基于分形重构的中密度板内VOCs微波诱导解吸的研究

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良好的室内空气品质是保证日常生活舒适度和身体健康的重要前提,而各类人造板散发的挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOCs)是降低室内空气品质的重要污染物来源,目前我国人造板产业迅猛发展,使得居民的VOCs暴露风险持续增加。因此,研究人造板内VOCs的散发及控制不仅对进一步提高人造板品质,促进我国人造板产业持续发展具有重要意义,对进一步改善室内环境空气品质,降低居民VOCs暴露风险,降低VOCs对居民身心健康危害等方面也具有重要意义。基于微波加热具有快速性、穿透性等特点,本文提出了利用微波诱导方法快速解吸人造板材内部的VOCs气体,从而降低板材内部初始VOCs浓度的方法,并以中密度板(Medium Density Fiberboard,MDF)为研究对象,以甲醛为VOCs模型气体,研究了该方法所涉及的VOCs在板材内部的传热、传质过程。本文首先利用电子扫描显微镜对热处理前后MDF的微观结构进行观测,再利用计算机程序对其所获得结果进行解析以获得MDF板材的孔隙率、孔径分布等特征参数,了解微波诱导过程对板材结构的影响,并通过分形理论利用观测到的特征参数对MDF板材孔隙结构进行重构以探究MDF微观结构对其传热、传质过程的影响。结果表明MDF特有的纤维结构使得传质参数具备各向异性,垂直于板材厚度方向上的传质能力较厚度方向优异约10%,但MDF的传热参数却并未受到纤维结构的影响,表现出各向同性。其次,通过实验方法测定MDF的热稳定性和影响微波诱导时MDF板材温升的板材密度、含水率、传热学参数和电磁学参数,为研究微波诱导MDF板材内VOCs解吸中的传热、传质过程提供准确参数依据。结果显示当温度从25℃增加至180℃时,板材热扩散系数从1.322× 10-7 m2/s降低至1.115 × 10-7 m2/s,板材复相对介电常数虚部从约0.1425增加至约0.2138。再次,搭建了密封环境舱设备以测定不同形态MDF板材样品在密封环境内甲醛散发量随时间的变化曲线,研究了温度场对板材内部孔隙解吸和释放VOCs的强度和VOCs扩散系数的影响。实验结果表明,当环境温度从25℃增加至40℃,MDF板材孔隙内甲醛饱和散发浓度以指数趋势从184.7×10-3 mg/m3提高到约519.6× 10-3 mg/m3,甲醛在MDF板材孔隙结构中的扩散系数从5.666 × 10-10 m2/s增加至13.39 × 10-10 m2/s。最后,建立了微波炉中MDF板材传热传质模型,以甲醛为模型气体,通过数值模拟的方法研究了氮气吹扫时,微波热驱动VOCs在MDF板材孔隙结构内的扩散行为,并确定微波功率、气体流速等因素对微波诱导MDF板材内VOCs解吸过程的影响。模拟结果表明由于板材的热扩散系数的数量级仅为10-7,在使用微波诱导MDF板材内VOCs解吸时,氮气流速主要影响板材内部的甲醛浓度变化,而微波功率主要影响MDF板材内部的温度变化,过高的微波功率对促进板材内甲醛散发没有增益,反而会造成局部位置温度高于MDF板材的热稳定温度。当微波入射功率为500 W时,将氮气流速从0.001 m/s增加到5 m/s可使微波诱导解吸90 s后板材内的剩余甲醛平均浓度从约2.193 mg/m3 降低到约 0.2674 mg/m~3。
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