景連東，譚 炯，李 暉，柏 松，張 楊

(西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境保護(hù)工程學(xué)院，四川 成都 610041)

住宅裝修的同時(shí)，也可能造成室內(nèi)空氣污染.甲醛是導(dǎo)致室內(nèi)空氣污染的常見的污染物[1-2].也是近年來國(guó)內(nèi)最為關(guān)注的室內(nèi)空氣污染物，我國(guó)室內(nèi)甲醛污染明顯較歐美和日本等國(guó)家嚴(yán)重[2].甲醛具有刺激作用、致敏作用、致突變作用、神經(jīng)毒性作用和生殖毒性作用[3-4].在分子水平可能會(huì)導(dǎo)致DNA分子的斷裂、DNA與蛋白質(zhì)等分子的交聯(lián).室內(nèi)空氣中甲醛超標(biāo)，這些作用最終可能表現(xiàn)出哮喘、致癌等一系列病癥[5-7].人造板材、乳膠漆、墻紙、各種布藝都可能引入甲醛.尤其是粘合劑脲醛樹脂的使用，會(huì)導(dǎo)致甲醛釋放是一個(gè)長(zhǎng)期的過程[8-9].

在裝修過程中完全杜絕甲醛的污染不太可能，而裝修后甲醛的釋放是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，因此等到甲醛完全釋放后再入住經(jīng)常不太現(xiàn)實(shí).通風(fēng)是一種有效降低室內(nèi)空氣中甲醛污染的方法[10].因此，研究室內(nèi)甲醛的短期釋放和開窗衰減對(duì)于居住過程中主動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

現(xiàn)有的研究對(duì)室內(nèi)甲醛濃度隨溫度、濕度等環(huán)境因素的變化關(guān)注較多[1-11].也有許多研究通過氣候艙實(shí)驗(yàn)關(guān)注裝修板材甲醛的釋放的特征和影響因素[8-12].但是，從動(dòng)力學(xué)參數(shù)角度研究新裝修后住宅甲醛短期的釋放和通風(fēng)衰減還鮮有報(bào)道.本研究以某新裝修后住宅為研究對(duì)象，通過一系列實(shí)驗(yàn)，研究溫度對(duì)甲醛釋放的影響，研究門窗封閉0-24h內(nèi)的釋放動(dòng)力學(xué)特征以及甲醛釋放后通風(fēng)衰減特征.并據(jù)此為室內(nèi)甲醛污染的控制提供數(shù)據(jù)支撐和具體建議.

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域及樣點(diǎn)設(shè)置

本研究選取某新裝修后住宅為研究對(duì)象.住宅平面構(gòu)型示意見圖1.該住宅客餐廳區(qū)域面積26 m2，臥室區(qū)域面積10 m2.1號(hào)窗戶最大可通風(fēng)面積0.625 m2，2 號(hào)窗戶為 1 m2，3 號(hào)窗戶為 0.92 m2.1、2號(hào)窗戶位于客餐廳轉(zhuǎn)角處，3號(hào)窗戶屬于臥室區(qū)域.

根據(jù)GB/T 18024.2-2014的規(guī)定，客餐廳區(qū)域和臥室面積均低于50 m2，因此分別設(shè)置一個(gè)位于區(qū)域中央的檢測(cè)點(diǎn)位(圖1).

圖1 研究對(duì)象功能分區(qū)示意圖Fig.1 Diagram for functional partition of the study object

1.2 甲醛釋放和通風(fēng)衰減特征研究

2017年3月，開展下述三個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)，分析甲醛釋放和通風(fēng)衰減特征.室內(nèi)空氣中甲醛濃度使用德耳斯室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)儀(DES-3-12V)檢測(cè).儀器采樣參數(shù)為 500 mL/min，20 min.采樣結(jié)束后，顯色15min，利用儀器自帶分光檢測(cè)裝置測(cè)定含量.

1.2.1 甲醛釋放受溫度的影響研究

于臥室區(qū)域，利用空調(diào)升溫，分別測(cè)定封閉門窗1 h后室內(nèi)空氣中甲醛濃度并記錄相應(yīng)的環(huán)境溫度.為保證前一次的測(cè)試不影響后一次，每測(cè)試完一個(gè)溫度后，打開門窗，直至室內(nèi)空氣中甲醛濃度回到本底值.

