（环境工程专业论文）郑州地区若干居住建筑室内vocs的测试评价与控制方法研究.pdf

中文摘要 随着人们生活水平的提高和城市化进程加快，人们对室内居住环境的要求越 来越高，室内空气质量的优劣直接影响到人们的身体健康、生活质量和工作效率， 建筑材料释放的v o c s 是造成室内空气污染的主要原因。本课题选取郑州市5 个 城区的代表性居住建筑室内v o c s 进行测量和评价，通过对郑州居住建筑室内 v o c s 测试表明：仅有一户夏季室内甲醛浓度超标，其余测试对象v o c s 均符合 室内空气标准。室内家具、装修程度、室外环境、住户的生活习惯等都会引起 v o c s 浓度的差异。夏季室内温度高有利于v o c s 的散发，冬季由于室内相对封 闭导致室内浓度升高。装修所带来的室内环境污染依然不容忽视，一般在装修一 年后，室内v o c s 浓度会降低到合理的水平。与其它城市相比，郑州住宅室内甲 醛属轻度污染。 针对室内空气污染现状，提出了改善室内空气品质的思路和控制措施：污染 源控制、发挥新风效应、v o c s 去除等。本课题对活性炭纤维过滤器吸附室内v o c s 进行了理论分析和实验研究，通过a c f 吸附性能实验，测试过滤器阻力和a c f 吸 附性能，得出结论：过滤器的阻力与流速的平方相关性显著；提高气流速度对滤 除效果提高不大；综合吸附效率和阻力特性，过滤器存在最佳滤速范围；去除效 率有随气体浓度升高先增后降的趋势；经改性后的a c f 对甲醛的吸附性能都有不 同程度的改善，其中以硝酸铜改性的a c f 吸附性能最好；在除菌方面，以铜粒子 活化官能团的除菌效果最好；吸附再生恢复率高，再生效果稳定。同时开展了a c f 过滤器应用分析。 因此，本研究为开展室内空气v o c s 污染控制提供了一定的数据基础和决策 依据，a c f 应用于净化室内空气低阻高效，完全可以应用到空气净化器和空调机 组中。a c f 经表面改性后吸附速率进一步提高，效果更加彻底，特别适于有特殊 净化要求的场合。 关键词：居住建筑室内空气品质挥发性有机物吸附活性炭纤维过滤器 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to f p e 叩l e sl i v i n gc o n d i t i o n sa n du r b a n i z a t i o ni nc h i n a ， h e a l t h ya n dc o m f o r t a b l ei n d o o ra i rq u a “t yi nd w e l l i n g sh a sb e c o m ep e o p l e si n t e n s i v e r e q u i r e m e n t v | o l a t i l e0 唱a n i cc o m p o u n d sw h i c hh a v eg r e a ti m p a c to no c c u p a n t s 。 h e a l t ha n dp r o d u c t i v i t ya r et h em a i nc o n t a m i n a n t s t bi d e n t i 黟t h ep r o b l e m ，as a m p l e s u l v e ya n de v a l u a t eo ff i v ed i 任e r e n tb u i k l i n g si nz h e n g z h o uw a su n d e n a k e n b a s e d o nt h i s ，w ea n a l y z e dt h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ec o n c e n t r a t i o no fi n d o o rp o l l u t a n t sa n d g o tt h ec o n c l u s i o n o n i yo n ef a m i l ys u m m e ri n d o o rv o c sc o n c e n t r a t i o ni so v e r m n o t h e r s a r ea l le l i g i b l e r e 如r b i s h m e n tm a t e r i a l s ，f u m i t u r e ，o c c u p a n t s l i v i n gh a b i t s o u t d o o ra i rq u a l i 够a r et h em a i nf a c t o r sa f f e c t e di a q c o m p a r e dt oo t h e rc i t i e s ，t h e g e n e r a lc o n d i t i o no fz h e n g z h o uc i t yi sr e l a t i v e l yg o o d t bi m p r 0 v ei a q ，t h et h e s i s b r i n g sf o r w a r ds o m es u g