一文详解室内空气检测技术及VOC传感器

人们每时每刻都离不开氧,并通过吸入空气而获得氧。一个成年人每天需要吸入空气达6500升以获得足够的氧气,因此,被污染了的空气对人体健康有直接的影响。人的一生中有90%以上时间在室内度过，室内空气品质对人的影响更是至关重要。

随着市场经济与科学技术的不断发展，建筑领域的发展也日新月异，人们对生活质量的要求越来越高，建筑装修装饰的标准也随之增高，那么室内空气污染现象也就伴随而生。

室内主要污染物来源

室内空气污染物的来源主要有五个方面：

1、室外空气污染,大气中的粉尘、汽车和工业废气中的NOx、CO、SO2和可吸入颗粒物。

2、建筑装修材料和室内设备,相关污染物如酚醛树脂、脲醛树脂类化合物中的甲醛,加湿剂带来的多种细菌、真菌和孢子,粘合剂中的多种挥发性有机物等; 毒物质,呼气中含16种挥发性有毒物质。

3、放射性污染:即电离辐射污染,氡、钍、镭等放射性核素。房基地本身渗透的氡及其子体以及各种建筑材料中的放射性物质。其中,C射线来自房屋的建材大理石、花岗岩等天然石材或掺工业废渣的建筑装饰材料、陶瓷砖等。氡及其子体来源于建材如花岗岩、砖砂、水泥、石膏以及受氡源污染的煤气、水等。

4、生物污染:军团菌、放线菌等细菌,曲霉菌、葡萄状穗霉菌等真菌,病菌,花粉,虫螨等。自然情况下,人类呼吸道传染病绝大部分是在室内传播感染的致病菌。仅引起呼吸道感染的病毒有200种之多,这些感染的发生绝大部分是在室内通过空气传播的。

室内污染物防治技术

随着人们对室内空气质量的重视和技术的发展,室内污染防治措施日趋增多。主要有吸附净化、紫外线消毒、化学消毒、光催化氧化、空气负离子技术、生物净化、植物净化等。近几年发展比较快的有光催化氧化及其与其它技术相结合的技术。

光催化氧化

光催化氧化技术原理是采用二氧化钛(TiO2)进行光催化,直接利用包括太阳能在内的各种来源的紫外光,在常温下对各种有机和无机污染物进行分解或氧化,其分解成为H2O和CO2,达到净化空气的目的[4]。经报道,在波长254 nm的紫外光下,以光催化剂TiO2活性炭纤维作载体,对甲醛进行吸附和光催化氧化,96%的甲醛被去除[5]。光催化氧化优点是能耗低、操作简单、无二次污染;缺点是利用太阳光效率低、反应速度慢。有文献指出,将光催化氧化和其它技术复合时可以通过不同技术间的协同作用来提高有害气体的脱除效果。

1、光催化氧化和催化氧化技术的复合

对TiO2进行镀铂,在温度为333K或更高时,挥发性有机物如甲苯、乙烯等活性不高的VOCS的氧化转化效果提高。在热催化和光催化的共同作用下,可以实现对所有VOCS的全部氧化。

2、光催化氧化和吸附技术的复合

通过吸附剂将有害气体吸附在催化剂上,再在其表面进行催化反应,可以使有害气体在较短的时间内扩散到催化剂表面,并使表面气体浓度增大,加快反应速率,强化了脱除效果。以高比表面积的活性炭为吸附剂,在HZSM-5型分子筛上负载TiO2作催化剂,在紫外光照射下,甲醛浓度在10min内由1. 0mg/m3降为0. 1mg/m3; 90min后几乎检测不到甲醛。

3、光催化氧化和等离子体技术的复合

该技术采用大量高能电子轰击产生的O-(或O2-)和OH-等活性粒子,使有机物分子分解为CO2和H2O,随着紫外光的辐射还可以起到杀菌消毒的作用。通过采用等离子体和光催化对三氯乙烯进行脱除实验,发现单独使用二者时,三氯乙烯降解率分别为32. 0%和141%,而将等离子体和光催化复合时,其降解率达到75.4%[8]。由此可见,等离子体和光催化之间有明显的协同作用,可以显著提高催化剂的反应活性。

臭氧净化技术

由于臭氧为轻微离子结合体,结合状态极不稳定,在常温下会缓慢分解成氧气,将单氧分离出来,臭氧参与物质分解后还原成氧气。对甲醛、一氧化碳的分解机理如下:

甲醛: 3HCHO+2O3y3H2O+3CO2、一氧化碳:CO+O3yCO2+ O2研究表明,低浓度臭氧(0. 050~0. 075mg/m3)可净化室内空气甲醛污染,净化率为42%。

缺点是臭氧是一种具有刺激性和强氧化性的有害气体,会污染室内空气。

空气负离子技术

空气负离子技术一方面可以与室内空气中的微小颗粒物相吸附,成为带电的大离子沉降,另一方面使细菌蛋白质表层电性两极发生颠倒,促使细菌死亡,对人体的健康十分有益。空气负离子的发射技术主要有:电晕放电、水发生和放射发生。实验表明,HE系列空气负离子发生器使氡子体浓度明显降低50%左右。优点是主机便宜,噪声小,体积小;缺点是粒子并未收集或过滤效果差,产生臭氧,造成二次污染。

生物净化技术

生物法处理大气污染物是一项新兴技术,主要是过滤器中的多孔填料表面覆盖有生物膜,污染物与膜内的微生物相接触发生生物化学反应,使其完全降解为CO2和H2O。[11]生物净化技术基本方法有生物过滤法、生物洗涤法、生物吸收法等。当NO通过生物土壤填装的滤塔,结果当NO进口浓度为211mg/m3,停留时间为2min时,NO去除率为60%左右[12]。羌宁等研究了生物滴滤器净化甲苯废气,结果表明:在甲苯负荷每小时小于280g/ms,停留时间15. 73s的条件下,表观气速230m/h时,可保持90%以上的净化率。

