徐德輝,余濤,陳亮,周愛民,沈旭東
1 中國人民解放軍92337 部隊(duì),遼寧大連116023
2 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所,湖北武漢430205
控制艦船艙室空氣污染的主要途徑包括通風(fēng)換氣、空氣凈化和源頭控制[1]。由于節(jié)能、隱身等多方面的需求,艦船艙室密閉性強(qiáng),通風(fēng)量有限,特別是潛艇等特殊艦船,在執(zhí)行任務(wù)期間難以通過與外界通風(fēng)換氣來改善艙室空氣品質(zhì)。為控制艦船艙室空氣污染,近年來,國內(nèi)、外對(duì)艦船艙室污染源控制的關(guān)注度不斷提高,如艙室空氣污染傳播[2]、污染源預(yù)測(cè)和源項(xiàng)識(shí)別[3]、污染源特性[4]等。
艦船使用的非金屬材料來源廣泛、種類繁多,包括油漆、橡膠、塑料、膠黏劑、密封材料、燃料、潤滑劑、紡織品、木材、電氣絕緣材料等[5]。研究表明,非金屬材料的無機(jī)物和揮發(fā)性有機(jī)化合物散發(fā)是艦船艙室空氣污染的主要來源之一,易造成船員工作效率降低,甚至直接影響船員的身體健康[6]。為控制艦船艙室空氣污染散發(fā),必須加強(qiáng)對(duì)艦船用非金屬材料的污染散發(fā)特性研究,因?yàn)檫@既是計(jì)算艙室污染物濃度及其分布的基礎(chǔ),又是確定空氣凈化系統(tǒng)配置和氣流組織設(shè)計(jì)的依據(jù)。艦船艙室空氣污染控制的典型設(shè)計(jì)流程如圖1所示。
圖1 艦船艙室空氣污染控制設(shè)計(jì)流程Fig.1 Flowchart of ship cabin atmosphere pollution control and design
本文將從艦船用非金屬材料的散發(fā)特性研究進(jìn)展出發(fā),全面總結(jié)艦船用非金屬材料散發(fā)特性的檢測(cè)評(píng)價(jià)現(xiàn)狀,提出當(dāng)前我國艦船用非金屬材料污染散發(fā)檢測(cè)評(píng)價(jià)存在的不足和發(fā)展方向。
典型艦船用非金屬材料的散發(fā)包括3 個(gè)傳質(zhì)區(qū)域,如圖2 所示[7]。污染物組分首先從非金屬材料內(nèi)部擴(kuò)散到材料與空氣的界面處,然后與環(huán)境空氣側(cè)的污染物組分通過物理/化學(xué)作用相互交換達(dá)到平衡,最后由界面處散發(fā)到環(huán)境空氣中。
圖2 非金屬材料污染散發(fā)示意Fig.2 Diagram of nonmetallic material pollution distribution
研究表明,非金屬材料污染散發(fā)特性除受材料本身影響外,還受環(huán)境污染背景濃度、溫濕度、空氣流速和環(huán)境壓強(qiáng)等多方面因素的共同影響[8-11]。
研究表明,同一類型非金屬材料的散發(fā)特性具有較強(qiáng)的規(guī)律性,因此,通過分析典型材料的散發(fā)特性,可獲得其散發(fā)模型,從而既能在縮短同一類型非金屬材料測(cè)試時(shí)間的同時(shí),有效指導(dǎo)材料污染散發(fā)評(píng)價(jià)與工程設(shè)計(jì)。非金屬材料散發(fā)模型包括經(jīng)驗(yàn)?zāi)P秃臀锢砟P? 大類[12]。
1.2.1 經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?/p>
非金屬材料污染散發(fā)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)P屯ㄟ^對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合得到,其優(yōu)點(diǎn)是形式簡單、使用簡便,很適合工程應(yīng)用。典型經(jīng)驗(yàn)?zāi)P桶ㄒ浑A衰減模型、雙一階衰減模型和指數(shù)模型等[13-15]。