g e s t i o n st os o l v ei a q p r o b l e m ， i n c l u d i n g ： c o n t r o lo fc o n t a m i n a n t s s o u r c e s ，n e w 厅e s ha i rs u p p l ya n d d e c o n t a m i n a t i o nt e c h n o l o g y w i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n tr e s e a r c h ，t h e t h e s i sm a k e sr e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o no fa c ff i l t e ri na i rc o n d i t i o n i n gu n i t st od e a l w i t hv o l a t i l eo 唱a n i cc o m p o u n d s f r o mt h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h ，w ef i n d t h a tt h e r e s i s t a n c ei sp r o p o r t i o n a lt 0t h es q u a r eo fa i rv e l o c i 够，o p t i m a lf i l t r a t i o nv e l o c i t ) ，i s r e c o m m e n d e d m o i f i e da c ff i l t e r sa p p a r e n t l yi m p r o v et h ee m c i e n c ya n dv e l o c i t yo f t h ea b s o r p t i o no ff o r m a l d e h y d e ，t h ee f k c to fa c fm o d i 6 e db yc o p p e rn i t r a t ei st h e b e s ta m o n gf o u rs a m p l e s i o nc o p p e rh a ss u p e r i o r i 妙i na i rs t e “l i z a t i o n w h a t sm o r e ， r e g e n e r a t i o ne f r e c to fa c fi ss a t i s 母i n g s o m es u g g e s t i o n sa r ea l s og i v e nt oh e l pt o a p p l yt h i sn e w k i n d6 1 t r a t i o nm a t e r i a li n t op r a c t i c e t h i sw o r kw i l lg i v et h ef i r s th a n dd a t ai ni m p r o v i n gd w e l l i n g si a q ，a n di ta l s o o f j f hs o m er e f e r e n c e st oh v a c d e s i g na n dr e f u r b i s h m e n ti nc h i i l a w i t hl o wr e s i s t a n c e a n dh i 曲e f f i c i e n c y ，i ti sc o n v e n i e n tt om a k ea p p l i c a t i o no f a c ff i l t e ri na i r p u r 币c a t i o n l a s t l ys u m m a r i z e st h ec o n c l u s i o n so f t h i sr e s e a r c ha n dp u t sf o r w a r dt h e 向t u r ew o r k k e yw o r d s ：d w e l l i n g ，i i l d o o ra i rq u a l 咄v o l a t i l e o 唱a n i cc o m p o u n d s ，a d s o r p t i o n ， a c t i v a t e dc a r b o nf i b e r 忭1 t e r 独创性声叫 本人声明所呈交的学位论文是本人衲：导帅指导下进行的研究工作和取得的 研究成爿! ，除r 文中特别) j l f 以标注和致驸之处外，沦文t l ，不包含j 乓他人已经发表 政撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教宵机构的学位或征 书i 斫使月j 过的材料。与我一同工作的同志对卅二硎：乡溯i 做的任何贞献均已在论文中 作了日j j 确的说叫并表示了埘意。 