多孔建材VOC迁移及静电场对其行为影响研究

发布时间：2020-07-01 01:17

【摘要】：室内环境的空气品质对人类的身心健康和生活质量会产生显著的影响,而室内建筑材料所散发出的可挥发性有机挥发物(volatile organic compounds,VOC)是造成室内空气品质恶化,引起多种病态建筑综合症的重要原因。因此,针对建筑板材这一典型的VOC污染源,探索其内部VOC迁移行为特征,发展建材VOC强化脱除技术,可以从源头上控制建筑材料VOC的散发,提高室内空气环境质量正日益受到人们的重视。目前,从微观孔隙尺度探索的多孔建材孔隙结构内的VOC迁移行为机制的研究尚不够深入,建材孔隙结构对VOC迁移影响机制还没有得到全面揭示。而探索非热外场强化建材VOC迁移脱除方法方面的研究也几乎是一个空白。为此,本文引入分形重构方法对典型建筑板材的孔隙结构进行重构,并结合实验和理论研究方法,在多个空间尺度层次上对建材VOC包括脱附、扩散、散发在内的迁移行为以及外加静电场对其影响机理进行了分析研究,主要研究内容和结论如下:(1)设计搭建了建材甲醛散发特性密封舱实验系统,开展了刨花板材的甲醛散发特性实验,获得了对刨花板材甲醛散发过程密封舱内瞬态浓度曲线,并基于足迹法的基本原理分析了舱内温度和外加静电场场强对刨花板甲醛散发关键参数的影响规律。实验研究结果表明,温度场对建材甲醛散发关键参数具有非常显著的影响,甲醛的传质扩散系数随温度上升而明显升高,而与此相反地,甲醛吸附分配系数却随温度升高而单调下降。通过外加静电场作用下建材甲醛散发特性实验发现外加静电场对甲醛散发关键参数有一定的影响,尤其是对其吸附分配系数影响较为明显。外加静电场场强与甲醛吸附分配系数之间呈现出明显的指数函数关系。(2)开展了多孔建筑板材孔隙结构特征的分形分析以及分形重构工作。通过观测建筑板材的微观结构,发现建筑板材的孔隙结构呈现出明显的各向异性特征,多孔建筑板材二维孔隙结构的拓扑特征适合于用分形几何理论来描述。基于二维的多孔建材结构的分形特性,引入了基于分形布朗运动理论的随机中点位移算法,实现二维和三维分形多孔材料的孔隙结构重构。并通过滤波变换的方法得到各项异性的分形布朗运动结构,发展了各项异性的二维和三维多孔结构重构方法,并应用于多孔建材的孔隙结构重构研究。(3)发展了基于混合动理学的格子-Boltzmann模型,对二维和三维分形重构多孔介质孔隙结构内VOC扩散迁移行为进行系统的模拟研究。结果表明:孔隙结构分形特征对多孔材料的有效扩散系数有着非常明显的影响。随着Hurst指数减小,孔隙结构的曲迂度增加,有效扩散系数显著降低。对于各向异性的多孔结构,气体在各个方向扩散时的有效扩散系数也有很大的区别。在平行于各向异性强化方向有效扩散系数随孔隙的增加呈现线性变化,而在垂直于各向异性强化方向则有比较明显的非线性变化特征。在非连续区间的多元组分混合气体的扩散过程中,微尺度的Knudsen扩散阻力对以大分子VOC气体组分的影响要大于氮气等相对分子量较小的气体组分。(4)在分子尺度,基于密度泛函理论模拟了外加静电场对甲醛分子与建材纤维素分子吸附的影响机制,结果发现:随着电场强度的增加,甲醛分子和建材基质之间的吸附势降低,吸附势与电场强度符合指数关系预测。(5)建立耦合VOC吸/脱附过程LBM模型,通过数值模拟手段研究了建材孔隙结构内VOC迁移行为以及静电场对其的影响规律。结果发现:施加电场作用后会造成甲醛分子迅速从固相基质上脱附,从而造成迁移初期孔隙内有较高的甲醛浓度,在压力和浓度梯度的共同驱动下,甲醛向孔隙外部的散发速度增加。而随着迁移时间的持续,孔隙内的压力逐渐下降,不同电场强度造成的甲醛浓度下降速率差异逐渐减小。本文工作较为系统的分析了多孔建材孔隙结构内的VOC迁移机理,为预测建材VOC的迁移散发规律提供了理论支撑。探索了外加静电场对建材VOC迁移过程的影响规律,为发展建材VOC的脱除强化方法进行了可行性的尝试。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU50;X51

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