聚氨酯防水涂料有机化合物在输水管道中的迁移量研究

财富 2024-12-17 16:59 北京

刘祥军¹，麦绍宗¹，冯昭贤¹，陈燕舞²，路风辉²

(1.广东顺控环境检测科技有限公司(技师工作站)，广东顺德 528000；2.顺德职业技术学院，广东顺德 528000)

摘要

文章通过现场取样和实验室模拟，探讨了聚氨酯防水涂料中有机化合物在输水管道中的迁移行为。对疑似污染的给水 PPR 管材和固化后的聚氨酯防水涂料进行连续浸泡实验，建立吹扫捕集 / 气相色谱-质谱联用法对浸泡液进行成分分析，鉴定出聚氨酯防水涂料中向 PPR 管材中迁移的污染物类别，包括 1,2,3-三甲苯、1,2-二乙基苯、3-丙基甲苯等多种四甲苯类有机化合物。通过不同浸泡时间和防水基层有效阻隔厚度的实验，分析了这些因素对有机化合物迁移量的影响。研究结果表明，防水基层厚度和浸泡时间显著影响有机化合物的迁移行为，提供了优化聚氨酯防水涂料应用于输水管道的理论依据和实践建议。

关键词

聚氨酯防水涂料；有机化合物；输水管道；GC-MS；供水安全

引言

聚氨酯防水涂料^[1]具有卓越的防水、堵漏性能，在建筑给水工程中广泛应用^[2-3]。但施工不当时，容易导致涂料中化学物质迁移至供水管道，相关污染事件的报道时有发生^[4]。根据分子运动和扩散效应，涂料中含有的有机化合物可能在输水管道中迁移，对供水水质安全造成潜在影响。目前，对聚氨酯防水涂料中化学物质的检测大多集中在涂料本身，鲜有对涉水管材中迁移量的研究。开展聚氨酯防水涂料中有机物迁移规律的研究，具有重要的安全与环保应用价值。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

1.1.1 仪器

7890A/5975C 型气相色谱-质谱联用仪；DB-624MS毛细管柱 30 m×0.25 mm×1.40 μm；Tekmar Atomx型吹扫捕集仪；Atomx Teklink联机软件；25.0 mL 吹扫管，自动进样；Millipore 超纯水系统；赛多利斯科学仪器有限公司提供的电子分析天平。

1.1.2 试剂

内标物采用CLP-004-100X：氟苯，浓度为2 000 μg/mL；质谱标记物采用 4-溴氟苯；无 VOCs 纯水、色谱纯甲醇、盐酸、抗坏血酸、碳酸氢钠等^[5]。

1.2 实验方法

1.2.1 现场勘查

本研究基于某小区供水水质污染事件开展。项目小区为新建小区，带装修交付。在收楼以后，6、7、8 座多名业主反馈，家中自来水散发一股刺鼻的“煤油味”，厨房、卫生间的水都能闻到这股味，很久都不能散去，已经影响到日常生活。工作人员到现场勘查，发现二次供水水箱、各楼层水井房出水均无异味，而多个厨房、卫生间的出水有明显异味。经初步抽样检测，二次供水水箱、各楼层水井房水质符合生活饮用水卫生标准，厨房、卫生间出水水质“嗅和味”指标超过标准限值。经了解装修施工工艺，结合水质检测结果，初步判断为聚氨酯防水涂料污染饮用水^[6]。为进一步确定污染原因，开发商对部分楼层卫生间、厨房地面破拆，委托检测机构进行检测分析。

1.2.2 试件准备

(1) PPR 管材准备。聚氨酯防水涂料施工时，不能直接敷设在输水管道上方，应采用 1∶2.5 或 1∶3.0水泥砂浆进行找平处理作为防水保护基层，厚度不小于20 mm。该小区进行防水涂层施工时，部分区域将给水管置于防水保护基层中，未能预留足够与聚氨酯防水涂层的安全距离，部分区域聚氨酯涂料直接敷设在水管上方。聚氨酯涂料中的有机物通过分子运动和扩散效应迁移至 PPR 水管中，从而造成水质异味。本研究试验管材试件从该小区商品房中疑似污染区域预埋给水管取出。这主要来自各住户主卫、公卫、厨房，破拆防水涂层及防水保护基层后截取长度 20 cm 的PPR 管材，另取同品牌型号未使用新水管作为对照，用自来水将试样清洗干净，并连续冲洗 30 min^[7]。