学位论文作者签名：彬签字目期： 哪男年 月曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗叁堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字目期：占l 彩年月沙日 导师签名： 签字日期：庐易年 月珐目够 7 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早硒下匕 近年来，越来越多的国家意识到保护环境、治理污染的紧迫性和重要性，但 人们往往更多地关注室外环境，而忽视了室内的污染。现代人因生活和工作形态 的改变，在室内环境的时间日益变长。据美国环保署( e p a ) 1 9 9 3 1 9 9 4 年对近万 人进行的跟踪调查所得到的数据，人们在各类室内环境中度过的时间高达8 7 2 。 室内空气质量的优劣直接影响到人们的身体健康、生活质量和工作效率。随着经 济的发展和社会的进步，人们对室内居住环境的要求越来越高，这对从事有关人 类居住环境并服务于人类生活舒适性的技术人员提出了新的要求和考验。空调系 统的主要功能是维持室内温度、湿度、洁净度以及空气流速等参数在要求的范围 内。虽然不能单纯依靠空调系统来解决室内空气品质的一切问题，但要求建立以 人为本的空调理念，营造健康舒适的室内环境，做到不仅注重热湿参数，更要注 重室内空气品质的好坏，已是不争的事实。国内外很多的专家针对此问题提出很 多的不同解决方案，这其中的解决之道不乏有启发性的，但至今未有兼除污效果 较高和成本较低之长的独辟见解。 2 0 世纪8 0 年代美国e p a 的总暴露评价方法学研究提供了一个全面评价室 内和室外暴露对人体总暴露贡献的模型，得到结论：对于挥发性有机化合物来说， 通常情况下，室内污染源对人体总暴露的贡献远远高于室外工业污染源。室内空 气污染物由于浓度低、暴露时间长、影响范围广等原因，已引起社会的广泛关注。 其中，建筑材料释放的挥发性有机化合物( v o l a t i l eo 唱a n i cc o m p o u n d s ，v o c s ) 是 造成室内空气污染的主要原因之一，对人体健康的影响具有多样性、潜在性、综 合性、广泛性、累积性【2 j 。 早在3 0 年前，国外发达国家对室内空气污染的研究已从最初的居室燃料燃 烧所导致的c o 、n o x 、s 0 2 为主要污染物的研究转为由建筑材料和装饰装修材 料等释放化学物质( 如甲醛、挥发性有机化合物、氨等) 导致的室内空气污染问题 的研究。对室内空气质量的关注始于2 0 世纪7 0 年代的北欧和北美，正是在那个 时期提出了室内空气品质( i a q ) 的概念。最初，人们把i a q 几乎完全等价于一 系列污染物浓度的指标。美国供热制冷空调工程师学会a s h 凡垣颁布的标准 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 a s h r a e 6 2 1 9 8 9 满足可接受室内空气品质的通风中所作的定义为：良好室 内空气品质应该是空气中已知的污染物达到公认的权威机构所确定的有害浓度 指标，并且处于这种空气中的绝大多数人( 8 0 ) 对此没有表示不满意。纵观i a q 发展的历程，在西方发达国家经历了颗粒物污染阶段以及高浓度化学污染物污染 阶段，如今正走向低浓度污染和微生物污染阶段。 我国从2 0 世纪8 0 年代开始进行室内空气质量问题的研究，当时的室内空气 污染物主要来源于燃料燃烧、烟草烟雾和烹调油烟等。近年来，随着人们生活水 平的提高和住房私有化制度的推进，住房装饰装修成为百姓的消费热点。有些建 筑材料，装饰装修材料的有害物质含量没有得到有效控制，致使多种化学物质进 入室内环境，造成室内环境恶化。国内外的专家学者己对室内空气品质的有关问 题做了一些研究报道，但大多是公共建筑或高层写字楼的空气品质问题，对于普 通家庭或居室内空气品质的报道相对较少，特别是对居室内的v o c s 污染p 】。 1 2 国内外研究现状 国内外研究者和机构在对v o c s 的污染控制上进行了大量的研究，包括实地 调查、实验室测量、理论模型探索和污染控制策略研究等。虽然早在2 0 世纪7 0 年代，国际室内空气科学学会( i n t e m a t i o n a la c a d e m yo fi n d o o ra i rs c i e n c e ) 就提出 了v o c s 概念，但由于室内空气中v o c s 组成复杂，难于检测，所以一直没有突 破性进展。复合材料中的甲醛、v o c s 释放周期很长，所造成的污染很难在短时 间内解决，研究表明：室内空气中已发现的v o c s 达9 0 0 种以上，约3 0 0 种对室 内空气特性产生影响【4 1 。这些v o c s 中，绝大多数来源于建筑装饰材料、室内家 具等生产过程中使用的粘结剂。m o l h a v e 【5 】研究了6 2 种建筑材料中经常出现的化 合物，发现它们中的8 4 是刺激物，2 8 的化合物被确认为致癌物质。 1 2 1 国外研究现状 关于v o c s 的研究国外开展的比较早，目前倾向于定量研究，如确定各种涂 料、粘合剂、油漆及地毯等各种v o c s 的含量。