室内甲醛短期释放和通风衰减特征研究

景连东，谭 炯，李 晖，柏 松，张 杨

(西南民族大学化学与环境保护工程学院，四川 成都 610041)

住宅装修的同时，也可能造成室内空气污染.甲醛是导致室内空气污染的常见的污染物[1-2].也是近年来国内最为关注的室内空气污染物，我国室内甲醛污染明显较欧美和日本等国家严重[2].甲醛具有刺激作用、致敏作用、致突变作用、神经毒性作用和生殖毒性作用[3-4].在分子水平可能会导致DNA分子的断裂、DNA与蛋白质等分子的交联.室内空气中甲醛超标，这些作用最终可能表现出哮喘、致癌等一系列病症[5-7].人造板材、乳胶漆、墙纸、各种布艺都可能引入甲醛.尤其是粘合剂脲醛树脂的使用，会导致甲醛释放是一个长期的过程[8-9].

在装修过程中完全杜绝甲醛的污染不太可能，而装修后甲醛的释放是一个长期的过程，因此等到甲醛完全释放后再入住经常不太现实.通风是一种有效降低室内空气中甲醛污染的方法[10].因此，研究室内甲醛的短期释放和开窗衰减对于居住过程中主动调节室内环境空气质量具有重要的现实意义.

现有的研究对室内甲醛浓度随温度、湿度等环境因素的变化关注较多[1-11].也有许多研究通过气候舱实验关注装修板材甲醛的释放的特征和影响因素[8-12].但是，从动力学参数角度研究新装修后住宅甲醛短期的释放和通风衰减还鲜有报道.本研究以某新装修后住宅为研究对象，通过一系列实验，研究温度对甲醛释放的影响，研究门窗封闭0-24h内的释放动力学特征以及甲醛释放后通风衰减特征.并据此为室内甲醛污染的控制提供数据支撑和具体建议.

1 材料和方法

1.1 研究区域及样点设置

本研究选取某新装修后住宅为研究对象.住宅平面构型示意见图1.该住宅客餐厅区域面积26 m2，卧室区域面积10 m2.1号窗户最大可通风面积0.625 m2，2 号窗户为 1 m2，3 号窗户为 0.92 m2.1、2号窗户位于客餐厅转角处，3号窗户属于卧室区域.

根据GB/T 18024.2-2014的规定，客餐厅区域和卧室面积均低于50 m2，因此分别设置一个位于区域中央的检测点位(图1).

图1 研究对象功能分区示意图Fig.1 Diagram for functional partition of the study object

1.2 甲醛释放和通风衰减特征研究

2017年3月，开展下述三个方面的实验，分析甲醛释放和通风衰减特征.室内空气中甲醛浓度使用德耳斯室内空气质量检测仪(DES-3-12V)检测.仪器采样参数为 500 mL/min，20 min.采样结束后，显色15min，利用仪器自带分光检测装置测定含量.

1.2.1 甲醛释放受温度的影响研究

于卧室区域，利用空调升温，分别测定封闭门窗1 h后室内空气中甲醛浓度并记录相应的环境温度.为保证前一次的测试不影响后一次，每测试完一个温度后，打开门窗，直至室内空气中甲醛浓度回到本底值.

为探索甲醛释放与温度的量化关系，将1 h后室内空气中甲醛浓度与温度拟合线性关系：

其中Y为1h后室内空气中甲醛浓度；A，B为常数；T为温度.

1.2.2 甲醛释放动力学特征研究

分别测定该住宅客餐厅和卧室关闭门窗后从0 min到24 h之间多个时刻空气中甲醛的浓度.其中0 min的甲醛含量为各区域在门窗打开通风状况下测定.测定甲醛浓度的同时，记录对应时刻的室内温度.

由于室内初始甲醛浓度不为零，甲醛释放一级动力学方程如下：

其中y为某时刻室内空气中甲醛浓度(mg/m3)；t为甲醛释放时间(min)；a，b，k为常数，其中a为门窗封闭后可以新释放进入室内空气中甲醛最大浓度(mg/m3)；k是甲醛释放一级动力学常数min-1；b为未关闭门窗时(0 min)室内空气中甲醛浓度(mg/m3)；a+b为室内空气中甲醛最大浓度.