(2) 聚氨酯涂料样本准备。本项目试件从该小区住户商品房中疑似污染区域破拆后的防水涂料层取出，截取 10 cm×10 cm 方块状样本，用水将试样清洗干净，并连续冲洗 30 min。

(3) 浸泡水的配制。配制 pH 值为 8、硬度 100 mg/L 的浸泡水方法如下：取 25 mL 碳酸氢钠缓冲液 (0.04 mol/L)、25 mL 钙硬度贮备液 (0.04 mol/L) 以及所需的氯贮备液，用纯水稀释至 1 L。按此比例配制实际所需要的浸泡水，浸泡水需用时当天配制。

1.2.3 浸泡实验

(1) 浸泡方法。将各试验部件置于可密封的玻璃容器中，用浸泡水充满容器，在 25 ℃±5 ℃避光的条件下浸泡。另取相同容积玻璃容器，将空白对照管材置于容器内，加满试验用浸泡水进行浸泡。

(2) 浸泡时间。为观察溶出污染物浓度的衰减情况，同时考虑项目时效性，项目浸泡实验持续 6 个浸泡周期，于浸泡后 1、3、5、7、10 和 20天收集全部浸泡水，供检测分析用。在每次收集浸泡水的同时，全部换入新的浸泡水。

(3) 样品采集。浸泡时间结束后，在预先洗净的样品瓶中先加入抗坏血酸 (每40 mL 水样加 25 mg)，立即采集浸泡水放入预先洗净的样品瓶内每 20 mL 样品中加入 1 滴 4 mol/L 盐酸，调节样品 pH 值＜ 2，再密封样品瓶。注意垫片的聚四氟乙烯 (PTFE) 面朝下。同时，采集各时间段的空白对照样品。

1.2.4 检测项目及分析条件

(1) 检测项目。参考 GB/T 19250—2013《聚氨酯防水涂料》中有害物质限量中的部分项目，包括挥发性有机化合物 (VOCs)、苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯酚、蒽、萘以及其他有机物。

(2) 色谱条件。本研究采用 30 m×0.25 mm×1.40 μm的 DB-624MS 毛细管柱，具有高分离效率、高分辨率等优点。程序升温：初始温度 40 ℃，保持 5 min，以 6 ℃/min速率升温至 160 ℃，保持 5 min，以 20 ℃/min 速率升温至 210 ℃，保持 2 min；总计分析时间：34.5 min；载气 (氦气)：恒流，1.0 mL/min；进样口温度：250 ℃；进样方式：不分流进样。

(3) 质谱条件。离子源：EI 源，电子能量 70 eV；离子源温度：230 ℃；GC-MS 传输线温度：250 ℃；采集方式：全扫描 (All Scan)；microscan 次数：3 次。

(4) 吹扫捕集条件。以高纯氮气 (99.999%) 为吹扫气，吹扫流速：40 mL/min；吹扫时间：1l min；解吸温度：250 ℃；解吸时间：4 min；解吸流速：300 mL/min；解吸后捕集阱在 280 ℃烘焙 5 min。

1.2.5 样品检测

将待测水样用注射器注入吹扫捕集装置的吹托管中，于室温下通以惰性气体 (氦气)，把水样中低水溶性的有机化合物及加入的内标和标记化合物吹脱出来，捕集在装有适当吸附剂的捕集管内。吹脱程序完成后，捕集管被瞬间加热并以氦气反吹，将所吸附的组分解吸入毛细管气相色谱仪 (GC) 中，组分经程序升温色谱分离后，用质谱仪 (MS) 检测。

