2015, Vol. 32
近年来，室内空气污染问题越来越受到关注.甲醛是室内空气污染最常见和严重的污染物之一.特别是室内装修、家具是甲醛的主要污染源，其来源广泛、毒性大、毒副作用时间长[1].长期接触低浓度的甲醛可能导致“病态综合症”、危害神经系统、免疫系统等疾病[2-3].室内空气中的甲醛主要来自装修、家具所使用的复合地板、胶合板、细木工板、橱柜和壁柜等家具[4].因此研究室内家具材料中甲醛的散发规律与影响因素对室内甲醛污染的防治与控制有重要意义，对指导装修、家具的选购和为通风空调的设计提供理论依据.
有研究认为材料表面是室内甲醛污染的主要污染源，并分析了温度和相对湿度对材料表面甲醛散发的影响[5].如zhang等人[6]建立了实验小室推测温度对分离系数和扩散系数的影响，发现分离系数随着温度的升高而减小，扩散系数随着温度的升高而增大.Netten等人[7]对不同材料(天花板、石膏板、胶合板)进行了环境舱实验，表明甲醛的释放浓度随着湿度或温度的增大(或同时增大)而增大.Myers研究[8]表明不同材料对不同环境条件的甲醛散发存在相当大的差异.但是甲醛的释放与温湿度到底存在何种关系尚不明确，而且针对室内多种家具的散发研究很少.目前，很多国家采用环境测试舱检测材料中甲醛的散发量，环境测试舱是合理模拟室内环境的一种测试设备，其运行条件下检测的甲醛释放量符合国家标准[9].
因此，为了进一步研究温度和相对湿度对家具材料甲醛散发的影响，本文拟利用环境舱实验研究4种常用家具的材料样品在不同温度和相对湿度环境下的甲醛散发特征.环境舱能较真实地模拟各种材料在使用过程中甲醛的释放情况，所测数据与室内家具材料释放情况良好对应，其测定值具有较高的可信度.
1 实验方法 1.1 实验材料与处理方法受试材料为某家具厂常用的4种家具样品：地板(材料为刨花板)，长条座椅、橱柜、壁柜(材料都是胶合板)，根据检测报告，样品材料中可散发甲醛含量均在0.92～2.18 mg/m3范围内，符合检测部门出具的家具材料甲醛含量合格标准[10]，因此研究此几类材料具有代表意义.实验需要每种样品切割10份，材料统一切割尺寸为14.3 cm×7.0 cm=0.010 m2，切割后，材料样品都被同时包裹两层铝箔，储存在密闭箱中待实验取用.
1.2 实验仪器和检测方法实验采用的设备是武汉市宇信科技公司开发的“小型智能环境气候舱(WH-2型)”，该环境气候舱符合卫生部对《木质板材中甲醛的卫生规范》的要求，测试舱的容积为10.75 L，该舱采用数显温、湿度自动调节装置，采气控制装置，温度可调节范围为10～40 ℃，相对湿度可调节范围为30%～80%，空气交换率为(1.0±0.03) L/min.甲醛浓度的检测采用美国INTERSCAN公司开发的甲醛气体分析仪(4160型)，测量范围为0～19.99 ppm，检测浓度统一转化为单位μg/m3.(在这里，1 ppm为103×22.4/30 μg/m3，1 000 ppb=1 ppm)以上设备各两套，本实验分两组同时进行.实验时样品的边缘用胶带密封，并将不锈钢垫板用胶粘在材料样品的背面，垫板固定.同一材料的两个样品分别放在两个环境舱内，Ⅰ号舱的相对湿度保持在50%，Ⅱ号舱保持在80%，每种材料通过设定不同温度值进行重复实验测试(温度设定分别为15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃)，调节环境舱的空气交换率稳定为1.0 L/min，样品放置在环境舱内经过1 h后分别对每个舱进行空气采样，每隔1 h采样分析，直到舱内甲醛浓度达到稳定为止(当浓度检测数据的变异系数小于5%时认为达到稳定)，并以此浓度达到与大气环境平衡，此稳定平衡浓度如图 1～4所示.
|
图 1 地板甲醛平衡浓度随温湿度的变化 Figure 1 Subfloor equilibrium concentration change of formaldehyde with temperature and humidity |
|
图 2 长条座椅甲醛平衡浓度随温湿度的变化 Figure 2 Benchseat equilibrium concentration change of formaldehyde with temperature and humidity |
|
图 3 橱柜甲醛平衡浓度随温湿度的变化 Figure 3 Cabinet equilibrium concentration change of formaldehyde with temperature and humidity |
|
图 4 壁柜甲醛平衡浓度随温湿度的变化 Figure 4 Wall cabinet equilibrium concentration change of formaldehyde with temperature and humidity |
检测数据采用OriginPro8软件进行分析.
