多孔建材VOC多尺度傳質(zhì)機(jī)理及散發(fā)特性研究.pdf

1、揮發(fā)性有機(jī)化合物（Volatile Organic Compounds,VOCs）作為室內(nèi)空氣污染的主要來源，廣泛存在于室內(nèi)裝飾、裝修建材內(nèi)部。近年來建筑節(jié)能目標(biāo)的快速推進(jìn)使得建筑物趨于高度圍合密閉，促使VOC在室內(nèi)空氣中積聚，對室內(nèi)人群的身體健康及工作效率產(chǎn)生了極大的影響。世界衛(wèi)生組織公布的數(shù)據(jù)顯示每年約有400萬人因室內(nèi)空氣污染導(dǎo)致的非傳染性疾病而過早死亡?，F(xiàn)有對建材VOC散發(fā)特性的研究多停滯在唯象表觀層面，而掌握多孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜的孔隙

2、特征及差異化傳質(zhì)機(jī)理是確定建材VOC散發(fā)特性的基礎(chǔ)，也是指導(dǎo)VOC控制策略的前提。鑒于此背景，本文采用理論分析、實(shí)驗(yàn)測試和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的研究方法探討了多孔建材VOC的多尺度傳質(zhì)機(jī)理及散發(fā)特性，具體研究內(nèi)容及學(xué)術(shù)成果如下：
　　突破傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)模型維度空間的藩籬，將分形幾何理論應(yīng)用于多孔建材VOC有效擴(kuò)散系數(shù)預(yù)測，基于建材內(nèi)傳質(zhì)孔道的變徑特征，在分形毛細(xì)管束模型的基礎(chǔ)上發(fā)展了有效擴(kuò)散系數(shù)的多級串聯(lián)宏觀分形毛細(xì)管束模型。該模型通過對

3、多孔建材孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖析，探究宏、介觀孔的分布特征及傳質(zhì)網(wǎng)絡(luò)連接模式，闡明了宏觀孔串聯(lián)傳質(zhì)通道的分形冪規(guī)律分布及介觀孔的輔助傳質(zhì)特性。通過壓汞實(shí)驗(yàn)測量的建材結(jié)構(gòu)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)對有效擴(kuò)散系數(shù)的直接預(yù)測，結(jié)合環(huán)境艙的建材VOC散發(fā)實(shí)驗(yàn)對該理論模型的準(zhǔn)確性予以驗(yàn)證，相比經(jīng)典擴(kuò)散系數(shù)模型顯著提高了預(yù)測精度。
　　基于吸附勢理論詮釋了多孔介質(zhì)的非均勻活性中心對VOC分子吸附特性的影響，以Dubinin-Radushkevich吸附等溫式和Fre

4、undlich吸附等溫式推導(dǎo)了多孔建材分離系數(shù)的雙尺度計(jì)算模型，分別適用于微觀孔及宏、介觀孔的分離系數(shù)預(yù)測。相比基于Langmuir單分子層吸附理論的分離系數(shù)模型，雙尺度計(jì)算模型綜合考慮了孔隙結(jié)構(gòu)差異對分離系數(shù)的影響。為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，發(fā)展了階躍溫度工況下分離系數(shù)與初始可散發(fā)濃度的連續(xù)測量實(shí)驗(yàn)方法，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，可將預(yù)測結(jié)果拓展至同系物間分離系數(shù)的確定。此外，以宏、介觀尺度分離系數(shù)解析式為傳遞參數(shù)，可將前述理論求解的有效擴(kuò)散系數(shù)

5、轉(zhuǎn)換為表觀擴(kuò)散系數(shù)，建立表觀擴(kuò)散系數(shù)與溫度的函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)多孔介質(zhì)模型與單相傳質(zhì)模型間的參數(shù)轉(zhuǎn)換。
　　系統(tǒng)地剖析了VOC分子多尺度脫附機(jī)制，以孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)對多孔建材吸附勢能差異化分布規(guī)律進(jìn)行準(zhǔn)確數(shù)學(xué)表征，代替以均值或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算吸附勢能，由分子動(dòng)能概率密度分布與吸附勢能分布律之間的非均勻脫附判據(jù)推導(dǎo)初始可散發(fā)濃度差異化分布解析式。同時(shí)，鑒于同系物間化學(xué)性質(zhì)相似的特征，推導(dǎo)了同系物吸附勢能表達(dá)式，藉此通過少量實(shí)驗(yàn)擬合即可實(shí)現(xiàn)對建材

6、內(nèi)多種同系物初始可散發(fā)濃度的同時(shí)預(yù)測。
　　通過對建材VOC散發(fā)的敏感性分析，探討了散發(fā)關(guān)鍵參數(shù)及其主控因素的影響程度。針對三種VOC散發(fā)源頭控制方法，即吸附劑的均勻摻混、表面阻隔及基材固定，建立了不同吸附劑添加方式下建材VOC散發(fā)關(guān)鍵參數(shù)的預(yù)測體系，可對建材VOC源頭控制效果進(jìn)行理論分析。結(jié)果表明，均勻摻混吸附劑對VOC散發(fā)的全局控制效果最好，吸附劑表面阻隔的短期散發(fā)抑制效果顯著，而基材固定則適用于長期散發(fā)過程。通過對VOC源頭