2 结果与讨论

2.1 聚氨酯防水涂料固化层的GC-MS 分析

聚氨酯防水涂料成分非常复杂，尽管大部分化学物质含量较低，但其种类繁多。为了研究聚氨酯防水涂料中向 PPR 管迁移的主要物质，首先对聚氨酯防水涂料现场施工后的固化层样品 (试件编号：A) 进行 GC-MS分析，以确定其潜在迁移的主要组成成分。分析结果表明，苯、甲苯、乙苯、二甲苯等有机物未检出，可能是由于该几类物质沸点低、挥发性强，在施工过程、涂料固化过程中已经充分挥发，不产生明显迁移。在保留时间 20～26 min 范围内，出现大量色谱峰。通过谱图检索、特征离子比较、保留时间对照等进行定性分析，发生迁移的污染物主要分子式为 C10H14 的芳香烃类物质，包含多个同分异构体。如：1,2-二乙基苯、3-丙基甲苯、1-乙基对二甲苯、1-甲基-4-正丙苯、2-乙基对二甲苯、1-甲基-2-异丙基、1,2-二甲基-4-乙基苯、1,3-二甲基-4-乙基苯、1,2,4,5-四甲苯、1,2,3,4-四甲基苯。由于所有试件在连续时间及相同分析条件进行分析，因此以下以峰面积大小间接代表浓度 (迁移量) 关系。

2.2 防水基层有效阻隔厚度(mm) 的影响

为研究防水保护基层有效阻隔厚度对聚氨酯防水涂料中有机物迁移量的影响，取全部试件第一天浸泡水进行 GC-MS 分析。

检测结果表明，受污染的管件检出的污染物色谱峰与试件 N(聚氨酯防水涂料固化层) 的色谱峰定性结果完全一致，新管件、未敷设防水涂料的区域均未检出污染物，由此说明 PPR 管材中本身无污染物浸出，污染物来源于聚氨酯防水涂料的有机物的迁移。

2.3 不同浸泡时间的影响

为研究污染物迁移量随浸泡次数的衰减情况，取全部试件 1、3、5、7、10 和 20 天的浸泡水样品进行GC-MS 分析。检出情况如表 1 所示。

由表 1 可知，试件 A、H、L、M、N、O、P、Q、R、S、T、V 仍均未检出 C₁₀H₁₄，其余试件均有明显检出。同时，根据试件 B、C、D、E、G、H、I、J、K、U 的结果来看，试件 U 为直接用聚氨酯涂料固化层，其浸泡出的迁移污染物含量最高，且随浸泡次数增加，无明显下降趋势，甚至在第 6 次浸泡 (20天) 时，污染物含量最高，分析其原因，应是由于该试件为聚氨酯防水涂料固化层直接浸泡，污染物含量较高，浸泡水中污染物浓度接近饱和，虽每次浸泡后更换浸泡水，但仍有大量迁移污染物浸出，第 6 次浸泡时间最长，因此浸出量最多。其余试件中，大部分第 2～5 次浸出液中污染物浓度呈下降趋势，第 6 次浸泡时间较长，迁移污染物溶出较多，普遍呈上升趋势。通过连续 6 次浸泡，污染物仍未能全部消除，说明试件中迁移的污染物释放速度较缓慢，已污染区域的给水管道难以在短期内通过连续排水消除污染物。已破拆地面，重新敷设管道的区域未检出污染物，说明经改变施工工艺，确保防水保护基层有效厚度后，能有效阻隔污染物，该方法可以用于后续污染区域的改进。

3 结论

本研究基于室内给水系统中敷设聚氨酯防水涂料时有机物向 PPR 管内的迁移量检测，建立了一种吹扫捕集 / 气相色谱-质谱联用方法，该方法样品前处理易操作，检测结果准确可靠。应用该方法对聚氨酯防水涂料固化层和 PPR 管进行迁移量研究，结果表明：

(1) 聚氨酯防水涂料中的有机物能通过分子运动和扩散作用迁移至 PPR管材中，发生迁移的物质是 C₁₀H₁₄ 芳香烃及其多种同分异构体，主要为 1,2-二乙基苯、3-丙基甲苯、1-乙基对二甲苯、1-甲基-4-正丙苯、2-乙基对二甲苯、1-甲基-2-异丙基、1,2-二甲基-4-乙基苯、1,3-二甲基-4-乙基苯、1,2,4,5-四甲苯、1,2,3,4-四甲基苯。分子量较小、挥发性较强的苯、甲苯、二甲苯等则易在施工阶段、养护阶段及日常中挥发，不发生迁移。

(2) 聚氨酯防水涂料施工时，必须先做好防水保护基层，且应施工在给水管道上层，确保给水管道与聚氨酯防水涂料之间有足够的安全距离。防水基层水泥砂浆厚度不够时，聚氨酯防水涂料中有机物易迁移至 PPR管材中。当保护基层厚度大于 20 mm 时，能有效阻隔污染物迁移。

来源：《工艺管控》 2024年10月第9期

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