2 数据处理与分析 2.1 数据记录与处理在充分混合的系统中，由于室内气态污染物的浓度变化非常缓慢，这个区间维持的时间越长，材料对室内环境的污染影响越重，为此定义为污染物释放速率E[11]：
| $ E = \frac{{Q \times C}}{A}. $ | (1) |
其中：E为释放速率，μg/(m2·h)；Q为舱内空气流通量，m3/h；C为环境舱测试到达到稳定平衡的浓度，μg/m3；A为材料样品暴露在空气中的面积，m2.
环境舱测试到的平衡浓度如图 1～4所示；经计算得出的释放速率结果列如表 1所示.
|
表 1 释放速率E的计算结果 Table 1 Results of the emission rate E |
由图 1～4可以看出，甲醛的释放随着温度的升高和湿度的增大而加强，温度每升高5 ℃，不同样品甲醛的浓度上升到原来的1.37～1.94倍，且在高温度(35 ℃)环境下，增加相对湿度对甲醛的散发更加强烈.此结论符合多位学者的研究结果[12-13].在温度升高时散发加强的主要原因是由于甲醛分子动能增大，具有较高的活化能，从建材中脱附出来，使可散发甲醛的含量显著增加[14].相对湿度对甲醛散发的影响没有温度那么强烈，相对湿度升高30%，不同样品甲醛的浓度上升到原来的1.5～2.61倍.主要原因是环境空气中弱酸性水蒸气与脲醛树脂胶中游离二甲醇低聚物反应生成甲醛，同时还可以促进脲醛树脂胶水解释放甲醛[15].
因此，在南方热湿地区夏季气温高，湿度大，更加增强了室内装修、家具中甲醛的散发，因此，建议新房间选择在冬春季节装修完毕，这样可以经过夏季高温高湿大量散发甲醛；另外，在北方冬季采暖期，如果新装修的房间采用地板采暖方式，也会增强地板中甲醛的释放，加之室内外温差较大，通常房间比较密闭，空气流通量很小，导致室内甲醛浓度的增大，因此建议装修后经过一个夏季再入住，另外经常打开门窗通风换气.
2.2 释放速率与温度的线性回归分析释放速率E计算结果如表 1所示.
由于4种样品的释放速率随温度变化而变化显著，运用OriginPro8数据分析和制图软件对数据进行分析时发现，以释放速率的自然对数为因变量，以温度为自变量，线性拟合后发现其决定系数R2在0.987 2～0.999 0之间，其相关系数r为0.993 6～0.999 5之间，这说明自变量与因变量之间有很强的相关性，即释放速率的自然对数与温度的变化成强线性相关关系.拟合结果如图 5～8所示.此结论验证了Myers[8]甲醛散发速率与温度成指数关系的结论.4种材料在高相对湿度环境下甲醛的释放速率拟合直线斜率比低湿度要大，与图 1～4“高湿度下甲醛平衡浓度比低湿度高”的结论一致.而释放浓度随相对湿度的变化存在强的正相关关系的结论已在很多现场测试和环境舱实验中得到了论证[16-18].
|
图 5 地板ln E与温度拟合结果 Figure 5 Subfloor fitting result of ln E and temperature |
|
图 6 长条座椅ln E与温度拟合结果 Figure 6 Benchseat fitting result of ln E and temperature |
|
图 7 橱柜ln E与温度拟合结果 Figure 7 Cabinet fitting result of ln E and temperature |
|
图 8 壁柜ln E与温度拟合结果 Figure 8 Wall calinet fitting result of ln E and temperature |
采用环境舱实验研究了温度和相对湿度对4种常用家具材料中甲醛的散发速率和平衡浓度，所得结果如下：(1)家具材料甲醛的释放随着其所处环境温度和湿度的升高而释放加强，温度每升高5 ℃，不同样品甲醛的平衡浓度上升到原来的1.37～1.94倍，相对湿度升高30%，不同样品甲醛的平衡浓度上升到原来的1.5～2.61倍；(2)不同材料甲醛的散发对温度和相对湿度的反应也不相同；(3)在高温环境下增大湿度使甲醛的散发更加显著；(4)线性回归分析发现，散发速率E的自然对数lnE与温度存在强线性相关关系, 其相关系数大于0.993 5.
本实验研究为指导家具中甲醛的散发研究提供了借鉴，为下一步建立现场家具甲醛的散发预测模型提供了指导，在此基础上可根据房间的体积、环境温度和湿度、家具暴露的面积、通风状况来预测甲醛浓度和空气品质的评价；另外，对房间通风空调系统的热湿和污染物的处理优化设计提供参考.
| [1] |
陈晓东, 陈连生. 中国室内装修污染及健康危害研究进展[J].
中国公共卫生, 2003, 19(10): 1263-1266.
Chen X D, Clen L S. Progress in research and health hazards of indoor decoration pollution in China[J]. China Journal of Public Health, 2003, 19(10): 1263-1266. |
| [2] |
张萌, 马立. 室内甲醛污染治理方法对比分析[J].