当前国外研究主要集中在：( 1 ) 对住宅、办公室等实际环境中v o c s 进行实测分析与调查研究，了解现状；( 2 ) 用环境小室研究材料散发特性及其影响散发的主要因素；( 3 ) 通过建立物理模型 或经验模型掌握其散发规律。目前许多国家都成立了专门机构来研究v o c s 。文 献【6 】指出，五个丹麦研究机构正在合作研究“健康建筑”项目，它们的研究项目 分为三个子课题：第一个子课题是全面研究室内污染源，特别是来自建筑材料和 h v a c 系统部件的挥发物；第二个子课题是研究室内空气中的v o c s 的传输过程； 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第三个子课题是基于前两个子课题的成果研究室内空气品质对人体健康的影响。 瑞典学者对一个三层木质结构建筑进行了三个月的t v o c 测量，指出三个 月后t v o c 的量为开始的十分之一。瑞典公寓中平均v o c s 浓度为3 1 0 嵋m 3 ， 居民家庭为4 7 0 嵋m 3 【刀。加拿大学利8 】对3 7 种典型的加拿大民用住宅用的建筑 装饰材料所发散的v o c s 进行了测量，得出了这些材料的v o c s 的数据库，为建 筑师选用建筑装饰材料提供了参考。加拿大高级房屋计划( c a n a d i a na d v a n c e d h 0 u s e sp r o g r a m ) 和健康i 也0 0 0 房屋计划( h e a l t h i e rr 2 0 0 0h o u s e sp r o g m m ) 对室内 空气品质作了指导性的规定。日本学者对东京已建成的5 3 5 年的1 1 个住宅进行 v o c s 测量的结果，发现这些建筑物中产生的v o c s 主要为乙基苯、间，邻一二甲 苯、苯乙烯、p 蒎烯、二氯甲苯、癸烷、壬醛，所测得的室内t v o c 的浓度为 1 9 0 6 4 3 鸺m 3 【9 1 。h o 起s o n 【1 0 】在美国佛罗里达州所做的试验中发现甲醛及其它 v o c s ；h i r o s h iy o s h i n o 通过测定不同国家的六个城市，分别是丹麦的哥本哈根、 芬兰的赫尔辛基、德国的汉堡以及中国的三个城市( 北京、长沙和成都) ，得出 中国的三个城市的v o c s 污染是最严重的。 国外有关机构己敦促建筑师、工程师、房产开发商和管理人员使用低挥发 v o c s 的建筑材料和装饰材料。为研究建筑材料和装饰材料的v o c s 的产生量， 目前世界上已有三个体积为5 5m 3 ( 5 4 2 7 5m 3 ) 的全尺寸实验室，它们分别是 i r c n r c ，n r m r l u s e p a 和c s i r oa u s 昀l i a 。这些实验室均是用不锈钢做的， 它们有加热、通风、空气调节系统( 包括蒸汽加湿、去湿干燥器、活性碳过滤器 和一个h e p a 过滤器) 。所有部件包括加热盘管、冷却盘管、风扇和大部分的管 道都是用不锈钢做的，目的是为减少内壁v o c s 的产生量。为使各实验室所测得 的数据有可比性及可靠性，欧洲已建立了对室内污染物测量方法、选样方法、数 据分析方法、结果整理方法等统一的协定方案j 。 1 9 9 5 年，联邦顾问委员会( f e d e r a la d v i s o 巧c o m m i t t e e ) 发布了一个纲领性 文件，指出了人暴露在不同v o c s 浓度下的反应，如在0 3m m 3 3m g m 3 的浓 度范围内，人的反应是刺激与不适；若大于3m m 3 ，就会引起人们的抱怨，而 超过2 5m g m 3 以后，人们就会感到痛苦，甚至出现病变。在a s h 凡址标准 6 2 1 9 8 9 r ( 1 9 9 6 ) 中推荐的t v o c 的浓度值为不超过1 om m 3 ，基于这些标准， t v o c 的不会引起人们反应的浓度值应该控制在0 2m m 3 以下。但是鉴于涂料、 装饰材料等大量用于家居装潢中，控制到这个浓度还是很难实现的。 1 2 2 国内研究现状 目前，国内学者对v o c s 的研究主要是从定性的角度来进行。首先是确定 了室内常用装饰材料散发的不同v o c s ，比如说胶合板中主要含甲醛、苯、甲苯、 天津大学硕士学位论文第一章绪论 乙苯、二甲苯等2 0 种v o c s ；壁纸中主要含甲醛、甲苯、乙苯等3 5 种v o c s ； 彩色涂料中主要含甲苯、乙苯、二甲苯等i6 0 种v o c s ；地板蜡中含癸烷、十一 烷、十二烷等共5 8 种v o c s 【1 2 】。更进一步的研究是关于v o c s 的扩散系数、初 始含量以及对流传质系数对房间内v o c s 浓度的影响。文献【1 3 】用一个环境实验 小室对中国生产的八种室内材料黑漆、地板清洁剂、地板蜡、空气清新剂、地毯 背面粘接剂、墙纸粘接剂和彩色墙纸进行了测量，发现它们散发的v o c s 种类达 3 3 0 种，且其发生率不等，从其列出的对油漆的测量结果可以看出在前3 0 分钟 内t v o c 的量随着时间的增加而增加，然后才是减小。文献【1 4 】作者在1 9 9 5 年 冬天对两个刚装修的居民房和一个未装修的居民房进行了长达两个半月的v o c s 测量，发现这些房间中的甲醇、乙醇、戊烷、己烷、苯、庚烷、环己烷、甲苯、 二甲苯、乙基苯的产生量均不同。 