PID传感器如何检测VOC气体

VOCs是挥发性有机物英文名“Volatile Organic Compounds”的缩写，有时也称做VOC，此时专指一种VOC，或者表示挥发性有机物这样一个集合概念。无论是中文的挥发性有机物还是英文的Volatile Organic Compounds均比较长，因此习惯上常用VOCs或者VOC来简称。

不同的机构和组织出于不同的管理、控制或研究需要，对VOCs的定义不尽相同，目前尚没有统一、公认的定义。美国ASTM d3960-98标准将VOC定义为任何能参加大气光化学反应的有机化合物。美国联邦环保署(EPA)的定义：挥发性有机化合物是除一氧化碳、二氧化碳、碳酸、金属碳化物、金属碳酸盐和碳酸铵外，任何参加大气光化学反应的碳化合物。世界卫生组织（WHO,1989）对总挥发性有机化合物（TVOC)的定义为，熔点低于室温而沸点在50-260℃之间的挥发性有机化合物的总称。我国国家标准《室内空气质量标准》(GB/T 18883-2002)中对总挥发性有机化合物（Total Volatile Organic Compounds TVOC）的定义是：利用Tenax GC和Tenax TA采样，采用非极性色谱柱（极性指数小于10）进行分析，保留时间在正己烷和正十六烷之间的挥发性有机化合物的总称。

空气中存在的有机物不仅仅是VOCs。有些有机物在常温下可以在气态和颗粒物中同时存在，而且随着温度变化在两相中的比例会发生改变，这类有机物叫做半挥发性有机物，简称SVOCs。还有些有机物在常温下只存在于颗粒物中，它们属于不挥发性有机物，简称NVOCs。无论是VOCs、SVOCs还是NVOCs，在大气中都参与大气化学和物理过程，一部分可直接危害人体健康，它们带来的环境效应包括影响空气质量、影响天气气候等。

大气污染的加重，引起了人们对挥发性有机物污染的重视。对于主要挥发性有机物的污染国家早有严格的排放标准，各地，尤其是北京、广州、深圳等均发布了更加严格的排放标准。国家对于挥发性有机物污染治理也早有方针政策发布，尤其是2010年5月，在国务院办公厅转发环境保护部等部门关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量指导意见的通知（国办发〔2010〕33号）文件中，首次把挥发性有机化合物与二氧化硫、氮氧化物、颗粒物并列确定为大气污染联防联控的重点污染物，有力地推动了全国挥发性有机污染物的治理步伐。自此，在国家众多政策的指引下，更是掀起了挥发性有机物污染治理的高潮。2014年3月5日，国家科技部与环保部联合发布了《大气污染防治先进技术汇编》；近期，中国环保产业协会废气净化委员会又在京召开了“第五届全国挥发性有机污染物（VOCs）减排与控制会议”，进一步推进了VOCs治理高潮。

为配合这一治理高潮，本文根据《大气污染防治先进技术汇编》中与挥发性有机化合物治理有关的内容，发表一些在VOCs治理工程中的一些体会与同行共勉。其中的内容大部分是以回收工艺为前提的。

1、 挥发性有机化合物（VOCs）治理技术的一般分类和主要治理工艺

1.1VOCs治理技术分类

VOCs治理技术一般分为回收技术和消除技术两大类〔1〕。回收技术一般包括：冷凝法、吸收法、吸附法（包括变压吸附）和膜分离法；消除技术一般包括燃烧法（包括催化燃烧、蓄热燃烧等）、等离子体分解法、生物分解法、光催化氧化法等。

以上所述的处理技术是大家都非常熟悉的内容。这些技术和方法的应用一般都是针对单一的污染物或者气体成分比较少或性质比较接近的混合气体而言的。但是在具体工程中，大家所遇到的往往是比较复杂的混合废气。在这样的气体治理中，首先遇到的一个问题就是治理工艺的选择。