1.2.3 甲醛释放后通风衰减特征研究

客餐厅和卧室区域门窗均封闭24 h，保证各区域室内空气中甲醛浓度达到平衡最高值随后打开窗户(门封闭)自然通风.测定开窗后 0，20，60，140，180 min两个区域室内空气中甲醛的含量.其中0时刻为封闭24h后测得的甲醛浓度.

由于室内空气中甲醛在开窗后衰减的同时还伴随着甲醛的继续释放，所以甲醛通风衰减一级动力学方程如下：

其中y为某时刻室内空气中甲醛浓度(mg/m3)；t为甲醛通风衰减时间(min)；m，k’，n为常数，其中m为开窗后室内空气中甲醛可以衰减的最大浓度(mg/m3)；k’是甲醛通风衰减一级动力学常数min-1；n开窗通风后室内空气中甲醛可达到的最低浓度(mg/m3)，也是开窗衰减和甲醛释放的平衡浓度；m+n为开窗初始时刻空气中甲醛浓度.

1.3 统计及作图

曲线拟合以及作图均由软件origin 8.0完成.

2 结果及讨论

2.1 甲醛释放受温度的影响

温度无疑是影响室内空气中甲醛浓度最重要的环境参数[13].温度较高的情况下，室内空气中甲醛含量一般较高.首先，温度升高会加速甲醛分子在材料内部以及空气中传质速率[13]；其次，温度改变会改变甲醛在装饰装修材料与空气中的热力学分配平衡，一般温度升高会促进甲醛分配于空气中[13]；再次，温度高到一定程度可能会促进装修材料中部分脲醛树脂分解产生甲醛[14].

图2展示了不同环境温度(15℃，22℃，28℃)下，封闭门窗1 h后室内空气中甲醛浓度.结果表明，在温度较高的环境下，室内空气中甲醛含量明显较高.28℃时室内空气中甲醛含量是15℃时的近两倍.拟合结果表明，甲醛浓度与温度有极强的线性关系，R2值达到0.9901.二者的线性关系(Y＝0.0039∗T+0.0031)表明，温度每升高1℃，卧室中室内空气1 h的甲醛释放量增加0.0039 mg/m3.如果封闭的时间更长，那么由于温度升高造成室内空气中甲醛浓度增大可能更为明显.

图2 不同温度条件下甲醛1h释放量Fig.2 Release of formaldehyde in one hour at different temperature

2.2 甲醛释放动力学特征

在室内居住过程中，出于各种原因，住宅经常处于封闭状态.这会导致室内空气中污染物含量逐步升高.研究清楚这一过程的特征，有助于居住人员主动、时刻准确的通过开窗或者其他方式调节室内空气质量.

在整个封闭门窗的甲醛释放实验过程中客餐厅温度14～15℃，卧室14～17℃.温度平稳，可以认为实验过程中甲醛释放进程未受到温度波动的干扰.室温条件下客餐厅和卧室中甲醛释放情况见图3.封闭大约6 h后，两个区域空气中甲醛浓度均达到了最大浓度.由此可见，国家标准(GB/T 18024.2-2014)规定封闭门窗12 h后再测定空气中甲醛浓度是科学合理的.在本次实验条件下，封闭门窗6～24 h内测定空气中甲醛含量都是科学的.另一方面，甲醛浓度达到平衡后不在上升，而室内甲醛自我降解率较低，这意味着此时装饰装修材料中甲醛不在继续以较大速度向室内空气中释放.因此靠自然挥发的方式来处理室内污染，要注意通风换气，将释放进室内空气中的甲醛及时排除，促进装饰装修材料中甲醛的释放.

本研究中卧室最终浓度达到0.14 mg/m3，高于客餐厅0.10 mg/m3.卧室高出客餐厅40%.本研究中客餐厅面积为卧室的2.6倍，为甲醛稀释提供了较大的空间，单位体积室内空间用到的装修材料相对较少.

