空氣質量檢測的強力武器——傳感器

人們每時每刻都離不開氧,并通過吸入空氣而獲得氧。一個成年人每天需要吸入空氣達6500升以獲得足夠的氧氣,因此,被污染了的空氣對人體健康有直接的影響。人的一生中有90%以上時間在室內度過，室內空氣品質對人的影響更是至關重要。

隨著市場經(jīng)濟與科學技術的不斷發(fā)展，建筑領域的發(fā)展也日新月異，人們對生活質量的要求越來越高，建筑裝修裝飾的標準也隨之增高，那么室內空氣污染現(xiàn)象也就伴隨而生。

室內主要污染物來源

室內空氣污染物的來源主要有五個方面：

1、室外空氣污染,大氣中的粉塵、汽車和工業(yè)廢氣中的NOx、CO、SO2和可吸入顆粒物。

2、建筑裝修材料和室內設備,相關污染物如酚醛樹脂、脲醛樹脂類化合物中的甲醛,加濕劑帶來的多種細菌、真菌和孢子,粘合劑中的多種揮發(fā)性有機物等; 毒物質,呼氣中含16種揮發(fā)性有毒物質。

3、放射性污染:即電離輻射污染,氡、釷、鐳等放射性核素。房基地本身滲透的氡及其子體以及各種建筑材料中的放射性物質。其中,C射線來自房屋的建材大理石、花崗巖等天然石材或摻工業(yè)廢渣的建筑裝飾材料、陶瓷磚等。氡及其子體來源于建材如花崗巖、磚砂、水泥、石膏以及受氡源污染的煤氣、水等。

4、生物污染:軍團菌、放線菌等細菌,曲霉菌、葡萄狀穗霉菌等真菌,病菌,花粉,蟲螨等。自然情況下,人類呼吸道傳染病絕大部分是在室內傳播感染的致病菌。僅引起呼吸道感染的病毒有200種之多,這些感染的發(fā)生絕大部分是在室內通過空氣傳播的。

室內污染物防治技術

隨著人們對室內空氣質量的重視和技術的發(fā)展,室內污染防治措施日趨增多。主要有吸附凈化、紫外線消毒、化學消毒、光催化氧化、空氣負離子技術、生物凈化、植物凈化等。近幾年發(fā)展比較快的有光催化氧化及其與其它技術相結合的技術。

光催化氧化

光催化氧化技術原理是采用二氧化鈦(TiO2)進行光催化,直接利用包括太陽能在內的各種來源的紫外光,在常溫下對各種有機和無機污染物進行分解或氧化,其分解成為H2O和CO2,達到凈化空氣的目的[4]。經(jīng)報道,在波長254 nm的紫外光下,以光催化劑TiO2活性炭纖維作載體,對甲醛進行吸附和光催化氧化,96%的甲醛被去除[5]。光催化氧化優(yōu)點是能耗低、操作簡單、無二次污染;缺點是利用太陽光效率低、反應速度慢。有文獻指出,將光催化氧化和其它技術復合時可以通過不同技術間的協(xié)同作用來提高有害氣體的脫除效果。

1、光催化氧化和催化氧化技術的復合

對TiO2進行鍍鉑,在溫度為333K或更高時,揮發(fā)性有機物如甲苯、乙烯等活性不高的VOCS的氧化轉化效果提高。在熱催化和光催化的共同作用下,可以實現(xiàn)對所有VOCS的全部氧化。

2、光催化氧化和吸附技術的復合

通過吸附劑將有害氣體吸附在催化劑上,再在其表面進行催化反應,可以使有害氣體在較短的時間內擴散到催化劑表面,并使表面氣體濃度增大,加快反應速率,強化了脫除效果。以高比表面積的活性炭為吸附劑,在HZSM-5型分子篩上負載TiO2作催化劑,在紫外光照射下,甲醛濃度在10min內由1. 0mg/m3降為0. 1mg/m3; 90min后幾乎檢測不到甲醛。

3、光催化氧化和等離子體技術的復合

該技術采用大量高能電子轟擊產生的O-(或O2-)和OH-等活性粒子,使有機物分子分解為CO2和H2O,隨著紫外光的輻射還可以起到殺菌消毒的作用。通過采用等離子體和光催化對三氯乙烯進行脫除實驗,發(fā)現(xiàn)單獨使用二者時,三氯乙烯降解率分別為32. 0%和141%,而將等離子體和光催化復合時,其降解率達到75.4%[8]。由此可見,等離子體和光催化之間有明顯的協(xié)同作用,可以顯著提高催化劑的反應活性。

臭氧凈化技術

由于臭氧為輕微離子結合體,結合狀態(tài)極不穩(wěn)定,在常溫下會緩慢分解成氧氣,將單氧分離出來,臭氧參與物質分解后還原成氧氣。對甲醛、一氧化碳的分解機理如下:

甲醛: 3HCHO+2O3y3H2O+3CO2、一氧化碳:CO+O3yCO2+ O2研究表明,低濃度臭氧(0. 050~0. 075mg/m3)可凈化室內空氣甲醛污染,凈化率為42%。