1.2 VOCs主要治理工艺

在近期科技部与环保部联合发布的《大气污染防治先讲技术汇编》中，总结出了18种VOCs的治理工艺。这些治理工艺从大的方面为我们提出了治理的工艺、应用对象、适应范围和大致的费用。为我们进行挥发性有机废气的治理提出了基本的建议。但是，由于挥发性有机废气种类繁多，所以汇编中不可能写得面面俱到，很多东西还需要通过实践去摸索、总结。

2、治理挥发性有机废气的特点

2.1 治理对象繁多

大家知道，目前我们所熟知的脱硫脱硝技术，它所面对的仅仅是SO2和NOx,成分简单，性质基本清楚，治理目标明确，目前国内外已经成熟的工业化治理技术已达数十种之多。而挥发性有机化合物已经查明的就有数千种，与人类密切接触并可对影响人体健康和对大自然造成污染的就有200余种。试想，要完成这么多污染物的治理，那将是一项多么艰巨的任务！更何况它们还常常混杂在一起，这样给我们治理增加了更大的难度。因此，在早期的VOCs治理行业就出现了“笑着进去、哭着出来”的现象。另外，由于国家对VOCs的减排与控制的政策法规尚不完善，同时，由于VOCs的治理涉及的技术途径和工艺路线多，科学性强，需要具体的技术导则和工艺规范对VOCs的治理进行具体的指导。所以，VOCs减排和控制还面临着不容乐观的局面。

2.2 石化化工行业VOCs治理的特点

对于石化化工行业排放的挥发性有机废气的治理难度相对会小一些。原因是它的排放源的成分相对比较简单，而且排放的物质及其性质也比较清楚。因此治理工艺比较容易选择。另外，因为这些行业比较大，技术力量比较强，因此，对于这些行业的VOCs治理，大家不会很担心。目前在这些行业早已出现了成熟的技术。比如现在他们推广的LDAR（泄漏检测与修复）的管理机制，就是一个很好的例证。

2.3 制药行业VOCs治理的特点

制药行业VOCs的治理难度应该算是中等的。它比石化化工行业难度大，但又比其它行业容易。因为制药行业排放的VOCs的成分也比较清楚，但是由于它的排放绝大部分都是间歇排放，而且排放浓度也经常随着时间的变化而呈现出不规律的变化，这就给治理增加了难度。

2.4 涂布行业VOCs治理的特点

我们感觉治理VOCs难度最大的当属涂布行业。一是这些行业多属乡镇小厂，技术力量差，又无分析手段；二是他们使用的涂布胶液不仅大都是外购，胶液供应商对于他们的胶液配方都严格保密；三是他们所使用的胶液经常变化。因此，即使你对他们使用的各种胶液的成分都分析得很清楚，但是你也不可能使用一个装置去应对他的所有胶液。

3、挥发性有机废气治理方案的选择（主要谈回收法）

3.1 治理工艺比治理设备重要

在采用回收技术治理VOCs时常常会出现这样的争论：是治理工艺重要还是治理设备重要？大家可能记得，上世纪90年代初出现的用于回收有机溶剂的活性炭纤维自动化回收装置。这种装置来源于日本，当时我们国家共引进了2套，其中一套就安装在保定市的化工部第一胶片厂。后来胶片厂的科技人员对该装置进行了成功的消化吸收，实现了国产化。于是很多人到处想办法去搞图纸，几年的功夫，出现了很多利用该装置回收VOCs的公司，而且出现了恶性竞争的局面。但是仅仅红火了几年，大多数公司垮掉了。究其原因是不少人认为，只要有了好的设备，好像根本就无需考虑回收什么物质。