国内也做过大量的检测实验，司马冰1 15 j 等对深圳市的1 9 家行政、企事业单 位和8 户居民住宅共4 5 个单元房( 屋) 进行了室内v o c s 检测，检出2 0 种挥发性 有机化合物，其中甲醛检出率为1 0 0 ，其次是甲苯、二甲苯、苯、乙苯，甲醛 的平均检出浓度最高，达6 1 6 昭m 3 。陈迪云1 1 刨等于2 0 0 0 年9 月对广州市各类室内 建筑进行了v o c s 调查研究，共检出5 2 种挥发性有机化合物。t v o c 浓度在 1 5 4 2 1 8 9 州m 3 范围内，其中以卤代烷烃和卤代芳香烃最多，共2 4 种。检出物 中有1 ，3 丁二醇、甲苯、邻二甲苯、对二甲苯、间二甲苯、二氯甲烷、三氯乙烷、 四氯化碳、三氯乙烯、苄基氯、1 ，4 二氯苯、甲醛等1 2 种属于美国清洁空气法优 先控制污染物。王伯光【1 7 】等对广州8 种典型室内环境中6 2 种v o c s 特征和分布 进行监测结果表明：( 1 ) 从低到高：家庭、歌舞厅、宾馆、餐厅、图书馆、办公 室、大型商业城和停车库室内空气中t v o c 平均浓度分别为0 2 1 4 、o 2 7 1 、0 4 7 1 、 0 4 7 6 、o 5 5 6 、0 9 l o 、1 1 7 7 和2 1 9m 2 m 3 ，与国外文献基本一致。室外以白云 山为背景平均浓度为o 2 1 3m g m 3 ，略低于家庭；( 2 ) 不同类型室内空气中的v o c s 组成有明显的特征：家庭、餐厅中卤代烷烃比例较高；办公室和歌舞厅由于距离 交通排放源较近，v o c s 污染主要以苯系物为主，醇醚酯类和含氧化合物在图书 馆占有较高的比例。龚幸颐 18 】等对北京大学校园区内教师和学生住所及公共场所 室内空气中的v o c s 进行调查表明：大多数室内空间的t v o c 在0 2 2m g m 3 范 围内，同王伯光的研究基本一致，但最小浓度比10 0 户英国家庭的均值o 1 2m g m 3 高一倍，另外通风条件、季节变化、人员活动对t v o c 浓度有重要的影响。 目前我国城市室内空气中v o c s 污染主要来自于室内装修，王玲玲【l 州对郑州 市新装修居室的监测表明：装修三个月内的居室各项指标污染最为严重，t v o c 超标率高达1 0 0 ，平均浓度为2 1 7m 2 m 3 ，装修一年后的办公室苯的平均浓度 为0 0 8 lm g m 3 ，t v o c 平均浓度为o 6 9m g m 3 ，超标率为5 4 ，而未装修或装 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 修时间在三年以上的居室和办公室内苯系物和t v o c 的浓度均低于标准水平， 说明室内空气中v o c s 污染主要来自于装修材料的释放，而且v o c s 的浓度随着 装修时间的增加逐渐呈下降趋势。同时还发现，经过装修的家庭室内空气 表1 1室内空气质量标准主要控制指标【2 3 】 注：a 新风量要求标准值，除温度、相对湿度外的其它参数要求标准值； ， b 达到此水平建议采取干预行动以降低室内氡浓度 中，检出率最高的是苯、甲苯、二甲苯等苯系物和乙酸乙酯、乙酸丁酯等低分子 酯类以及环己酮、戊醛、丁醛等低分子醛酮类和蒎烯类，卤代烃中氯仿和三氯乙 烯的检出率较高俐。钟天祥【2 1 1 研究证实这些卤代烃和装修时间之间无明显相关 天津大学硕士学位论文第一章绪论 性，这可能和其污染源不同有关，氯仿和三氯乙烯在我国被普遍用来做自来水消 毒剂和衣物干洗剂。 尽管国内外的研究重点不同，但从目前开展的大量国内外研究中可以看出 对v o c s 污染的重视。基于污染物含量与人体健康效应的关系，不同国家也都制 定了室内污染物的限量标准【2 2 】：德国卫生协会将v o c s 控制限值定为0 3m g m 3 ； 美国卫生协会定为1m g m 3 ；澳大利亚国家健康协会定为0 5m g m 3 ( 1 0 0p p b ) ； 日本在2 0 0 2 年修订了建筑标准，将不引起反应的v o c s 的浓度定为0 4m g m 3 。 我国在2 0 0 2 年7 月1 日开始实施的室内装饰装修有害物质限量十项强制性 国家标准，加上室内空气质量标准( g b t 1 8 8 8 3 2 0 0 2 ) 共同构成了我国比较 完整的室内环境污染控制标准。 1 3 存在问题 1 ) 建筑由于建成年代、结构、建筑材料、装饰装修和人为因素等原因导致 室内空气中v o c s 种类和数量差异很大。v o c s 健康效应的研究远不及甲醛清楚， 这是由于v o c s 并非单一的化合物，各组分之间的协同作用( 相加、相乘、拮抗 和独立作用) 关系较难了解，各国各地不同时间地点所测的v o c s 组分也不同1 2 j 。 这些问题给v o c s 的检测、控制和健康效应的研究带来了一系列的困难。 2 ) 室内空气污染物在种类、数量上都随建筑物的地点、种类、用途和室外 空气污染状况的变化而变化。解决这一问题的有效方法就是在室内增加空气净化 设备，目前使用的空气净化设备对净化多种污染气体能力普遍较差。基于上述原 因本研究提出了利用活性炭纤维过滤器净化室内污染气体，研究了活性炭纤维过 滤器的性能、特点，分析了影响过滤器过滤效率的因素。 