建筑裝飾材料揮發性分析論文

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摘要簡述了揮發性有機物（VOC）對人體健康的及國內外現有建筑物中的VOC污染狀況，綜述了VOC的散發機理及去除設備的現狀，指出了今后的研究方向。

關鍵詞揮發性有機物，散發機理，去除設備

AbstractTouchestheharmfuleffectsofVOCsonhumanhealthanconditionsincurrentbuildingsathomeandabroad,reviewstheresearchstatusinVOCsemissionmechanismandVOCseliminationdevises,andpresentsthefuturestudyorientation.

Keywordsvolatileorganiccompound，emissionmechanism，eliminatingequipment

1揮發性有機物及其對人體健康的影響

揮發性有機化合物（VOC）是指環境監測中以氫焰離子檢測器測出的非甲烷烴類物質的總稱，其中包括含氧烴類、含鹵烴類，廣義場合包括甲烷、丙烷、氯烴、氟烴及醇、醚、酯、酮、醛等含氧烴、胺等含氮烴、二硫化碳等含硫烴。通常按沸點的范圍把有機化合物分為極易揮發性有機物（VVOC），揮發性有機物（VOC），半揮發性有機物（SVOC）和與顆粒物質或顆粒有機物有關的物質（POM）等4類。

有些有機化合物不能包括在以上的分類中。這是由于這些化合物（如甲醛和丙烯酸）因其反應性或對熱的不穩定性不易從吸附劑上回收或用氣相色譜法進行。

揮發性有機物對人體的影響主要表現在感官效應和超敏感效應，包括感官刺激，感覺干燥，刺激眼黏膜、鼻黏膜、呼吸道和皮膚等，揮發性有機化合物很容易通過血液到大腦，從而導致中樞神經系統受到抑制，人人產生頭痛、乏力、昏昏欲睡和不舒服的感覺；醇、芳得烴和醛能刺激黏膜和上呼吸道；很多揮發性有機化合物如苯、甲氯乙烯、三氯乙烷、三氯乙烯和甲醛等被證明是致癌物或可疑致癌物。

Molhave依據室內VOC對人體的影響不同，對其濃度進行了劃分[1]，該劃分原則通常作為權威引用或作為指導，并在美國ASHRAE標準62-1989R中得到，他的劃分原則見表1。

表1VOC濃度與人體反應

濃度范圍/ug/m3人體反應

<200舒適

200～3000可能抱怨

3000～25000抱怨

>25000有毒

2現有建筑中揮發性有機物的情況

華西醫科大學公共健康學院1995年冬天對剛裝修的兩個居民房進行了兩個半月的VOC測量，發現這些房中產生不同程度的甲醇、乙醇、戊烷、已烷、苯、庚烷、環已烷、甲苯、二甲苯、乙基苯[2]。其中最主要的有機物是甲醇，苯，甲苯和二甲苯。中國預防醫學院環境衛生監測所對一個辦公室空氣污染進行測量，發現辦公室內主要有機物是苯、甲苯、二甲苯、乙苯和甲醛，濃度從0.1mg/m3到0.96mg/m3。

美國環保局（EPA）通過對16個建筑的隨機抽樣調查發現，有4個建筑中的VOC濃度超過了0.4mg/m3。歐洲對9個國家的56棟建筑進行了室內VOC濃度的測量[3]，發現有22棟建筑中VOC濃度超過0.2mg/m3。[4]指出日本住宅中的有機物濃度為0.19～0.643mg/m3。文獻[5]指出瑞典公寓中VOC濃度為0.31mg/m3，居民家庭中為0.47mg/m3。文獻[6]指出英國綜合建筑中VOC濃度為0.2mg/m3。