实际上，在搞VOCs回收时，首先应该考虑废气成分及各成分的性质，然后去研究采取什么样的工艺。比如有人提出一种含甲苯、二甲苯和苯乙烯的混合废气，浓度在3000mg/m3,问用什么工艺回收。对于如此高浓度的VOCs废气，人们立即会想到：采用活性炭纤维回收。但是，这里面有个苯乙烯的问题，苯乙烯在活性炭纤维上比较容易聚合，尤其是当温度较高时。而采用活性炭纤维吸附回收时就有个因其聚合而堵塞吸附剂微孔的问题。为此需要首先搞请苯乙烯聚合的条件，才能提出合理的回收工艺。

因此我认为，在治理尤其是采用吸附法回收VOCs时，治理工艺比治理设备重要。

3.2 采用炭基吸附剂吸附回收VOCs的问题

之所以提出，是因为我们主张能够回收的东西尽可能地予以回收。因为任何挥发性有机化合物，回收价值都比回收热量的价值大得多。实在浓度太低或虽然浓度高但无法回收时才可以采取消除（比如催化燃烧等）的办法。所以我们常称消除法处理VOCs是“没有办法的办法”。这里仅就采用炭基吸附剂吸附法回收VOCs的技术谈一些体会。

3.2.1吸附剂的选择

这个问题大家都比较熟悉了，这里只想说2点：

A.活性炭纤维是“吃细粮”的，而颗粒活性炭是“吃粗粮”的。因为活性炭纤维微孔的孔径都在2nm左右，所以处理动力学分子直径大的物质时不宜采用，尤其是多种直径分子的混合物，如汽油等。而颗粒活性炭〔2〕，除小孔外，还有0.01～0.1μm的中孔和少量大孔，因此，它可以处理多种直径分子的混合物。如***用来吸附回收涂布行业排放的混合有机废气，之所以能够达到较高的回收率而且能够较长时间的运行，他们所使用的吸附剂都是颗粒活性炭。近年来我国开展的油气回收，所采用的也多为颗粒活性炭。

B.我们国内所用的颗粒活性炭大部分都是以小孔为主的，因此在有些场合就不是很适用。近些年市场上出现了一些以中孔为主的颗粒活性炭已在不少VOCs回收中得到了很好的应用。

3.2.2简单组分VOCs处理方法的选择

如果需处理的废气成分简单，性质明确，那就是考虑吸附剂的选择了。选择吸附剂的首要原则就是要有大的比表面积。一般而言，活性炭类吸附剂应为首选。但是要考虑炭基吸附剂有一个特性，就是它的表面存在着具有催化作用的活性点，它可以使还原性物质氧化，比如它能够把S2-催化氧化成S0,可以使一些易聚合的物质聚合，从而堵塞吸附剂微孔。这时候就应考虑采用其它类型的吸附剂。

3.2.3复杂组分VOCs处理方法的选择

这里只想说一点，那就是必须把VOCs的成分及各成分的性质搞清楚，才能进行处理方法和处理工艺的选择。因此，对VOCs的检测手段就显得十分重要。这一点又是我们国家比较落后的方面。

3.2.4考虑某些物质的特殊性质

这里想说的是，在采用炭基吸附剂时，需要查一下VOCs的可脱附性。下表所列是一些从炭基吸附剂上难以脱附的物质〔2〕：

不仅如此，有些物质在炭基吸附剂上积累后还会着火，最典型的就是环己酮。当年在某石化企业回收VOCs时，因为其中含的环己酮在活性炭纤维上的不断积累，结果回收装置仅仅运行了3个月就发生了活性炭纤维被烧毁的事故。

4、几个设计参数的确定

4.1废气进入处理系统的浓度

在我们进行VOCs治理时最重要的是安全问题。因为绝大多数VOCs都属于易燃易爆物质，因此，在VOCs回收或催化燃烧时必须考虑爆炸极限，以保证处理系统的安全运行。在环保部发布的《吸附法工业有机废气治理工程技术规范》（HJ2026-2013）和《催化燃烧法工业有机废气治理工程技术规范》（HJ2027-2013）中，对进入处理系统的VOCs浓度都作出了严格的规定，我们必须认真执行。