3 ) v o c s 处理设备的研制情况。近年来，去除室内空气中v o c s 越来越受 到研究人员的关注。利用吸附手段去除甲醛，至目前为止还没有很完整和成功的 研究成果公布擎圈外的一些企业在这方面投入了大量的资金进行研究，如世界最 大的过滤器生产企业c a m f i l 公司、v o k e sa i rf i l t r a t i o n 公司开发了各种不同用途 的的活性炭空气过滤器。 4 ) 目前国内大多数关于多孔碳材料对室内空气污染物的吸附研究主要停留 在吸附容量等基本吸附性能方面。关于去除效率、湿度对吸附过程的影响，不同 污染物的竞争吸附的系统研究尚未见报道。关于活性炭吸附净化的理论研究主要 集中在吸附条件的改变对净化性能的影响和活性炭表面改性上。通过表面化学改 性，可增加多孔碳材料的吸附能力或使其具有新的吸附性能。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 研究主要内容和方法 1 4 1 现场测试 通过问卷调查和现场测试分析郑州市住宅室内、外及个人暴露污染水平， 分析对室内甲醛和挥发性有机物v o c s 的来源和污染现状及影响室内散发的因 素。进一步了解当前我国城市在快速发展的进程中，城市功能化对居民居住环 境的影响及因装修带来的甲醛和v o c s 污染的程度和超标情况。个人暴露浓度 的测试与分析可以为暴露效应的关系研究提供一定资料，确定可接受的效应水 平，从而为室内空气质量标准中v o c s 标准建立提供依据；探讨改善室内空气 品质的措施和方法。 1 4 2 实验研究 对活性炭纤维过滤器吸附室内v o c s 进行了理论分析和实验研究，进行 a c f 吸附性能实验，测试过滤器阻力和a c f 吸附性能。通过对a c f 进行改性， 提高a c f 对甲醛类物质的吸附能力，同时分析改性活性炭纤维对甲醛去除影 响因素。设计出性价比合理的活性炭纤维吸附形式，以便推广开发和批量生产。 1 5 研究目的和意义 开展本课题的研究目的是通过对我国城市典型居民建筑污染状况进行实测 分析，了解郑州地区住宅室内空气污染现状，确定目前郑州市区室内空气中存在 的主要污染物及其含量，以及室内装饰材料的种类、用量等因素对室内空气质量 的影响，室内空气污染物在装修后的浓度衰减变化规律等。据此对郑州乃至全国 其它城市的室内空气污染控制提供一些思路，探讨改善室内空气品质的途径和控 制措施。利用改性活性炭纤维的吸附功能，改善室内空气品质，对提高人们身体 健康水平，提高工作效率，改善空调机组的运行性能，延长机组使用寿命等具有 一定的社会效益和经济效益。 天津大学硕士学位论文第二章室内主要污染物及检测方法 第二章室内主要污染物及检测方法 2 1 室内环境污染的特点 1 ) 影响范围广 室内环境不同于特定的工矿企业环境，包括居室环境、办公室环境、交通工 具内环境、娱乐场所环境和医院环境等，故所涉及的人群数量大，几乎包括了整 个年龄纠2 4 】 2 ) 接触时间长 人一生中一半以上的时间是在室内度过的，一些调查表明，即使浓度很低的 污染物，在长期作用于人体后，也会影响人体健康1 2 扪。 3 ) 污染物种类多、浓度高 很多室内环境特别是刚装修完毕的，从各种装修材料中释放出来的污染物浓 度较高，如果在通风换气不充分的条件下污染物不易排放到室外，使得室内污染 物浓度很高，严重时室内污染物浓度可超过室外的几十倍之多。除了甲醛、氨气、 苯、甲苯、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等己知的污染物外，随着各种新材料 新技术在装饰装修上的应用以及检测技术的进步，还会有更多的的污染物质被人 们所认识1 2 6 j 。 4 ) 污染物释放周期长 对于从装修材料中释放出来的污染物，尽管在通风充足的条件下，它还是能 不停地从材料中释放出来，使室内空气受到污染。有研究表明甲醛的释放可达十 几年之久，而对于放射性污染其发生危害作用的时间可能更长。 2 2 室内污染物来源 据世界卫生组织估计，目前世界上有约3 0 的新建和装修的建筑物受病态 建筑物综合症( s b s ) 影响。室内空气中存在的污染物既有生物性污染物，如细 菌，又有化学性污染物如甲醛、氨气、苯、甲苯、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化 物、二氧化硫等，还有放射性污染物氡及其子体。室内污染物来源可分为室外来 源、室内来源和在室人员三方面。 天津大学硕士学位论文 第二章室内主要污染物及检测方法 1 ) 室外污染源 工业企业排放的有害物质或有害气体，交通运输工具排放的废气，外界环境 污染气体还有花木树丛产生的花粉及孢子，这些大气中的污染物均可通过门窗、 孔隙或其它管道缝隙等途径进入室内【2 7 1 。主要污染物有s 0 2 、n o x 、烟雾、硫化 氢等；而氡可通过房屋的地基进入室内；水中可能存在的病菌或化学污染物( 如 军团菌、苯等) 也有可能进入室内。 2 ) 室内来源 主要是建筑材料、装修装饰材料、家具、胶粘剂等其他物品，有害气体为 v o c s ，如苯、甲醇、甲醛；在密闭、通风很差和空气潮湿的环境，很容易滋生 霉菌等微生物，还能促使生物性有机物( 如垃圾、生活污水) 在微生物作用下产生 有害气体，常见的有n h 3 、h 2 s 等。 