當(dāng)前,國外非金屬材料污染散發(fā)檢測(cè)評(píng)價(jià)領(lǐng)域部分標(biāo)準(zhǔn)采用了經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?,在保證測(cè)試結(jié)果可信度的同時(shí),可縮短檢測(cè)周期、降低檢測(cè)成本,如美國辦公家具業(yè)協(xié)會(huì)(BIFMA)采用了指數(shù)衰減模型,根據(jù)樣品在通風(fēng)艙中第4 天和第7 天的測(cè)試結(jié)果,對(duì)第14 天的艙內(nèi)濃度進(jìn)行了預(yù)測(cè),表達(dá)式如下:
式中:E(t),E(t1),E(t2)分別為t,t1,t2時(shí)刻的散發(fā)速率;a,b 為模型系數(shù)。
國內(nèi)非金屬材料污染散發(fā)檢測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)暫未應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?,但相關(guān)機(jī)構(gòu)正在開展經(jīng)驗(yàn)?zāi)P驮谂灤梅墙饘俨牧衔廴旧l(fā)檢測(cè)評(píng)價(jià)中的適用性研究。潘滬湘等[16]采用遺傳算法開展了艦船用環(huán)氧涂料的污染物散發(fā)模型研究,結(jié)果表明模型擬合誤差精度可控制在10%以內(nèi),可用于預(yù)測(cè)任意時(shí)間內(nèi)有害氣體的散發(fā)濃度,從而節(jié)省測(cè)試時(shí)間,并為評(píng)價(jià)非金屬材料的毒性和進(jìn)行非金屬材料的選型提供指導(dǎo)。韋桂歡[17]研究了多種典型船用涂料的污染物散發(fā)模型,結(jié)果表明,擬合值與實(shí)驗(yàn)值相關(guān)性良好,其給出的散發(fā)模型如下:
式中:A 為非金屬材料污染物散發(fā)面積;V 為放置非金屬材料的實(shí)驗(yàn)艙容積;k1,k2為模型系數(shù)。
但是,非金屬材料的污染散發(fā)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P腿狈ιl(fā)特性的物理基礎(chǔ),不能揭示污染物傳遞過程的本質(zhì)規(guī)律和影響因素,從而導(dǎo)致通用性較差,不同非金屬材料污染散發(fā)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)P涂赡艽嬖诤艽蟛町悺?/p>
1.2.2 物理模型
物理模型由描述散發(fā)機(jī)理的基本控制方程和假設(shè)構(gòu)成,通過數(shù)學(xué)方法得到解析解,更能揭示材料污染散發(fā)的本質(zhì),如經(jīng)典的Little 模型[18]等。Little模型的控制方程和邊界條件如下:
式中:C 為污染物在非金屬材料內(nèi)的可散發(fā)濃度;D 為污染物在非金屬材料內(nèi)的傳質(zhì)擴(kuò)散系數(shù);x 為非金屬材料散發(fā)方向坐標(biāo);C0為污染物在非金屬材料內(nèi)的初始可散發(fā)濃度;Ca為實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)污染物濃度;Q 為實(shí)驗(yàn)艙換氣量;K 為分配系數(shù);L 為非金屬材料污染物散發(fā)方向厚度。
根據(jù)控制方程和邊界條件求解,可得到非金屬材料污染散發(fā)的解析解。與經(jīng)驗(yàn)?zāi)P拖啾?,考慮材料散發(fā)特征參數(shù)的物理模型精確度更高,更能反映材料的污染散發(fā)特性。但是,該類方法需要深入研究不同類型非金屬材料的散發(fā)機(jī)理,以獲取準(zhǔn)確的物理模型。目前,國內(nèi)、外已對(duì)典型非金屬材料的散發(fā)物理模型進(jìn)行了深入總結(jié)研究,具備較高的實(shí)用價(jià)值[19]。
近幾十年來,隨著艦船領(lǐng)域非金屬材料的大量使用和對(duì)艙室空氣品質(zhì)重視度的不斷提高,國內(nèi)、外針對(duì)艦船用非金屬材料污染散發(fā)檢測(cè)評(píng)價(jià)開展了大量研究工作。
