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人造板TVOC释放多相传质模型及释放特性参数研究

作　者: 曹连英
导　师: 沈隽
学　校: 东北林业大学
专　业: 木材科学与技术
关键词: 人造板挥发性有机化合物多相传质模型释放特性参数
分类号: TS653
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着社会环保意识的增强,挥发性有机化合物(TVOC)寻致的室内空气质量问题,越来越受到人们的重视。居室装修中大量使用人造板,使之成为TVOC的主要来源。欲改善室内空气质量,对室内挥发性有机化合物进行治理,需对人造板TVOC释放机理和影响因素有充分的认识。本论文对市场上常见的室内装修用人造板TVOC释放机理和影响因素进行研究。建立人造板TVOC释放多相传质模型；分析环境因素温度、相对湿度对人造板TVOC释放及释放特性参数的影响；最后给出TVOC释放预测模型和方法。本文围绕装修用人造板挥发性有机污染物释放特性问题进行研究。利用理论分析及实验方法对人造板TVOC释放进行讨论。主要研究内容如下：1.建立人造板TVOC释放多相传质模型室内装修用人造板材是一种常见的多孔材料,其内部是固体骨架与流体的多相混合体。利用Fick定律建立了室内装修用人造板挥发性有机污染物释放多相多维传质模型,并基于人造板几何结构特征厚度较薄特点,将人造板TVOC释放多相多维传质模型简化为一维多相传质模型,并对一维模型进行求解及数值仿真。对国内某厂生产的中密度纤维板TVOC释放进行多相传质模型验证。2.给出人造板TVOC释放参数的估计方法建立人造板TVOC释放参数估计模型,使用两步估计方法,给出人造板TVOC释放参数的估计。首先使用积分近似和泰勒展开方法将热传导偏微分方程化简,反演室内装修用人造板中TVOC释放参数分离系数K、板材内TVOC初始浓度C0和对流传质系数hm的量级范围。然后,基于TVOC释放传质模型,在释放参数K、C0和hm已知的量级基础上,利用最小二乘法给出扩散系数D、分离系数K,板材内TVOC初始浓度C0和对流传质系数hm,的二次估计。并对国内某厂生产的刨花板进行测定,利用模型方法获得释放参数,得到刨花板TVOC释放参数扩散系数量级为10-9～10-11m2/s,分离系数K的量级为103～104,对流传质系数的量级为10-4～10-3m/s,与经验值量级基本一致。3.研究环境条件中温度对人造板TVOC释放的影响以国内几个厂家生产的刨花板P1、P2、P3和P4为研究对象,测试了温度设置分别为15℃、20℃、250℃、30℃和35℃时刨花板的TVOC释放,利用TVOC释放参数估计方法估计不同温度下分离系数、对流传质系数和板材内初始TVOC浓度,使用最小二乘法对估计数据进行非线性拟合,获得温度对释放特性参数的影响规律。结果表明当温度升高时刨花板P1、P2、P3和P4板材内初始TVOC浓度都较显著升高,分离系数K都随着温度的升高反而降低。温度升高提升了刨花板P1、P2、P3和P4的TVOC释放。4.研究环境条件中相对湿度对人造板TVOC释放的影响以国内几个厂家生产的刨花板P1、P2、P3和P4为研究对象,测试了相对湿度设置分别为30%、45%、60%和75%时刨花板的TVOC释放,并给出各个湿度下的释放特性参数分离系数、对流传质系数和板材初始TVOC浓度估计。用线性相关性分析方法讨论了相对湿度对释放特性参数的影响。结果表明当室内环境相对湿度升高时,板材内初始TVOC浓度升高；同时TVOC在空气中的传质系数也显著提高,而分离系数K随着湿度的升高其变化趋势因板材不同而不同。但综合影响表现为相对湿度升高时,板材TVOC释放率增强,其实验结果表现为同种刨花板的小室内TVOC浓度随相对湿度的升高而增加。5.建立人造板TVOC释放预测模型从便捷实用角度出发,分别给出快速预测人造板TVOC释放模型,和较长期预测人造板TVOC释放模型及预测方法。研究表明：快速预测模型利用1个测试点对短期几天内人造板TVOC释放预测有效,但长期预测误差较大。较长期预测模型能对长时间内小室内TVOC浓度进行预测。实验对国内某些厂家生产的刨花板TVOC释放及酮醛类化合物释放进行28天实验测定。利用较长期模型对14天后的TVOC释放进行预测,预测结果与实验结果基本一致。人造板TVOC释放预测模型为人造板TVOC检测、室内空气质量预测与治理提供了方法,为进一步改善室内空气质量提供了科学的依据。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-9
目录  9-15
1 绪论  15-21
  1.1 课题背景  15
  1.2 多孔建筑材料中污染物释放特征  15-17
    1.2.1 多相性特点  16
    1.2.2 多组分特征  16
    1.2.3 多尺度转化特征  16
    1.2.4 多场耦合特征  16-17
  1.3 人造板中TVOC的来源  17
  1.4 TVOC释放研究动态  17-19
  1.5 本文的研究目的意义及主要研究内容  19-21
