闭环境中的主要污染物，1 9 8 2 年，苯被列入5 0 种对人类有致癌作用的化学致癌剂 之一，二甲苯、甲苯则可引起皮肤粘膜、心、肺、肝、肾等器官的损害及中枢神经 系统的麻醉。而且苯已被我国癌症研究机构确认为有毒致癌物质，吸入或经皮肤吸 收一定量会引起苯中毒，严重时会对人体造血系统、神经系统造成损伤。国外学者 对室内空气中苯系物等挥发性有机化合物的污染现状及来源分析作了较为深入的 研究，而我国有关这一领域的研究起步较晚。由以上分析以及受到实验条件的限值， 在此选择苯、甲苯和二甲苯作为被检测对象。 苯系物是一类严重危害人体健康的气体污染物。苯系物中毒一般是由于吸入其 蒸气所致，高浓度的蒸气主要对中枢神经系统具有麻醉作用急性毒性与其分子结构 之间无明显关