一文詳解室內(nèi)空氣檢測(cè)技術(shù)及VOC傳感器

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

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，建筑領(lǐng)域的發(fā)展也日新月異，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來越高，建筑裝修裝飾的標(biāo)準(zhǔn)也隨之增高，那么室內(nèi)空氣污染現(xiàn)象也就伴隨而生。

室內(nèi)主要污染物來源

室內(nèi)空氣污染物的來源主要有五個(gè)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(nèi)設(shè)備,相關(guān)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(xì)菌、真菌和孢子,粘合劑中的多種揮發(fā)性有機(jī)物等; 毒物質(zhì),呼氣中含16種揮發(fā)性有毒物質(zhì)。

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(zhì)。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(tuán)菌、放線菌等細(xì)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(nèi)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(nèi)通過空氣傳播的。

室內(nèi)污染物防治技術(shù)

隨著人們對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的重視和技術(shù)的發(fā)展,室內(nèi)污染防治措施日趨增多。主要有吸附凈化、紫外線消毒、化學(xué)消毒、光催化氧化、空氣負(fù)離子技術(shù)、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(shù)相結(jié)合的技術(shù)。

光催化氧化

光催化氧化技術(shù)原理是采用二氧化鈦(TiO2)進(jìn)行光催化,直接利用包括太陽能在內(nèi)的各種來源的紫外光,在常溫下對(duì)各種有機(jī)和無機(jī)污染物進(jìn)行分解或氧化,其分解成為H2O和CO2,達(dá)到凈化空氣的目的[4]。經(jīng)報(bào)道,在波長(zhǎng)254 nm的紫外光下,以光催化劑TiO2活性炭纖維作載體,對(duì)甲醛進(jìn)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(diǎn)是能耗低、操作簡(jiǎn)單、無二次污染;缺點(diǎn)是利用太陽光效率低、反應(yīng)速度慢。有文獻(xiàn)指出,將光催化氧化和其它技術(shù)復(fù)合時(shí)可以通過不同技術(shù)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(shù)的復(fù)合

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

2、光催化氧化和吸附技術(shù)的復(fù)合

通過吸附劑將有害氣體吸附在催化劑上,再在其表面進(jìn)行催化反應(yīng),可以使有害氣體在較短的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散到催化劑表面,并使表面氣體濃度增大,加快反應(yīng)速率,強(qiáng)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(fù)載TiO2作催化劑,在紫外光照射下,甲醛濃度在10min內(nèi)由1. 0mg/m3降為0. 1mg/m3; 90min后幾乎檢測(cè)不到甲醛。

3、光催化氧化和等離子體技術(shù)的復(fù)合

該技術(shù)采用大量高能電子轟擊產(chǎn)生的O-(或O2-)和OH-等活性粒子,使有機(jī)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(duì)三氯乙烯進(jìn)行脫除實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)單獨(dú)使用二者時(shí),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(fù)合時(shí),其降解率達(dá)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(yīng)活性。

臭氧凈化技術(shù)

由于臭氧為輕微離子結(jié)合體,結(jié)合狀態(tài)極不穩(wěn)定,在常溫下會(huì)緩慢分解成氧氣,將單氧分離出來,臭氧參與物質(zhì)分解后還原成氧氣。對(duì)甲醛、一氧化碳的分解機(jī)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(nèi)空氣甲醛污染,凈化率為42%。

缺點(diǎn)是臭氧是一種具有刺激性和強(qiáng)氧化性的有害氣體,會(huì)污染室內(nèi)空氣。

空氣負(fù)離子技術(shù)

空氣負(fù)離子技術(shù)一方面可以與室內(nèi)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(xì)菌蛋白質(zhì)表層電性兩極發(fā)生顛倒,促使細(xì)菌死亡,對(duì)人體的健康十分有益?？諝庳?fù)離子的發(fā)射技術(shù)主要有:電暈放電、水發(fā)生和放射發(fā)生。實(shí)驗(yàn)表明,HE系列空氣負(fù)離子發(fā)生器使氡子體濃度明顯降低50%左右。優(yōu)點(diǎn)是主機(jī)便宜,噪聲小,體積小;缺點(diǎn)是粒子并未收集或過濾效果差,產(chǎn)生臭氧,造成二次污染。

生物凈化技術(shù)

生物法處理大氣污染物是一項(xiàng)新興技術(shù),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(nèi)的微生物相接觸發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng),使其完全降解為CO2和H2O。[11]生物凈化技術(shù)基本方法有生物過濾法、生物洗滌法、生物吸收法等。當(dāng)NO通過生物土壤填裝的濾塔,結(jié)果當(dāng)NO進(jìn)口濃度為211mg/m3,停留時(shí)間為2min時(shí),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(jié)果表明:在甲苯負(fù)荷每小時(shí)小于280g/ms,停留時(shí)間15. 73s的條件下,表觀氣速230m/h時(shí),可保持90%以上的凈化率。

VOC及其危害

VOC，即揮發(fā)性有機(jī)物(Volatile Organic Compounds)。美國(guó)環(huán)境署(EPA)對(duì)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(xué)反應(yīng)的含碳化合物。百度百科對(duì)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(huì)影響皮膚和黏膜，對(duì)人體產(chǎn)生急性損害……是一類重要的空氣污染物?！?/p>

當(dāng)VOC在居室空氣里達(dá)到一定濃度，人們會(huì)開始感到頭痛、惡心、四肢乏力;假如繼續(xù)長(zhǎng)時(shí)間逗留，會(huì)傷害肝、腎、大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，甚至可能引起抽搐、昏迷、導(dǎo)致記憶力減退，帶來嚴(yán)重后果。 VOC危害如此嚴(yán)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(guān)重要!