為探索甲醛釋放與溫度的量化關(guān)系，將1 h后室內(nèi)空氣中甲醛濃度與溫度擬合線性關(guān)系：

其中Y為1h后室內(nèi)空氣中甲醛濃度；A，B為常數(shù)；T為溫度.

1.2.2 甲醛釋放動(dòng)力學(xué)特征研究

分別測(cè)定該住宅客餐廳和臥室關(guān)閉門窗后從0 min到24 h之間多個(gè)時(shí)刻空氣中甲醛的濃度.其中0 min的甲醛含量為各區(qū)域在門窗打開通風(fēng)狀況下測(cè)定.測(cè)定甲醛濃度的同時(shí)，記錄對(duì)應(yīng)時(shí)刻的室內(nèi)溫度.

由于室內(nèi)初始甲醛濃度不為零，甲醛釋放一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程如下：

其中y為某時(shí)刻室內(nèi)空氣中甲醛濃度(mg/m3)；t為甲醛釋放時(shí)間(min)；a，b，k為常數(shù)，其中a為門窗封閉后可以新釋放進(jìn)入室內(nèi)空氣中甲醛最大濃度(mg/m3)；k是甲醛釋放一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)min-1；b為未關(guān)閉門窗時(shí)(0 min)室內(nèi)空氣中甲醛濃度(mg/m3)；a+b為室內(nèi)空氣中甲醛最大濃度.

1.2.3 甲醛釋放后通風(fēng)衰減特征研究

客餐廳和臥室區(qū)域門窗均封閉24 h，保證各區(qū)域室內(nèi)空氣中甲醛濃度達(dá)到平衡最高值隨后打開窗戶(門封閉)自然通風(fēng).測(cè)定開窗后 0，20，60，140，180 min兩個(gè)區(qū)域室內(nèi)空氣中甲醛的含量.其中0時(shí)刻為封閉24h后測(cè)得的甲醛濃度.

由于室內(nèi)空氣中甲醛在開窗后衰減的同時(shí)還伴隨著甲醛的繼續(xù)釋放，所以甲醛通風(fēng)衰減一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程如下：

其中y為某時(shí)刻室內(nèi)空氣中甲醛濃度(mg/m3)；t為甲醛通風(fēng)衰減時(shí)間(min)；m，k’，n為常數(shù)，其中m為開窗后室內(nèi)空氣中甲醛可以衰減的最大濃度(mg/m3)；k’是甲醛通風(fēng)衰減一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)min-1；n開窗通風(fēng)后室內(nèi)空氣中甲醛可達(dá)到的最低濃度(mg/m3)，也是開窗衰減和甲醛釋放的平衡濃度；m+n為開窗初始時(shí)刻空氣中甲醛濃度.

1.3 統(tǒng)計(jì)及作圖

曲線擬合以及作圖均由軟件origin 8.0完成.

2 結(jié)果及討論

2.1 甲醛釋放受溫度的影響

溫度無(wú)疑是影響室內(nèi)空氣中甲醛濃度最重要的環(huán)境參數(shù)[13].溫度較高的情況下，室內(nèi)空氣中甲醛含量一般較高.首先，溫度升高會(huì)加速甲醛分子在材料內(nèi)部以及空氣中傳質(zhì)速率[13]；其次，溫度改變會(huì)改變甲醛在裝飾裝修材料與空氣中的熱力學(xué)分配平衡，一般溫度升高會(huì)促進(jìn)甲醛分配于空氣中[13]；再次，溫度高到一定程度可能會(huì)促進(jìn)裝修材料中部分脲醛樹脂分解產(chǎn)生甲醛[14].

圖2展示了不同環(huán)境溫度(15℃，22℃，28℃)下，封閉門窗1 h后室內(nèi)空氣中甲醛濃度.結(jié)果表明，在溫度較高的環(huán)境下，室內(nèi)空氣中甲醛含量明顯較高.28℃時(shí)室內(nèi)空氣中甲醛含量是15℃時(shí)的近兩倍.擬合結(jié)果表明，甲醛濃度與溫度有極強(qiáng)的線性關(guān)系，R2值達(dá)到0.9901.二者的線性關(guān)系(Y＝0.0039?T+0.0031)表明，溫度每升高1℃，臥室中室內(nèi)空氣1 h的甲醛釋放量增加0.0039 mg/m3.如果封閉的時(shí)間更長(zhǎng)，那么由于溫度升高造成室內(nèi)空氣中甲醛濃度增大可能更為明顯.