2.1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,我國艦船用非金屬材料在密封艙環(huán)境一定天數(shù)下的污染物散發(fā)強(qiáng)度需小于艦船艙室空氣污染物的容許濃度,典型污染物容許濃度見表1[20-22]。其中,艦船艙室容許限值主要考慮對(duì)人體的生理、生化影響,不包括艦船設(shè)備對(duì)艙室空氣控制的要求。
表1 艦船典型污染物容許濃度Tab.1 Permissible concentration of typical composition aboard ship cabin
國外非金屬材料污染散發(fā)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)一般針對(duì)性地規(guī)定了不同類型材料的目標(biāo)污染物散發(fā)速率限值。目標(biāo)污染物包括致癌物質(zhì)和揮發(fā)性有機(jī)物2 大類。標(biāo)準(zhǔn)一般要求不能檢出全部或部分致癌物,致癌物分級(jí)依據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)下屬國際癌癥研究所(IARC)或歐盟的相關(guān)規(guī)定[23]。不同標(biāo)準(zhǔn)要求的揮發(fā)性有機(jī)物種類和散發(fā)限值存在較大差異,如歐洲相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)一般參考LCI(Lowest Concentration of Interest)指標(biāo)清單[24],清單中的限值由最不利人群可容忍的濃度及多種污染物的綜合效應(yīng)確定;美國標(biāo)準(zhǔn)一般參考環(huán)境健康危害評(píng)估辦公室(OEHHA)發(fā)表的關(guān)于非致癌性有機(jī)化合物長期暴露推薦濃度數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)庫中的限值由最敏感人群長期暴露時(shí)不會(huì)有嚴(yán)重系統(tǒng)性病變確定[25-27]。
2.1.2 基于評(píng)價(jià)指標(biāo)的材料分級(jí)
為規(guī)范艦船艙室非金屬材料使用,控制污染散發(fā)對(duì)艦員健康和設(shè)備、系統(tǒng)可靠運(yùn)行的影響,國內(nèi)、外制定了一系列標(biāo)準(zhǔn),對(duì)用于艦船環(huán)境的非金屬材料進(jìn)行檢測(cè)認(rèn)證,明確應(yīng)用范圍和要求,以指導(dǎo)材料選用,并對(duì)禁止、限制使用的材料進(jìn)行嚴(yán)格控制,避免非受控使用,確保人員安全[4]。
我國于1999年頒布了GJB 3881-1999《艦船用非金屬材料毒性評(píng)價(jià)規(guī)程》[28],要求對(duì)艦船(包括水面艦艇、常規(guī)潛艇和核潛艇)艙室非金屬材料污染散發(fā)進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià),明確材料是否允許在相關(guān)艦船艙室使用。
歐美發(fā)達(dá)國家建立了一系列散發(fā)標(biāo)識(shí)體系標(biāo)準(zhǔn),對(duì)非金屬材料產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)認(rèn)證,指導(dǎo)用戶選用,取得了顯著成效[27]。美、英等國針對(duì)艦船艙室非金屬材料污染散發(fā),在常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步制定了艦船材料控制程序,如美國潛艇材料控制程序中規(guī)定的非金屬材料分類及使用范圍如表2 所示[27]。
表2 艇用材料分級(jí)及使用范圍Tab.2 Submarine material control usage categories
基于擴(kuò)散傳質(zhì)可知,非金屬材料的污染物散發(fā)主要由3 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)表征:材料中污染物初始可散發(fā)濃度、污染物在材料中的擴(kuò)散系數(shù)及污染物在空氣和材料界面處的分配系數(shù)[29]。初始可散發(fā)濃度、擴(kuò)散系數(shù)和分配系數(shù)分別影響材料總散發(fā)量、材料散發(fā)時(shí)所在環(huán)境中的峰值濃度和散發(fā)速率[30]。非金屬材料污染散發(fā)特性的典型檢測(cè)方法包括環(huán)境艙法和現(xiàn)場測(cè)試法等。