室內(nèi)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(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(EPA)網(wǎng)站列出了短期和長(zhǎng)期的健康影響，指出這些影響可能與室內(nèi)空氣中的VOC有關(guān)。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(diào)和惡心;損害肝、腎，以及中樞神經(jīng)系統(tǒng);一些有機(jī)物會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物癌癥;有些甚至被懷疑或已知會(huì)導(dǎo)致人類癌癥。

空氣質(zhì)量檢測(cè)的強(qiáng)力武器——傳感器

檢測(cè)技術(shù)是人們認(rèn)識(shí)和改造世界的一種必不可少的重要技術(shù)手段。而傳感器是科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)等活動(dòng)中對(duì)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?qū)⑵湎嚓P(guān)信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以便于對(duì)待測(cè)氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析及報(bào)警。伴隨著人們對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量要求的提高，對(duì)于性能優(yōu)良的便攜式在線氣體傳感器檢測(cè)儀的需求和要求也越來越高，一個(gè)完美的氣體傳感器應(yīng)該具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

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

(2)靈敏度高，具有寬的檢測(cè)范圍和低的檢出限;

(3)信號(hào)響應(yīng)和恢復(fù)速度快，且可逆性好;

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

(5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，低耗價(jià)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(chǎng)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(xué)氣體傳感器(如電阻、電流、阻抗、電位等)、光學(xué)類傳感器(包括光譜吸收型、熒光法、可視化法等)以及質(zhì)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(dǎo)體金屬氧化物材料、有機(jī)聚合物材料、無機(jī)-有機(jī)復(fù)合材料等。近年來，氣體傳感器的發(fā)展趨勢(shì)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(cè)到多種VOC，并提供對(duì)應(yīng)于VOC濃度變化的相對(duì)輸出。當(dāng)配備了板載處理器時(shí)，該傳感器還能夠計(jì)算多種VOC的等效相對(duì)值。由于這些元件的輸出是相對(duì)的，因此不需要校準(zhǔn)。

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

在IAQ監(jiān)測(cè)應(yīng)用中這些因素顯然不受歡迎。VOC傳感器是對(duì)這種重要但有限絕對(duì)測(cè)量源的補(bǔ)充：這種傳感器能夠檢測(cè)到多種VOC，因此可以用于檢測(cè)由一種或者多種VOC化合物引起的室內(nèi)空氣品質(zhì)變化——而這會(huì)影響建筑物內(nèi)的人。

在IAQ監(jiān)測(cè)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(duì)安全攸關(guān)應(yīng)用的某種特殊氣體報(bào)告其絕對(duì)ppm值，而是提供環(huán)境中多種VOC濃度的相對(duì)變化值。

在IAQ監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，VOC傳感器可以與絕對(duì)輸出CO2傳感器一起使用，隨時(shí)為CO2濃度提供確切的基準(zhǔn)。VOC傳感器補(bǔ)強(qiáng)了絕對(duì)CO2的測(cè)量，采集有關(guān)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(guān)。

幾種空氣質(zhì)量檢測(cè)的主要傳感器

金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器

金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器利用被測(cè)氣體的吸附作用,改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率,通過電流變化的比較,激發(fā)報(bào)警電路。由于半導(dǎo)體式傳感器測(cè)量時(shí)受環(huán)境影響較大,輸出線形不穩(wěn)定。金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器,因其反應(yīng)十分靈敏,故目前廣泛使用的領(lǐng)域?yàn)闇y(cè)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(cè)可燃?xì)怏w的原理之一,具有輸出信號(hào)線形好、指數(shù)可靠、價(jià)格便宜、無與其他非可燃?xì)怏w的交叉干擾等特點(diǎn)。催化燃燒式傳感器采用惠斯通電橋原理,感應(yīng)電阻與環(huán)境中的可燃?xì)怏w發(fā)生無焰燃燒,是溫度使感應(yīng)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(hào),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(cè)毒類現(xiàn)場(chǎng)最廣泛使用的一種技術(shù),在此方面國(guó)外技術(shù)領(lǐng)先,因此此類傳感器大都依賴進(jìn)口。定電位電解式氣體傳感器的結(jié)構(gòu):在一個(gè)塑料制成的筒狀池體內(nèi),安裝工作電極、對(duì)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(zhì)內(nèi)的工作電極發(fā)生氧化或還原反應(yīng),在對(duì)電極發(fā)生還原或氧化反應(yīng),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(jié)構(gòu):在塑料容器的一面裝有對(duì)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(nèi)側(cè)緊粘著貴金屬(鉑、黃金、銀等)陰電極,在容器的另一面內(nèi)側(cè)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(zhì)時(shí)在陰陽極發(fā)生氧化還原反應(yīng),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(gè)反應(yīng)中陽極金屬有消耗,所以傳感器需要定期更換。目前國(guó)內(nèi)技術(shù)已日趨成熟,完全可以國(guó)產(chǎn)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(duì)某個(gè)特定波長(zhǎng)的吸收原理,具有抗中毒性好,反應(yīng)靈敏,對(duì)大多數(shù)碳?xì)浠衔锒加蟹磻?yīng)。但結(jié)構(gòu)復(fù)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(gòu)成,在離子室有正負(fù)電極,形成電場(chǎng),待測(cè)氣體在紫外燈的照射下,離子化,生成正負(fù)離子,在電極間形成電流,經(jīng)放大輸出信號(hào)。PID具有靈敏度高,無中毒問題,安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。