4.2废气通过吸附床层的风速

有很多教科书上都明确写道：气体通过吸附器床层的风速一般为0.2~0.6m/s。通过工程实践发现，这种说法有些偏颇。利用活性炭纤维作吸附剂的同行都知道，大家使用的最大风速也不会超过0.15m/s。那么为什么老的教科书给出这个数据呢？考查发现：过去人们大都采用颗粒活性炭作吸附剂，它的床层厚度一般设计在0.2~0.6m，最大不会超过1m，所以就给出了这个数据。实际上，通过工程实践发现，废气通过床层的速度应该是由废气在床层中与吸附剂的接触时间决定的。总结工程实践，废气在吸附床层内与吸附剂的接触时间以0.8~1.2s为宜，浓度低可以短一些，浓度高可以长一些，采用这样的风速，完全可以满足治理要求。

4.3脱附温度

关于脱附温度，很多人都认为与吸附质的沸点有关，认为要想把高沸点的物质从吸附

剂上脱附下来，脱附介质的温度必须高于该物质的沸点。实践证明这种观点是错误的。以双氧水行业回收三甲苯为例，我们作过不少这样的工程，都是用100℃的水蒸气脱附下来的，而且效果很好。而三甲苯的沸点为164.7℃。

为此可以得出结论，吸附质的脱附温度与其沸点没有直接关系，而是和它的饱和蒸汽压有关。这个结论可以用脱附原理来说明。

我们都知道，要想使吸附质分子从吸附剂表面脱附下来必须给它能量或推动力，使其能够从吸附剂表面“蒸发”到吸附剂孔道中，从而进入气相主体。而在通常采用的脱附方法中〔2〕，加热脱附是给它提供能量，以增加分子的动能；吹扫脱附和降压（真空）脱附，都是为了降低吸附剂孔道中废气分子的分压，也就是蒸汽压，给废气造成一个浓度差，从而给废气分子由吸附剂表面向气相转移提供一个推动力，这个推动力越大，废气分子的脱附速度就越快。所以，从这个理论出发就不难理解，吸附质的脱附温度是与其饱和蒸汽压直接相关的，而与它的沸点无关。

5、关于注重高浓度挥发性有机废气回收的建议

在我国的不少行业存在着高浓度挥发性有机废气排放的问题。比如：PVC行业的氯乙烯单体、化学纤维行业的H2S和CS2、石油化工行业的石脑油和干气等。这些VOCs排放浓度很高，对大气中TVOCs的贡献不可忽略，同时也是很好的资源。另外也希望关注一下变压吸附在回收不凝气方面的应用。

防治大气污染，ISweek工采网目前提供英国Alphasense公司的PID传感器，可以检测VOC气体:

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光离子气体传感器PID-AH最低可以检测1ppb的VOC气体，可以检测2000多种不同的VOC气体,许多有害物质原料都含有VOC，PID由于其对VOC的高灵敏度，成为有害物质早期危险报警、泄漏监测等不可缺少的实用工具。非常适合环境空气质量监测系统和仪器。

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取样气体被暴露在PID中的紫外灯发出的紫外线中。发出的紫外线电离目标气体，此电离的信号由PID中的电路部分检测和计算出气体的浓度（ppb或者ppm）。

PIDs能检测浓度非常低的VOC气体（挥发性的有机物）。考虑到VOC测试的标准测量，Alphasense的PIDs是体积合适的和低功耗，并且有不断改善的电路部分和长寿命的紫外灯泡。拓展的灯泡包括更好的BTEX和含氯元素的VOC检测。这些传感器的引脚是和4P90的一模一样的。

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PID-A12的线性量程是50ppb~6000ppm(测试气体：异丁烯)

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PID传感器包括紫外灯泡的驱动电路，放大电路和用户可自行更换的电子栅极，10.6eV灯泡和颗粒过滤膜。