3 ) 人类自身及与人类日常活动相关的污染源 烹饪，吸烟，使用复印机、涂改液，喷涂清洁剂、杀虫剂等。室内人员本身 要进行人体的新陈代谢，产生大量的废气、汗臭、细菌等。为了稀释室内有害物， 需向室内提供必要的新鲜空气，表2 1 列出人体散发气体污染物种类及发生量。 人在室内抽烟也会散发出大量气体污染物，使空气品质变差，见表2 2 。 表2 1 人体散发气体污染物种类及发生量 ( 岭h ) 日常生活中杀虫剂的使用也是导致现代居室空气品质下降的一大原因。美 国新泽西大学环保系的研究人员对一套公寓内使用杀虫剂引起室内空气污染的 状况作了研究。在通风率为0 5a c h ( a i rc h a n g ep e rh o u r ) 时，v o c s 的浓度在1 2 小时内达到最高值2 3 0 3 5 0m g m 3 ，若追求更好的杀虫效果而紧闭门窗会产生更 高的v o c s 【3 0 】。大量研究表明，厨房炉灶炊事时释放出的污染物是室内空气污染 的主要来源之一。江苏省卫生防疫站对民用新型燃料在燃烧时所产生的有害气体 的污染程度进行了测定1 3j j 结果表明，燃烧1 2 0 分钟后，通风条件下室内甲醇和甲 醛平均浓度分别为3 9 1m m 3 和o 1m g m 3 ，不通风条件下分别为1 1 7 8m g m 3 和 天津大学硕士学位论文 第二章室内主要污染物及检测方法 o 4 9m m 3 。使用煤气燃烧源会产生硫氧化物、氮氧化物、二氧化碳、一氧化碳、 油雾等污染物质。 表2 2 香烟散发的气溶胶及气体污染物例 ( m g 支) 不同类别的污染源释放的v o c s 不同，按随时间衰减的范围可分为一次源和 二次源：一次源是指非结合的v o c s ，通常他们摩尔质量较小，比如溶剂残留物、 添加剂、增塑剂、催化剂和单分子低活性物质等。二次源是指v o c s 在不同的物 理、化学条件下产生的物理、化学结合物。例如混凝土基层可以使p v c 地板材 料中的酞酸盐发生水解反应，产生醇类；温度的升高可以加速聚合物结构的热分 解起到催化剂的作用；室内环境中的v o c s 与不同的氧化剂作用会导致吸收过程 和氧化过程。二次源在形成过程中可能产生突然、剧烈的室内空气污染问题【2 | 。 2 3 室内主要的污染物健康效应 2 3 1 甲醛的来源及危害 随着人们生活水平的提高，室内装修日益普及，房间密闭性越来越好。由装 饰材料中释放出的甲醛已成为室内空气的主要污染物。甲醛是一种无色、具有强 烈刺激性的易挥发性有机物，沸点为1 9 。室内甲醛主要来自装修材料及家具、 吸烟、燃料和烹饪。它的释放速率除与家用物品所含的甲醛有关外，还与气温、 湿度、风速有关。气温越高，甲醛释放越快；反之亦然。其对室内暴露者的健康 影响主要是嗅到异昧，刺激眼和呼吸道粘膜等，如引起眼红、眼痒、流泪、咽喉 干燥发痒等症状。1 9 9 5 年国际癌症研究中心已将甲醛作为人类可疑致癌物对待。 污染来源主要来自以下二方面：工业上主要用于制造树脂、油漆、塑料、胶合板 等；日常生活中，装饰材料中大量使用含醛树脂、脲醛泡沫塑料、含醛油漆等可 导致居室空气中甲醛浓度达0 0 5 2m g m 3 。表2 3 为甲醛暴露一剂量反应关系。 中国室内装饰协会室内环境监测工作委员会2 0 0 4 年检测的北京1 4 0 0 户新 天津大学硕士学位论文第二章室内主要污染物及检测方法 装修家庭中，甲醛超标的占6 0 ，甲醛浓度平均超过国家标准4 倍；青岛市产 表2 3甲醛暴露一剂量反应关系 甲醛浓度( m g m 3 ) 人体反应 0 o 0 0 5 o 0 5 1 0 0 0 1 2 o 0 1 2 5 5 o 3 0 5 0 1 0 0 1 0 0 无刺激和不适 嗅域值 神经生理学影响 上呼吸道刺激反应 呼吸系统和肺部刺激反应 肺部水肿及肺炎 死亡 品质量监督检验所对8 5 处住房进行空气质量检测，结果有7 0 的房子空气质量 不合格，主要是甲醛超标引起空气污染。南京市室内环境监测中心对3 6 5 户家庭 室内空气所作的抽样监测显示，八成以上的新装修居民家中空气环境存在污染问 题，以甲醛和苯为最主要的污染源，实测居室空气中甲醛的7 5 倍；深圳市计量 质量检测研究院2 0 0 4 年l 至7 月份，共对该市4 0 0 多套房子进行了室内环境检 测。检测结果表明，4 0 0 多套房子中9 0 甲醛超标。人们通常接触的是低浓度甲 醛，因此我们更关心低浓度甲醛引起的健康效应。长期接触低浓度甲醛( o 0 0 1 7 m m 3 o 0 6 8m m 3 ) ，虽然引起的症状强度较弱，但症状与甲醛产生的急性效应 是一致的。 2 3 2v o c s 危害 1 ) v o c s 分类及危害 v o c s 污染在联合国1 9 9 1 年通过有关v o c 跨国大气污染议定书后受到 格外注意，v o c s 是一大类重要的室内空气污染物。w h o 将v o c s 定义为室温 下饱和蒸汽压超过1 3 3 3 2 2p a 、沸点在5 0 2 6 0 之间，在常温下可以通过蒸发 以气态形式存在于空气中的易挥发性有机化合物。