從上述調查情況可以看出，室內VOC污染狀況是比較嚴重的。

3不同建筑裝飾材料揮發性有機物的散發量測量

為了從污染源上控制VOC的產生，國內外很多單位都對建筑裝飾材料的VOC散發情況進行了測量。文獻[7]對中國生產的8種室內材料即酸漆、黑漆、地板清潔劑、地板蠟、空氣清新劑、地毯背面粘接劑、墻約、墻紙粘接劑和彩色墻紙進行了測量，發現其散發的VOC有3～30種。文獻[8]指出了TVOC的最大傳和其衰減度隨著材料的不同而不同，流態物質如油漆、清漆和地板油的衰減度最大。EPA做了實驗來確認各種室內污染源的散發量，同時確認各種因素對散發量的影響[9]，這些因素包括溫度、相對濕度、空氣變化及小室負荷。結果表明，空氣換氣次數對散發量尤其是濕材料的散發量有很大的影響。

文獻[10]對37種典型的加拿大民用住宅所使用的建筑裝飾材料發散的VOC進行了測量，得出了這些材料的VOC數據庫。

目前世界上已有3個體積為55m3(5m×4m×2.75m)的實驗室用于研究建筑裝飾材料的VOC產生量，它們分別是IRC/NRC①，NRMRL/USEPA②和CSIRO/Austrlia③，這些實驗室均用不銹鋼制作，具有加熱、通風、空氣調節系統，能夠控制室內各種參

數。

為了使各實驗室所測得的數據有可比性及可靠性，歐洲已經建立了對室內污染物測量、選樣方法、數據分析方法、結果整理方法等統一的協定方案[11]。

4建筑裝飾材料VOC散發標準的制定和材料的分類

目前我國國家質檢總局已頒發了《室內裝飾裝修材料有害物質限量》10項強制性標準，從2002年7月1日開始的散發量作了規定[12]。北歐國家根據普通材料最大的VOC散發量為40，100和數百ug/(m2·h)，將材料分為MEC-A（低揮發性材料），MEC-B（中揮發性材料）和MEC-C（高揮發性材料）3類[13]。

美國EPA現在做出了污染源分類數據庫，這個數據庫含有材料的VOC散發量及毒性[14]。

5揮發性有機物散機理的研究

揮發性有機物的散發率通常由以下兩個過程決定[15]：①材料內部的擴散；②材料表面到周圍空氣的散發。材料內部的擴散是濃度梯度、溫度梯度及密度梯度共同作用的結果。每種化合物都有自己的質擴散系數，與其相對分子質量、分子體積、溫度及與被擴散的物質特性有關。表面散發由幾種機理共同作用，包括蒸發和對流。對于表面散發而言，VOC的散發率會受到空氣中濃度、氣流速度及溫度的影響[16，17]。根據材料的不同，VOC的產生率可能由上述一個或兩個因素起決定作用。

根據散發機理的不同，室內建筑裝飾材料的散發模型，總體上可分為兩類即經驗模型和物理模型。

6揮發性有機物去除機理和去除設備的研究

目前人們主要集中研究活性炭和光觸媒設備對VOC的去除特性。吸附是由于吸附劑和吸附質分子間的作用力引起的，這些作用力分為兩大類--物理作用力和化學作用力，它們分別引起物理吸附和化學吸附。物理吸附是可逆過程，只能暫阻擋污染而不能消除污染。而化學吸附是不可逆的過程，是揮發性物質的分子與吸附劑起化學反應而生成非揮發性的物質，這種機理可使得低沸點的物質如甲醛被吸附掉。活性炭是最常用的吸附劑，它對許多VOC都是很有效的，但對甲醛作用很小。

已有的研究成果表明活性炭對芳香族化合物的吸附優于對非芳香族化合物的吸附，如對苯的吸附優于對環已烷的吸附；對帶有支鍵的烴類物質的吸附優于直鍵烴的吸附；對相對分子質量大、沸點高的化合物的吸附總是高于相對分子質量小、沸點低化合物的吸附；空氣濕度增大，則可降低吸附的負荷；吸附質濃度越高，則吸附量也越高；吸附量隨溫度升高而下降；吸附劑內表面積愈大，吸附量越高。浸了高錳酸鉀的氧化鋁（PIA）對甲醛及低濃度的醛和有機酸有很高的去除效率。所以PIA經常與活性炭聯合起來使用以提高過濾器的效率。