缺點是臭氧是一種具有刺激性和強氧化性的有害氣體,會污染室內空氣。

空氣負離子技術

空氣負離子技術一方面可以與室內空氣中的微小顆粒物相吸附,成為帶電的大離子沉降,另一方面使細菌蛋白質表層電性兩極發(fā)生顛倒,促使細菌死亡,對人體的健康十分有益?？諝庳撾x子的發(fā)射技術主要有:電暈放電、水發(fā)生和放射發(fā)生。實驗表明,HE系列空氣負離子發(fā)生器使氡子體濃度明顯降低50%左右。優(yōu)點是主機便宜,噪聲小,體積小;缺點是粒子并未收集或過濾效果差,產生臭氧,造成二次污染。

生物凈化技術

生物法處理大氣污染物是一項新興技術,主要是過濾器中的多孔填料表面覆蓋有生物膜,污染物與膜內的微生物相接觸發(fā)生生物化學反應,使其完全降解為CO2和H2O。[11]生物凈化技術基本方法有生物過濾法、生物洗滌法、生物吸收法等。當NO通過生物土壤填裝的濾塔,結果當NO進口濃度為211mg/m3,停留時間為2min時,NO去除率為60%左右[12]。羌寧等研究了生物滴濾器凈化甲苯廢氣,結果表明:在甲苯負荷每小時小于280g/ms,停留時間15. 73s的條件下,表觀氣速230m/h時,可保持90%以上的凈化率。

VOC及其危害

VOC，即揮發(fā)性有機物(Volatile Organic Compounds)。美國環(huán)境署(EPA)對VOC的定義是：除了一氧化碳、二氧化碳、碳酸、金屬碳化物、碳酸鹽以及碳酸銨外，任何參與大氣中光化學反應的含碳化合物。百度百科對VOC的描述是：“在常溫下可以蒸發(fā)的形式存在于空氣中，它的毒性、刺激性、致癌性和特殊的氣味性，會影響皮膚和黏膜，對人體產生急性損害……是一類重要的空氣污染物。”

當VOC在居室空氣里達到一定濃度，人們會開始感到頭痛、惡心、四肢乏力;假如繼續(xù)長時間逗留，會傷害肝、腎、大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，甚至可能引起抽搐、昏迷、導致記憶力減退，帶來嚴重后果。VOC危害如此嚴重，可它又是從何而來呢?專家指出，墻壁、天花板、地面等建材，以及乳膠漆、墻紙、絕熱材料、粘合劑等裝飾材料都是VOC的主要來源。需要特別指出的是:裝修最常使用的乳膠漆的VOC，主要來自于原材料的VOC，包括甲醛、氨、乙二醇等，所以控制原材料的VOC含量至關重要!

室內空氣中高濃度的VOC顯著影響到居住者的舒適感。CO2是無味的，但VOC氣味很重，而且大部份VOC令人不愉快。另外，空氣中VOC的影響不僅僅是讓人感到不舒服。美國國家環(huán)境保護局(EPA)網(wǎng)站列出了短期和長期的健康影響，指出這些影響可能與室內空氣中的VOC有關。EPA指出的這些影響包括：眼睛、鼻子和喉嚨有刺激感;頭痛、失去協(xié)調和惡心;損害肝、腎，以及中樞神經(jīng)系統(tǒng);一些有機物會導致動物癌癥;有些甚至被懷疑或已知會導致人類癌癥。

空氣質量檢測的強力武器——傳感器

檢測技術是人們認識和改造世界的一種必不可少的重要技術手段。而傳感器是科學實驗和工業(yè)生產等活動中對信息資源的開發(fā)獲取、傳輸與處理的一種重要工具。

氣體傳感器是一種能感知環(huán)境中某種氣體的種類和濃度的裝置或者器件，并能夠將其相關信息轉換為電信號以便于對待測氣體進行監(jiān)測、分析及報警。伴隨著人們對環(huán)境空氣質量要求的提高，對于性能優(yōu)良的便攜式在線氣體傳感器檢測儀的需求和要求也越來越高，一個完美的氣體傳感器應該具有以下幾個特點：

(1)選擇性好，能夠在多種氣體共存的環(huán)境中對被測氣體有明顯的響應特征;

(2)靈敏度高，具有寬的檢測范圍和低的檢出限;

(3)信號響應和恢復速度快，且可逆性好;

(4)抗電磁等干擾能力強，重現(xiàn)性和穩(wěn)定性好，具有較長的保存和使用壽命;

(5)結構簡單，低耗價廉，使用和維修方便;

(6)小型便攜，智能化和多功能化，便于在線現(xiàn)場分析。

常見VOC氣體傳感器根據(jù)其工作原理主要分為三大類：電化學氣體傳感器(如電阻、電流、阻抗、電位等)、光學類傳感器(包括光譜吸收型、熒光法、可視化法等)以及質量型氣體傳感器(例如石英晶體微天平和表面聲波氣體傳感器)等。按照氣敏材料可以分為半導體金屬氧化物材料、有機聚合物材料、無機-有機復合材料等。近年來，氣體傳感器的發(fā)展趨勢是微型化、智能化和多功能化。