2.2.1 環(huán)境艙法
所謂環(huán)境艙法,即將材料放置在特定環(huán)境條件的實(shí)驗(yàn)艙中測(cè)試其污染散發(fā)特性。目前,國外非金屬材料污染散發(fā)檢測(cè)方法及評(píng)價(jià)體系普遍采用該類方法進(jìn)行測(cè)試,并形成了一系列測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[27,30-33]。該類方法的優(yōu)點(diǎn)在于,可模擬非金屬材料的使用工況,從而測(cè)定材料在真實(shí)環(huán)境下的污染物散發(fā)水平。根據(jù)試驗(yàn)期間是否通風(fēng),可分為通風(fēng)艙法和密封艙法2 類。
1)通風(fēng)艙法。
通風(fēng)艙法是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求,將待測(cè)樣品放入給定溫濕度、送風(fēng)條件的實(shí)驗(yàn)艙中,以額定流量向艙內(nèi)提供潔凈空氣,排出混合均勻的污染空氣,當(dāng)艙內(nèi)污染物濃度達(dá)到平衡時(shí),假定艙室密封,艙內(nèi)無化學(xué)反應(yīng),壁面無污染物吸附/脫附,從而得到非金屬材料污染散發(fā)速率,計(jì)算公式如下:
式中,E 為測(cè)試材料污染散發(fā)速率。
為測(cè)得穩(wěn)態(tài)散發(fā)速率,標(biāo)準(zhǔn)一般將測(cè)試時(shí)間規(guī)定為7~28 d[27]。
2)密封艙法。
密封艙法與通風(fēng)艙法的差異在于,測(cè)試期間實(shí)驗(yàn)艙不與外界通風(fēng)換氣,即不輸入潔凈空氣。我國艦船領(lǐng)域非金屬材料污染散發(fā)檢測(cè)采用的是密封艙法[28,34],其檢測(cè)結(jié)果用于評(píng)價(jià)非金屬材料的污染散發(fā)強(qiáng)度是否滿足相關(guān)艙室污染物容許濃度限值要求。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的實(shí)驗(yàn)要求如表3 所示。
表3 艦船非金屬材料散發(fā)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)要求Tab.3 Emission experiment of ship nonmetallic material
我國在艦船非金屬材料污染散發(fā)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)制定后,開展了大量檢測(cè)研究。檢測(cè)結(jié)果表明,我國艦船用非金屬材料污染散發(fā)具有以下特點(diǎn):
(1)污染散發(fā)種類多,差異性大。由于材料本身特性差異,不同類型非金屬材料散發(fā)的污染物種類存在較大差異,典型的污染物包括二氧化碳、一氧化碳、氨、烷烴、烯烴、芳香烴、丙酮、氟利昂等[35-39]。
(2)污染物散發(fā)速率差異大。密封艙環(huán)境下的濃度峰值可能出現(xiàn)在密封初期、中期或末期的任何一個(gè)階段。如LZN-2 型高性能阻尼材料[35]、艇用阻燃橡膠地板[36]等艦船非金屬材料在規(guī)定的檢測(cè)周期內(nèi),實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)典型污染物的濃度持續(xù)上升,如圖3(a)和圖3(b)所示;G-39 型隔聲密封材料[37]等艦船非金屬材料在規(guī)定的檢測(cè)周期內(nèi),實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)典型污染物的濃度持續(xù)降低或先上升后下降,如圖3(c)所示。