目前美國市場上有3種化學過濾器，都是用活性炭作為吸附劑的[18]，第1種是V字型裝有大顆粒的活性炭，第2種是折邊型裝有小顆粒的活性炭，第3種是折邊型的活性炭編織物過濾器，效率為40%～80%，當風速為2.5m/s時阻力為約100Pa。

光觸媒設備是以N型半導體的能帶為基礎，N型半導體吸收能量大于或等于禁帶寬度（禁帶能量）的光子（hv）后，進入激發狀態，此時價帶上的受激發路過禁帶，進入導帶。同時在價帶上形成光致空穴。可以用作光催化劑的N型半導體種類繁多，有TiO2，ZnO，Fe2O3，CdS和WO3等。由于TiO2的化學穩定性高、耐光腐蝕、難溶，并且具有較深的價帶能級，可使一些吸熱的化學反應在被光輻射的TiO2表面得到實現和加速，加之TiO2無毒、成本低，所以被廣泛用作光催化氧化反應的催化劑。TiO2的禁帶寬度（Eg）為3.2Ev，當用波長小于387nm的光照射TiO2時，由于光子的能量大于禁帶的寬度，其價帶上的電子被激發，躍過禁帶進入導帶，同時在價帶上形成相應的空穴。光致空穴h+具有很強的捕獲電子的能力，而導帶上的光致電子e-又具有高的活性，在半導體表面形成了氧化還原體系。利用光致空穴h+和光致電子e-與空氣中的水分和氧氣相互反應產生的具有高濃度活性的氫氧游離基·OH，可氧化各種有機物質并使之礦化。如下所示：

有機污染物的降解機理與其分子結構有關，分子結構不同其降解機理及途徑也有差異。Hashimoto等研究了脂肪族化合物的光催化降解機理，認為脂肪烴先于·OH生成醇，并進而氧化為醛和酸，終生成二氧化碳和水[19]。文獻[20]指出TiO2光催化反應中，一些芳得族化合物的光催化降解過程往往伴隨著多種中間產物的生成。目前，對于各類芳香族化合物的光催化降解機理研究還很不完備，初步研究認為其主要降解機理還是在·OH基的作用下，芳香環結構發生變化，并進一步開環，從而逐步被氧化，最終礦化為二氧化碳、水及小分子無機物。

對室內甲醛和甲苯的研究表明，污染物光催化氧化與其濃度有關，質量數在1×10-4以下的甲醛可完全被光催化分解為二氧化碳和水，而在較高濃度時，則被氧化成為甲酸。高濃度的甲苯光催化降解時，由于生成的難分解的中間產物富集在TiO2周圍，阻礙了光催化反應的進行，去除效率非常低，但低濃度時TiO2表面則沒有中間產物生成。

文獻[21]對非均相光催化技術在室內空氣品質控制方面的應用進行了研究。指出光催化氧化技術室內空氣中低濃度的VOC有著良好的效果。光催化氧化設備可進行模塊化設計，而且氣體通過時壓力降低可忽略不計，這樣很容易加裝到中央空調空調的系統中去。美國新澤西州的通用空氣技術（UAT）公司已開發生產了落地式及管道式光催化空氣交凈化與消毒設備[22]。

盡管許多廠家都在研制VOC去除設備，但對于室內多種有機物污染并存的情況，如何描述這些設備的性能及如何用于實際工程中，則是亟待解決的。

7結語

7．1國內外實測結果表明，許多建筑中存在VOC污染。國內這方面的剛起步，建議有關部門應規范現有建筑裝飾材料，根據有關規范要求，盡快建立建筑裝飾材料VOC數據庫。

7．2為了評估建筑裝飾材料對室內帶來的揮發性有機物，應考慮實際房間中多污染源的，通過建立合理的房間污染模型來切實指導空調系統的設計運行和維護。

7．3針對目前國內外空調房間存在揮發性有機物的污染的問題，應該改變空調系統設計即從設計階段就應該考慮這些污染的去除問題，并開發出用于去除各種污染包括牢固揮發性有機物的高效設備。

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