圖2 不同溫度條件下甲醛1h釋放量Fig.2 Release of formaldehyde in one hour at different temperature

2.2 甲醛釋放動(dòng)力學(xué)特征

在室內(nèi)居住過程中，出于各種原因，住宅經(jīng)常處于封閉狀態(tài).這會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)空氣中污染物含量逐步升高.研究清楚這一過程的特征，有助于居住人員主動(dòng)、時(shí)刻準(zhǔn)確的通過開窗或者其他方式調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量.

在整個(gè)封閉門窗的甲醛釋放實(shí)驗(yàn)過程中客餐廳溫度14～15℃，臥室14～17℃.溫度平穩(wěn)，可以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)過程中甲醛釋放進(jìn)程未受到溫度波動(dòng)的干擾.室溫條件下客餐廳和臥室中甲醛釋放情況見圖3.封閉大約6 h后，兩個(gè)區(qū)域空氣中甲醛濃度均達(dá)到了最大濃度.由此可見，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 18024.2-2014)規(guī)定封閉門窗12 h后再測(cè)定空氣中甲醛濃度是科學(xué)合理的.在本次實(shí)驗(yàn)條件下，封閉門窗6～24 h內(nèi)測(cè)定空氣中甲醛含量都是科學(xué)的.另一方面，甲醛濃度達(dá)到平衡后不在上升，而室內(nèi)甲醛自我降解率較低，這意味著此時(shí)裝飾裝修材料中甲醛不在繼續(xù)以較大速度向室內(nèi)空氣中釋放.因此靠自然揮發(fā)的方式來處理室內(nèi)污染，要注意通風(fēng)換氣，將釋放進(jìn)室內(nèi)空氣中的甲醛及時(shí)排除，促進(jìn)裝飾裝修材料中甲醛的釋放.

本研究中臥室最終濃度達(dá)到0.14 mg/m3，高于客餐廳0.10 mg/m3.臥室高出客餐廳40%.本研究中客餐廳面積為臥室的2.6倍，為甲醛稀釋提供了較大的空間，單位體積室內(nèi)空間用到的裝修材料相對(duì)較少.

臥室和客餐廳中甲醛24 h釋放動(dòng)力學(xué)特征見表1，擬合結(jié)果表明該過程符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)特征，R2值分別達(dá)到0.9694和0.8899.臥室甲醛釋放動(dòng)力學(xué)常數(shù)(0.005 min-1)、初始釋放速率(4.79?10-4mg/(m3?min))均低于客餐廳(0.013 min-1，8.57?10-4mg/(m3?min)).雖然從熱力學(xué)角度來講，臥室最終會(huì)新釋放出甲醛(0.0958 mg/m3)，高于客餐廳新釋放量(0.0659 mg/m3).但是從24 h釋放動(dòng)力學(xué)進(jìn)程來看，臥室甲醛釋放慢于客餐廳.因此，如果要通過換氣的方式來降低室內(nèi)空氣中甲醛含量，從動(dòng)力學(xué)的角度來講，客餐廳需要相對(duì)較高的換氣頻率.

2.3 甲醛釋放后通風(fēng)衰減特征

在甲醛釋放后進(jìn)行通風(fēng)衰減實(shí)驗(yàn)過程中客餐廳溫度14～15℃，臥室15～17℃.溫度平穩(wěn)，可以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)過程中甲醛的衰減過程以及最終的平衡濃度未受到溫度波動(dòng)的干擾.室溫條件下客餐廳和臥室封閉24 h后開窗甲醛衰減情況見圖4.開窗2 h后，客餐廳和臥室中甲醛濃度均降低到最低濃度，即達(dá)到甲醛釋放進(jìn)入空氣與通風(fēng)衰減的平衡濃度.由最低濃度可知，臥室甲醛污染相比于客餐廳要嚴(yán)重，這與釋放實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是一致的.