從測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試結(jié)果可以看出,我國艦船非金屬材料污染散發(fā)檢測(cè)對(duì)密封艙的要求較低,如未規(guī)定密封、壁面材料的吸附性能要求等,導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果中的曲線波動(dòng)原因分析困難。同時(shí),雖然單次檢測(cè)周期長(持續(xù)20~90 d),但僅根據(jù)測(cè)試周期內(nèi)的艙內(nèi)濃度峰值對(duì)材料散發(fā)特性進(jìn)行評(píng)價(jià),未考核非金屬材料的污染物散發(fā)速率、初始可散發(fā)濃度等散發(fā)特性參數(shù),難以指導(dǎo)艦船空氣凈化系統(tǒng)的定量化設(shè)計(jì)。
圖3 非金屬材料污染物散發(fā)特性Fig.3 Pollution emission characteristic of typical nonmetallic material
3)改進(jìn)的密封艙法。
為降低測(cè)試成本,縮短測(cè)試時(shí)間,在深入研究非金屬材料污染散發(fā)機(jī)理的基礎(chǔ)上,熊建銀等[40]提出了基于大型密封艙的非金屬材料污染散發(fā)特性檢測(cè)用的C-history 方法,該方法要求密封艙體積大,密封性能良好,壁面無吸附等,其基本原理如下:在環(huán)境艙(采用密封艙)測(cè)試材料散發(fā)時(shí),假設(shè)材料均勻,材料內(nèi)污染物為一維擴(kuò)散,且箱內(nèi)污染物混合均勻,可得如下關(guān)系式:
式中:Ca(t)為環(huán)境艙內(nèi)污染物逐時(shí)濃度;Cequ為環(huán)境艙內(nèi)污染物平衡濃度;β=AL/V ;SL 和INT為模型系數(shù)。
通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可獲得斜率SL 和截距INT,從而得到擴(kuò)散系數(shù)、分配系數(shù)和初始可散發(fā)濃度。該方法單次檢測(cè)一般僅需3 d左右,可在保證檢測(cè)精度的同時(shí)大幅度降低檢測(cè)成本,具有廣闊的應(yīng)用前景[41]。
2.2.2 現(xiàn)場測(cè)試法
現(xiàn)場測(cè)試法通過在材料實(shí)際使用環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試,評(píng)價(jià)材料散發(fā)特性。該類方法用于完工后的艙室空氣品質(zhì)檢測(cè),發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)材料控制程序存在的問題與不足。
近年來,隨著對(duì)艦船艙室空氣品質(zhì)關(guān)注度的不斷提高,國內(nèi)針對(duì)艦船艙室空氣污染開展了大量實(shí)測(cè)研究[42]。初步結(jié)果表明,我國艦船艙室空氣品質(zhì)不容樂觀,具體表現(xiàn)在:
1)污染物種類繁多,成分復(fù)雜;
2)存在單一或多種污染物超標(biāo)現(xiàn)象;
3)人員主觀感受滿意度低。
可見,我國艦船艙室空氣品質(zhì)存在較大的改進(jìn)空間,因而對(duì)艙室主要污染源之一——非金屬材料散發(fā)的控制,就顯得尤為重要。
2.2.3 其他方法
其他檢測(cè)方法,如萃取法、穿孔法等,多用于非金屬材料單一污染物,如甲醛的散發(fā)檢測(cè)評(píng)價(jià)[43],因而艦船非金屬材料污染散發(fā)檢測(cè)評(píng)價(jià)需涵蓋艦船艙室空氣組分控制標(biāo)準(zhǔn)中的各類污染物及其他污染物,因此在艦船用非金屬材料檢測(cè)評(píng)價(jià)中未采用該類方法。
通過艦船用非金屬材料污染散發(fā)檢測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的制定,結(jié)束了我國艦船非金屬材料污染散發(fā)評(píng)價(jià)長期缺乏統(tǒng)一方法和標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀,對(duì)指導(dǎo)艦船設(shè)計(jì)、建造和使用期間的非金屬材料選用,控制艦船艙室污染散發(fā)強(qiáng)度,改善艙室環(huán)境質(zhì)量,保障人員健康和安全發(fā)揮了重要作用。