VOC氣體傳感器的工作原理

VOC元件本身可檢測到多種VOC，并提供對應于VOC濃度變化的相對輸出。當配備了板載處理器時，該傳感器還能夠計算多種VOC的等效相對值。由于這些元件的輸出是相對的，因此不需要校準。

另外，還有一類絕對輸出氣體傳感器：它們對于安全攸關的應用來說是理想的也是必要的選擇，在這些應用中，某些氣體濃度過高會對生命或者健康構成直接威脅。這種絕對輸出元件通常：相對比較昂貴;只能檢測一種氣體;需要定期校準以提供準確的輸出數(shù)據(jù)。

在IAQ監(jiān)測應用中這些因素顯然不受歡迎。VOC傳感器是對這種重要但有限絕對測量源的補充：這種傳感器能夠檢測到多種VOC，因此可以用于檢測由一種或者多種VOC化合物引起的室內空氣品質變化——而這會影響建筑物內的人。

在IAQ監(jiān)測中，例如ams CCS811(2.7mm x 4mm x 1.1mm，LGA封裝)或iAQ-CORE(接腳布局為15mm x 18mm的整合傳感器模組)等寬頻譜傳感器，并非針對安全攸關應用的某種特殊氣體報告其絕對ppm值，而是提供環(huán)境中多種VOC濃度的相對變化值。

在IAQ監(jiān)測應用中，VOC傳感器可以與絕對輸出CO2傳感器一起使用，隨時為CO2濃度提供確切的基準。VOC傳感器補強了絕對CO2的測量，采集有關VOC事件的其它數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不一定與居住者(通常是CO2濃度升高的主要原因)直接相關。

幾種空氣質量檢測的主要傳感器

金屬氧化物半導體式傳感器

金屬氧化物半導體式傳感器利用被測氣體的吸附作用,改變半導體的電導率,通過電流變化的比較,激發(fā)報警電路。由于半導體式傳感器測量時受環(huán)境影響較大,輸出線形不穩(wěn)定。金屬氧化物半導體式傳感器,因其反應十分靈敏,故目前廣泛使用的領域為測量氣體的微漏現(xiàn)象。

化燃燒式傳感器

催化燃燒式傳感器原理是目前最廣泛使用的檢測可燃氣體的原理之一,具有輸出信號線形好、指數(shù)可靠、價格便宜、無與其他非可燃氣體的交叉干擾等特點。催化燃燒式傳感器采用惠斯通電橋原理,感應電阻與環(huán)境中的可燃氣體發(fā)生無焰燃燒,是溫度使感應電阻的阻值發(fā)生變化,打破電橋平衡,使之輸出穩(wěn)定的電流信號,再經(jīng)過后期電路的放大、穩(wěn)定和處理最終顯示可靠的數(shù)值。

定電位電解式傳感器

定電位電解式傳感器是目前測毒類現(xiàn)場最廣泛使用的一種技術,在此方面國外技術領先,因此此類傳感器大都依賴進口。定電位電解式氣體傳感器的結構:在一個塑料制成的筒狀池體內,安裝工作電極、對電極和參比電極,在電極之間充滿電解液,由多孔四氟乙烯做成的隔膜,在頂部封裝。前置放大器與傳感器電極的連接,在電極之間施加了一定的電位,使傳感器處于工作狀態(tài)。氣體與的電解質內的工作電極發(fā)生氧化或還原反應,在對電極發(fā)生還原或氧化反應,電極的平衡電位發(fā)生變化,變化值與氣體濃度成正比。

迦伐尼電池式氧氣傳感器

迦伐尼電池式氧氣傳感器的結構:在塑料容器的一面裝有對氧氣透過性良好的、厚10-30μm的聚四氟乙烯透氣膜,在其容器內側緊粘著貴金屬(鉑、黃金、銀等)陰電極,在容器的另一面內側或容器的空余部分形成陽極(用鉛、鎘等離子化傾向大的金屬)。用氫氧化鉀。氧氣在通過電解質時在陰陽極發(fā)生氧化還原反應,使陽極金屬離子化,釋放出電子,電流的大小與氧氣的多少成正比,由于整個反應中陽極金屬有消耗,所以傳感器需要定期更換。目前國內技術已日趨成熟,完全可以國產化此類傳感器。

紅外式傳感器

紅外式傳感器利用各種元素對某個特定波長的吸收原理,具有抗中毒性好,反應靈敏,對大多數(shù)碳氫化合物都有反應。但結構復雜,成本高。

PID光離子化氣體傳感器

PID由紫外燈光源和離子室等主要部分構成,在離子室有正負電極,形成電場,待測氣體在紫外燈的照射下,離子化,生成正負離子,在電極間形成電流,經(jīng)放大輸出信號。PID具有靈敏度高,無中毒問題,安全可靠等優(yōu)點。

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