卧室和客餐厅中甲醛24 h释放动力学特征见表1，拟合结果表明该过程符合一级动力学特征，R2值分别达到0.9694和0.8899.卧室甲醛释放动力学常数(0.005 min-1)、初始释放速率(4.79∗10-4mg/(m3∙min))均低于客餐厅(0.013 min-1，8.57∗10-4mg/(m3∙min)).虽然从热力学角度来讲，卧室最终会新释放出甲醛(0.0958 mg/m3)，高于客餐厅新释放量(0.0659 mg/m3).但是从24 h释放动力学进程来看，卧室甲醛释放慢于客餐厅.因此，如果要通过换气的方式来降低室内空气中甲醛含量，从动力学的角度来讲，客餐厅需要相对较高的换气频率.

2.3 甲醛释放后通风衰减特征

在甲醛释放后进行通风衰减实验过程中客餐厅温度14～15℃，卧室15～17℃.温度平稳，可以认为实验过程中甲醛的衰减过程以及最终的平衡浓度未受到温度波动的干扰.室温条件下客餐厅和卧室封闭24 h后开窗甲醛衰减情况见图4.开窗2 h后，客餐厅和卧室中甲醛浓度均降低到最低浓度，即达到甲醛释放进入空气与通风衰减的平衡浓度.由最低浓度可知，卧室甲醛污染相比于客餐厅要严重，这与释放实验的结果是一致的.

图4 卧室和客餐厅封闭24h后开窗甲醛衰减情况Fig.4 Attenuation of formaldehyde in the bedroom and theliving-dining room after opening windows which were closed for 24h

卧室和客餐厅中甲醛通风衰减动力学特征见表1，拟合结果表明衰减过程符合一级动力学，R2值分别达到0.9798和0.9922.卧室甲醛衰减动力学常数(0.079 min-1)、初始衰减速率6.87∗10-3mg/(m3∙min)，半衰期约8.8分钟.而客餐厅甲醛衰减动力学常数(0.040 min-1)、初始衰减速率2.76∗10-3mg/(m3∙min)均低于卧室，使得其半衰期较长约17.3分钟.这也再次说明从动力学角度考虑，本研究中的客餐厅需要开窗更长的时间以进一步降低甲醛含量.但是由于客餐厅本身污染较轻，通风较短时间就可以使甲醛降低到某个具体浓度以下.

客餐厅衰减动力学进程弱于卧室，这是因为：首先，卧室窗户与区域面积比(0.92：10)高于客餐厅(1.625：26)；再次，卧室窗户与卧室主体区域直接相同更有利于甲醛的传质过程，而客餐厅窗户与客餐厅主体纵深有一定的距离(图1).

无论是卧室还是客餐厅，其甲醛通风衰减的半衰期均在分钟级别.这意味着在通风的情况下，经过较短的时间就可以使得室内空气中甲醛的含量大幅度下降.鉴于部分装修材料中甲醛的释放是一个长期缓慢的过程，因此入住房屋后仍然要注意室内环境中甲醛的污染.而通风无疑是一种高效，无二次污染，不需要任何花费的一种方法.

甲醛衰减动力学常数与释放动力学常数相比，要高出数倍乃至数十倍.在开窗通风时，甲醛从装饰装修材料中去除的瓶颈阶段是从装饰装修材料向室内空气中释放的过程.因此，在人员入住房屋之前处理甲醛的过程中应该着眼于促进游离甲醛从装饰装修材料向空气中的释放，而不是处理已经释放到空气中的甲醛.

表1 卧室与客餐厅甲醛释放和通风衰减一级动力学Table 1 The first orderkinetics of formaldehyde release and ventilation from different regions

3 小结

1)温度升高会显著增加研究区域甲醛释放量.温度每升高1℃，本研究中的卧室空气1 h的甲醛释放量增加0.0039 mg/m3.

2)甲醛从装饰装修材料向空气中的释放过程，以及开窗通风情况下的衰减过程均符合一级动力学特征.通风衰减动力学强于释放动力学.因此，人员入住房屋之前处理甲醛的过程中应该着眼于强化游离甲醛从装饰装修材料向空气中的释放.

3)通风是非常有效的去除室内甲醛污染的方法.封闭门窗数小时后，室内甲醛浓度将达到平衡浓度，并且不再增加.需要及时通风换气，将释放进室内空气中的甲醛及时排除，进而促进装饰装修材料中甲醛的释放.对于污染严重和释放动力学常数、速率较大的区域需要相对较高的换气频率.