但是,隨著我國艦船定量設(shè)計(jì)的發(fā)展,相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及方法已難以滿足密閉艙室空氣污染源頭治理與設(shè)計(jì)需求,具體表現(xiàn)在:
1)實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定實(shí)驗(yàn)溫度為材料使用環(huán)境溫度上限,但在實(shí)際使用時(shí),材料所處環(huán)境可能遠(yuǎn)低于溫度上限,考慮到不同溫、濕度環(huán)境下材料污染散發(fā)特性的差異,實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅能反映最不利情況下的散發(fā)平衡濃度,可能與實(shí)際使用環(huán)境下的散發(fā)情況存在較大偏差。
2)實(shí)驗(yàn)材料。標(biāo)準(zhǔn)要求根據(jù)艙室單位容積用量放入對(duì)應(yīng)體積的材料,未對(duì)材料具體規(guī)格進(jìn)行考核約束,但實(shí)際污染散發(fā)強(qiáng)度受材料厚度、比表面積、材料安裝工藝等多方面因素的共同影響,不同條件下的測(cè)試結(jié)果可能存在較大差異。
3)環(huán)境艙的設(shè)計(jì)和制作工藝。標(biāo)準(zhǔn)僅規(guī)定了密封艙的加工材料和容積等基本要求,未規(guī)定密封性能、吸附特性等,密封艙質(zhì)量有可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果,降低結(jié)果準(zhǔn)確度。
4)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)僅根據(jù)艦船艙室環(huán)境容許濃度限值進(jìn)行評(píng)價(jià),未制定艦船艙室用非金屬材料的污染物散發(fā)速率限值,測(cè)試結(jié)果僅為散發(fā)平衡濃度,無法提供散發(fā)速率等相關(guān)信息。
綜上,雖然我國制定了艦船非金屬材料污染散發(fā)控制標(biāo)準(zhǔn),但未明確非金屬材料污染散發(fā)的實(shí)驗(yàn)細(xì)則。因此,為加強(qiáng)艦船艙室空氣污染源頭治理,指導(dǎo)艙室空氣凈化系統(tǒng)定量化設(shè)計(jì),有必要結(jié)合艙室非金屬材料實(shí)際使用情況,從測(cè)試樣品選取、實(shí)驗(yàn)艙質(zhì)量控制[44]、環(huán)境條件要求、結(jié)果處理等多個(gè)方面,改進(jìn)優(yōu)化非金屬材料污染散發(fā)的檢測(cè)評(píng)價(jià)方法。
從艦船非金屬材料的檢測(cè)需求出發(fā),其典型的檢測(cè)體系流程如圖4 所示。為進(jìn)一步提高我國艦船艙室空氣品質(zhì),需結(jié)合當(dāng)前暴露的不足,借鑒建筑、航天等其他領(lǐng)域非金屬材料的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn),針對(duì)檢測(cè)體系中樣品選取、樣品處理、測(cè)試方法、結(jié)果評(píng)價(jià)、后續(xù)跟蹤反饋等各個(gè)環(huán)節(jié)開展改進(jìn)研究。
圖4 非金屬材料污染散發(fā)檢測(cè)體系流程Fig.4 Diagram of nonmetallic material emission detection
當(dāng)前,隨著艦船領(lǐng)域?qū)m居性要求的不斷提高,艙室裝修、美化等均可能導(dǎo)致非金屬材料使用量的大幅增加,而我國艦船領(lǐng)域非金屬材料散發(fā)檢測(cè)難以滿足行業(yè)需求,迫切需要開展針對(duì)性、系統(tǒng)性的改進(jìn)研究,加強(qiáng)艦船艙室非金屬材料使用控制,減少污染源散發(fā),保證人員健康和設(shè)備安全可靠運(yùn)行。
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