室内v o c s 种类繁多，芬兰学 者r u f u sd e d w a r d s2 0 0 1 年在对赫尔辛基居室和工作场所的有机污染物调查中共 检测到了3 2 3 种挥发性有机化合物【3 2 1 ，我国科研工作者在对装修时间三年以内的 居室的监测中检出v o c s2 5 6 种1 3 引，这些化合物可大致可分为表2 4 中所示的九 大类【3 4 】，非工业性室内环境中可检测到5 0 3 0 0 种挥发性有机化合物【3 5 】。它们多 数都以微量和痕量水平存在，每种化合物很少超过5 0 蚓m 3 的水平。较高的v o c s 浓度主要归因于室内暂时的强污染源。 一些v o c s 是剧毒物质，如某些树脂、含氯化合物( 氯乙烯等) 和有机磷化合 天津大学硕士学位论文第二章室内主要污染物及检测方法 物等；更多的是毒性较小的v o c s ，如醛、酮、烷烃和苯环系列及其衍生物等。 有些有毒的v o c s ( 如芳香烃等) 在环境中的存在会损害人们的健康，长时间暴 露在被这些物质污染的空气中会引发癌变或引起其他严重疾病，甚至致死。另外， v o c s 是光化学反应的前驱体，有阳光照射时在合适的条件下v o c s 与n o x 及 其他悬浮化学物质发生一系列光化学反应，主要生成臭氧形成光化学烟雾，从 而发生光化学污染【36 | 。由此可见，室内v o c s 的污染呈现多元化、交叉性的特点。 m o l h a v e 据室内v o c s 对人体的影响的不同，对其浓度进行了划分，该划分原则 通常作为权威引用或作为指导，划分原则见表2 5 。 表2 4 室内v o c s 分类和典型代表物1 3 4 】 化学分类 典型代表物 芳香烃 饱和脂肪烃 不饱和脂肪烃环烷烃 萜烯类 脂肪醇类 醛酮类 脂肪酸类 酯类 卤代烃类 苯甲苯乙苯二甲苯苯乙烯萘乙炔苯 正己烷甲基正戊烷c 6 c 1 2 环己烷甲基环己烷 萜烯0 【( p ) 一萜烯 戊醇异辛醇 丁醛壬醛环戊酮环己酮 辛酸庚酸 乙酸乙酯乙酸丁酯 三氯甲烷l ，4 一二氯苯 注：甲醛、乙醛、丙烯酸因其反应性或对热的不稳定性不易从吸附剂上 回收或用气相色谱仪进行分析不属于挥发性有机化合物的范围 表2 5v o c s 的试验性剂量一反应关系【5 】 2 ) 苯系物 苯系物是室内v o c s 中主要组成成分之一，其所表现出的毒性、刺激性、致 癌作用和其具有的特殊气味，能导致人体呈现种种不适反应，对人体健康造成较 天津大学硕士学位论文 第二章室内主要污染物及检测方法 大影响。苯有芳香气味、无色、易挥发、易燃，被国际癌症研究机构确认为有毒 的致癌物质。苯属于中等毒类物质，对中枢神经、血液的作用最强，当带有烷基 侧链时，则对粘膜的刺激性及麻醉性增强。急性中毒主要对中枢神经系统有毒害， 慢性中毒主要对造血组织及神经系统有损害。对接触苯的工人来说长期吸入2 1 0 p p m 的苯有可能造成血液病。另外，苯还能诱发染色体畸变。甲苯的急性毒性比 苯的毒性大，但没有证据证实甲苯会引起严重血液病，吸入1 0 0p p m 的甲苯会对 人产生心理影响，吸入2 0 0p p m 的甲苯会对人的神经中枢发生作用。在2 0 0 5 7 0 p p m 环境下也会造成对眼睛黏膜和上呼吸道的刺激。美国e p a 现作出了污染源分 类数据库，这个数据库含有材料的v o c s 散发量及毒性【3 7 】。 3 ) 苯乙烯 苯乙烯是重要的工业生产原料和溶剂，广泛用于合成一些工程塑料、丁苯橡 胶、合成树脂等。苯乙烯主要经呼吸道吸入蒸汽而引起中毒，也可经皮肤和消化 道吸收，经体内氧化酶的氧化转化产生的中间产物具有许多生物毒性。苯乙烯的 化学结构与致突变剂和致癌剂氯乙烯相似，经代谢活化也是一种潜在的突变剂。 长期接触苯乙烯可产生神经系统、视觉、消化系统、心血管系统等损害。 2 4v o c s 的散发机理和影响因素 2 4 1v o c s 的扩散机理 目前使用的胶合板、复合板、粘合剂、油漆等装饰材料可大量释放诸如甲醛、 苯、甲苯、二甲苯等多种危害人体健康的挥发性有机化合物。这些材料中v o c s 的散发包括几个质传递过程，这些过程相互作用，它们对v o c s 的散发过程的影 响相当复杂。通常v o c s 的散发过程可认为源于下面两个主要过程【3 8 j ：表面散发 和材料内部的扩散。表面散发由几种机理共同作用，包括蒸发和对流。材料内部 v o c s 的扩散是浓度梯度、压力梯度、温度梯度及密度梯度共同作用的结果。菲 克第二定律( f i c k ss e c o n dl a w ) 可用于描述该过程： 盎，1，、 兰：d ( v 2 c 。) ( 2 一1 ) 式中，d 质扩散系数 v 指在x ，y ，z 坐标轴上的拉普拉斯算子 c f 指v o c 在空气中的浓度 c 一指v o c 在板材中的浓度 天津大学硕士学位论文第二章室内主要污染物及检测方法 每种化合物都有自己的质扩散系数，与其相对分子质量、分子体积、温度及 与被扩散的物质特性有关。对于表面散发而言，v o c s 的散发率会受到空气中 v o c s 浓度、气流速度及温度等因素的影响。根据材料的不同v o c s 的产生率可 能由上述一个或两个因素起决定作用。只要v o c s 在材料表面和周围空气之间存 在浓度梯度，就会发生表面散发。该现象可以用以下方程描述： 髟= 丸( c 5 一c j ( 2 2 ) 式中，e 。化学物质a 的表面散发