圖4 臥室和客餐廳封閉24h后開窗甲醛衰減情況Fig.4 Attenuation of formaldehyde in the bedroom and theliving-dining room after opening windows which were closed for 24h

臥室和客餐廳中甲醛通風(fēng)衰減動(dòng)力學(xué)特征見表1，擬合結(jié)果表明衰減過程符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)，R2值分別達(dá)到0.9798和0.9922.臥室甲醛衰減動(dòng)力學(xué)常數(shù)(0.079 min-1)、初始衰減速率6.87?10-3mg/(m3?min)，半衰期約8.8分鐘.而客餐廳甲醛衰減動(dòng)力學(xué)常數(shù)(0.040 min-1)、初始衰減速率2.76?10-3mg/(m3?min)均低于臥室，使得其半衰期較長(zhǎng)約17.3分鐘.這也再次說明從動(dòng)力學(xué)角度考慮，本研究中的客餐廳需要開窗更長(zhǎng)的時(shí)間以進(jìn)一步降低甲醛含量.但是由于客餐廳本身污染較輕，通風(fēng)較短時(shí)間就可以使甲醛降低到某個(gè)具體濃度以下.

客餐廳衰減動(dòng)力學(xué)進(jìn)程弱于臥室，這是因?yàn)椋菏紫?，臥室窗戶與區(qū)域面積比(0.92：10)高于客餐廳(1.625：26)；再次，臥室窗戶與臥室主體區(qū)域直接相同更有利于甲醛的傳質(zhì)過程，而客餐廳窗戶與客餐廳主體縱深有一定的距離(圖1).

無(wú)論是臥室還是客餐廳，其甲醛通風(fēng)衰減的半衰期均在分鐘級(jí)別.這意味著在通風(fēng)的情況下，經(jīng)過較短的時(shí)間就可以使得室內(nèi)空氣中甲醛的含量大幅度下降.鑒于部分裝修材料中甲醛的釋放是一個(gè)長(zhǎng)期緩慢的過程，因此入住房屋后仍然要注意室內(nèi)環(huán)境中甲醛的污染.而通風(fēng)無(wú)疑是一種高效，無(wú)二次污染，不需要任何花費(fèi)的一種方法.

甲醛衰減動(dòng)力學(xué)常數(shù)與釋放動(dòng)力學(xué)常數(shù)相比，要高出數(shù)倍乃至數(shù)十倍.在開窗通風(fēng)時(shí)，甲醛從裝飾裝修材料中去除的瓶頸階段是從裝飾裝修材料向室內(nèi)空氣中釋放的過程.因此，在人員入住房屋之前處理甲醛的過程中應(yīng)該著眼于促進(jìn)游離甲醛從裝飾裝修材料向空氣中的釋放，而不是處理已經(jīng)釋放到空氣中的甲醛.

表1 臥室與客餐廳甲醛釋放和通風(fēng)衰減一級(jí)動(dòng)力學(xué)Table 1 The first orderkinetics of formaldehyde release and ventilation from different regions

3 小結(jié)

1)溫度升高會(huì)顯著增加研究區(qū)域甲醛釋放量.溫度每升高1℃，本研究中的臥室空氣1 h的甲醛釋放量增加0.0039 mg/m3.

2)甲醛從裝飾裝修材料向空氣中的釋放過程，以及開窗通風(fēng)情況下的衰減過程均符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)特征.通風(fēng)衰減動(dòng)力學(xué)強(qiáng)于釋放動(dòng)力學(xué).因此，人員入住房屋之前處理甲醛的過程中應(yīng)該著眼于強(qiáng)化游離甲醛從裝飾裝修材料向空氣中的釋放.

3)通風(fēng)是非常有效的去除室內(nèi)甲醛污染的方法.封閉門窗數(shù)小時(shí)后，室內(nèi)甲醛濃度將達(dá)到平衡濃度，并且不再增加.需要及時(shí)通風(fēng)換氣，將釋放進(jìn)室內(nèi)空氣中的甲醛及時(shí)排除，進(jìn)而促進(jìn)裝飾裝修材料中甲醛的釋放.對(duì)于污染嚴(yán)重和釋放動(dòng)力學(xué)常數(shù)、速率較大的區(qū)域需要相對(duì)較高的換氣頻率.