制冷与空调, 2009, 23(2): 109-113.
Zhang M, Ma L. The analysis of treatment to the indoor formaldehyde pollution[J]. Refrigeration & Air-Condition, 2009, 23(2): 109-113. |
| [3] |
刘丽孺, 陈锋华, 林朝尊, 等. 空调长途客车内空气品质的调查及其灰色关联分析[J].
广东工业大学学报, 2010, 27(2): 36-39.
Liu L R, Chen F H, Lin Z Z, et al. Air quality survey and grey incidence analysis of air- conditioned coaches[J]. Journal of Guangdong University of Technology, 2010, 27(2): 36-39. |
| [4] |
王国栋, 李科林, 李德良. 室内装修的甲醛污染及防治措施[J].
环境与可持续发展, 2004(3): 43-45.
Wang G D, Li K L, Li D L. Formaldehyde pollution and prevention measures of indoor decoration[J]. Environment and Sustainable Development, 2004(3): 43-45. |
| [5] |
Randy Maddalena, Marion Russell, Douglas P Sullivan, et al. Formaldehyde and other volatile organic chemical emissions in four FEMA temporary housing units[J].
Science & Technology, 2009, 43(15): 5626-5632.
|
| [6] |
Zhang Y P, Luo X X, Wang X K, et al. Influence of temperature on formaldehyde emission parameters of dry building materials[J].
Atmospheric Environment, 2007, 41(15): 3203-3216.
DOI: 10.1016/j.atmosenv.2006.10.081. |
| [7] |
Netten C V, Shirtliffe C, Svec J. Temperature and humidity dependence of formaldehyde release from selected building materials[J].
Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 1989, 42(4): 558-565.
DOI: 10.1007/BF01700238. |
| [8] |
Myers G E. The effects of temperature and humidity on formaldehyde emission from UF-bonded boards:A literature critique[J].
Forest Product Journal, 1985, 35(9): 20-31.
|
| [9] |
张浩, 钱付平, 朱庆明. 细木工板中甲醛释放特征及规律[J].
过程工程学报, 2012, 12(2): 335-339.
Zhang H, Qian F P, Zhu Q M. Emissions characteristics of Formaldehyde from block board[J]. The Chinese Journal of Process Engineering, 2012, 12(2): 335-339. |
| [10] |
樊娜, 李景广, 姚小龙, 等. 家具甲醛散发量测试研究[J].
绿色建筑, 2011, 5: 61-62.
Fan N, Li J G, Yao X L, et al. Testing of the distribution of formaldehyde from the furniture[J]. Green Building, 2011, 5: 61-62. DOI: 10.3969/j.issn.1004-1672.2011.05.019. |
| [11] |
李妍妍. 强化复合地板模拟室内环境甲醛释放规律的研究[D]. 南京: 南京林业大学木材科学与技术学院, 2008.
|
| [12] |
白雁斌, 刘兴荣. 模拟仓内温度对甲醛扩散的影响[J].
中国公共卫生, 2003, 19(5): 577-578.
Bai Y B, Liu X R. Effect of temperature in simulation chamber on emission of formaldehyde[J]. China Journal of Public Health, 2003, 19(5): 577-578. DOI: 10.11847/zgggws2003-19-05-40. |
| [13] |
周明, 谢序缓, 黄晓华, 等. 不同气温条件下室内甲醛污染特性的探讨[J].
四川环境, 2005, 24(4): 37-39.
Zhou M, Xie X H, Huang X H, et al. Study on characteristics of indoor formaldehyde pollution under different air temperature[J]. Sichuan Environment, 2005, 24(4): 37-39. |
| [14] |
张寅平, 钱科, 王新珂, 等. 温度对建材中可散发甲醛含量的影响[J].
工程热物理学报, 2008, 29(7): 1171-1173.
Zhang Y P, Qian K, Wang X K, et al. Impact of temperature on the emittable content of formaldehyde in building material[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2008, 29(7): 1171-1173. |
| [15] |
邵明坤. 胶合板甲醛释放机理及降低措施[J].
淮阴工学院学报, 2003, 12(1): 80-82.
Shao M K. Releasing mechanism and reducing measure of formaldehyde in plywood[J]. Journal of Huaiyin Institute of technology, 2003, 12(1): 80-82. |
| [16] |
Anderson I B, Lundqvist G R, Molhave L. Indoor air pollution due to chipboard used as a construction material[J].
Atmospheric Environment, 1975, 9(12): 1121-1127.
DOI: 10.1016/0004-6981(75)90188-2. |
| [17] |
Berge A, Mellegaard B, Hanetho P, et al. Formaldehyde release from particleboard- Evaluation of a mathematical model[J].
European Journal of Wood and Wood Products, 1980, 38: 251-255.
DOI: 10.1007/BF02616395. |
| [18] |
Wu Q. Application of Nelson's sorption isotherm to wood composites and overlays[J].
Wood and Fiber Science, 1999, 31: 187-191.
|