    1.5.1 研究目的及意义  19-20
    1.5.2 本文的主要研究内容  20-21
2 人造板TVOC释放多相传质模型  21-45
  2.1 多孔介质材料中几个常用物理量  21-25
    2.1.1 孔隙率与弯曲率  21-22
    2.1.2 平均密度与表征元容积  22-24
    2.1.3 物理量连续介质化  24-25
  2.2 菲克定律  25-26
  2.3 人造板TVOC释放多相传质模型的建立  26-35
    2.3.1 人造板板层中TVOC多相传质模型的建立  26-32
    2.3.2 人造板界面层TVOC释放模型  32-33
    2.3.3 实验小室空气层TVOC扩散  33-34
    2.3.4 人造板有机污染物释放多维多相传质数学模型  34-35
  2.4 人造板TVOC释放多相一维传质模型  35-38
  2.5 人造板TVOC释放多相一维传质模型求解  38-42
    2.5.1 分离变量法求解析解  38-39
    2.5.2 数值方法求解小室内TVOC浓度  39-42
  2.6 人造板TVOC释放多相传质模型的验证  42-44
    2.6.1 实验分析  42-43
    2.6.2 数据分析与处理  43-44
  本章小结  44-45
3 人造板有机污染物释放参数的研究  45-69
  3.1 测试原理  46-48
    3.1.1 模型假设  46
    3.1.2 TVOC释放单相传质模型  46-48
    3.1.3 TVOC释放模型解析解  48
  3.2 释放参数的两步估计法  48-56
    3.2.1 对流传质系数、分离系数及板材初始浓度初步估计算法  49-51
    3.2.2 数值化TVOC传质模型  51-53
    3.2.3 TVOC释放特性参数的二步反演算法  53-56
  3.3 实验数据分析与处理  56-61
    3.3.1 实验材料与设备  56-57
    3.3.2 试验条件  57
    3.3.3 测试结果与模型验证  57-61
  3.4 密闭小室测定人造板初始TVOC浓度  61-67
    3.4.1 模型建立与求解  62-64
    3.4.2 模型比较  64
    3.4.3 实验及数据分析  64-67
  本章小结  67-69
4 温度对TVOC释放特性的影响  69-82
  4.1 材料设备与实验方法  69-71
    4.1.1 实验材料与设备  69-70
    4.1.2 试验条件及方法  70-71
    4.1.3 刨花板TVOC释放成分及分析  71
  4.2 TVOC释放简化模型  71-73
    4.2.1 参数计算公式  73
    4.2.2 小室内TVOC浓度函数参数  73
  4.3 数据分析及处理  73-77
    4.3.1 刨花板P1-P4小室内TVOC浓度函数及参数  73-76
    4.3.2 不同温度下释放特性参数的估计  76-77
  4.4 温度对释放特性参数的影响  77-81
    4.4.1 温度对板材初始浓度的影响  78-79
    4.4.2 温度对对流传质系数的影响  79
    4.4.3 温度对分离系数的影响  79-81
    4.4.4 温度对释放率的影响  81
  本章小结  81-82
5 相对湿度对TVOC释放特性的影响  82-92
  5.1 模型建立与求解  82-84
    5.1.1 模型假设与符号  82
    5.1.2 模型建立与求解  82-83
    5.1.3 小室内TVOC浓度函数  83-84
    5.1.4 释放特性参数的计算  84
  5.2 实验设备与实验方法  84-85
    5.2.1 实验设备与试剂  84
    5.2.2 实验材料  84
    5.2.3 实验数据采集  84-85
  5.3 数据处理  85-89
    5.3.1 刨花板不同湿度下TVOC释放  85-87
    5.3.2 刨花板TVOC释放参数的估计  87-89
  5.4 相对湿度对释放特性参数的影响  89-91
  本章小结  91-92
6 刨花板TVOC释放预测模型  92-104
  6.1 人造板TVOC释放快速预测模型建立  92-97
    6.1.1 模型建立  92-94
    6.1.2 模型验证  94-97
  6.2 刨花板TVOC释放长期预测模型  97-103
    6.2.1 刨花板长期预测方法  97-98
    6.2.2 模型验证  98-103
  本章小结  103-104
结论  104-107
参考文献  107-112
附录  112-121
攻读学位期间发表的学术论文  121-122
致谢  122-123

人造板TVOC释放多相传质模型及释放特性参数研究

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