VOC及其危害

VOC，即挥发性有机物(Volatile Organic Compounds)。美国环境署(EPA)对VOC的定义是：除了一氧化碳、二氧化碳、碳酸、金属碳化物、碳酸盐以及碳酸铵外，任何参与大气中光化学反应的含碳化合物。百度百科对VOC的描述是：“在常温下可以蒸发的形式存在于空气中，它的毒性、刺激性、致癌性和特殊的气味性，会影响皮肤和黏膜，对人体产生急性损害……是一类重要的空气污染物。”

当VOC在居室空气里达到一定浓度，人们会开始感到头痛、恶心、四肢乏力;假如继续长时间逗留，会伤害肝、肾、大脑和神经系统，甚至可能引起抽搐、昏迷、导致记忆力减退，带来严重后果。 VOC危害如此严重，可它又是从何而来呢?专家指出，墙壁、天花板、地面等建材，以及乳胶漆、墙纸、绝热材料、粘合剂等装饰材料都是VOC的主要来源。需要特别指出的是:装修最常使用的乳胶漆的VOC，主要来自于原材料的VOC，包括甲醛、氨、乙二醇等，所以控制原材料的VOC含量至关重要!

室内空气中高浓度的VOC显着影响到居住者的舒适感。CO2是无味的，但VOC气味很重，而且大部份VOC令人不愉快。另外，空气中VOC的影响不仅仅是让人感到不舒服。美国国家环境保护局(EPA)网站列出了短期和长期的健康影响，指出这些影响可能与室内空气中的VOC有关。EPA指出的这些影响包括：眼睛、鼻子和喉咙有刺激感;头痛、失去协调和恶心;损害肝、肾，以及中枢神经系统;一些有机物会导致动物癌症;有些甚至被怀疑或已知会导致人类癌症。

空气质量检测的强力武器——传感器

检测技术是人们认识和改造世界的一种必不可少的重要技术手段。而传感器是科学实验和工业生产等活动中对信息资源的开发获取、传输与处理的一种重要工具。

气体传感器是一种能感知环境中某种气体的种类和浓度的装置或者器件，并能够将其相关信息转换为电信号以便于对待测气体进行监测、分析及报警。伴随着人们对环境空气质量要求的提高，对于性能优良的便携式在线气体传感器检测仪的需求和要求也越来越高，一个完美的气体传感器应该具有以下几个特点：

(1)选择性好，能够在多种气体共存的环境中对被测气体有明显的响应特征;

(2)灵敏度高，具有宽的检测范围和低的检出限;

(3)信号响应和恢复速度快，且可逆性好;

(4)抗电磁等干扰能力强，重现性和稳定性好，具有较长的保存和使用寿命;

(5)结构简单，低耗价廉，使用和维修方便;

(6)小型便携，智能化和多功能化，便于在线现场分析。

常见VOC气体传感器根据其工作原理主要分为三大类：电化学气体传感器(如电阻、电流、阻抗、电位等)、光学类传感器(包括光谱吸收型、荧光法、可视化法等)以及质量型气体传感器(例如石英晶体微天平和表面声波气体传感器)等。按照气敏材料可以分为半导体金属氧化物材料、有机聚合物材料、无机-有机复合材料等。近年来，气体传感器的发展趋势是微型化、智能化和多功能化。

VOC气体传感器的工作原理

VOC元件本身可检测到多种VOC，并提供对应于VOC浓度变化的相对输出。当配备了板载处理器时，该传感器还能够计算多种VOC的等效相对值。由于这些元件的输出是相对的，因此不需要校准。

另外，还有一类绝对输出气体传感器：它们对于安全攸关的应用来说是理想的也是必要的选择，在这些应用中，某些气体浓度过高会对生命或者健康构成直接威胁。这种绝对输出元件通常：相对比较昂贵;只能检测一种气体;需要定期校准以提供准确的输出数据。

在IAQ监测应用中这些因素显然不受欢迎。VOC传感器是对这种重要但有限绝对测量源的补充：这种传感器能够检测到多种VOC，因此可以用于检测由一种或者多种VOC化合物引起的室内空气品质变化——而这会影响建筑物内的人。

在IAQ监测中，例如ams CCS811(2.7mm x 4mm x 1.1mm，LGA封装)或iAQ-CORE(接脚布局为15mm x 18mm的整合传感器模组)等宽频谱传感器，并非针对安全攸关应用的某种特殊气体报告其绝对ppm值，而是提供环境中多种VOC浓度的相对变化值。

在IAQ监测应用中，VOC传感器可以与绝对输出CO2传感器一起使用，随时为CO2浓度提供确切的基准。VOC传感器补强了绝对CO2的测量，采集有关VOC事件的其它数据，这些数据不一定与居住者(通常是CO2浓度升高的主要原因)直接相关。

几种空气质量检测的主要传感器

金属氧化物半导体式传感器

金属氧化物半导体式传感器利用被测气体的吸附作用,改变半导体的电导率,通过电流变化的比较,激发报警电路。由于半导体式传感器测量时受环境影响较大,输出线形不稳定。金属氧化物半导体式传感器,因其反应十分灵敏,故目前广泛使用的领域为测量气体的微漏现象。

化燃烧式传感器

催化燃烧式传感器原理是目前最广泛使用的检测可燃气体的原理之一,具有输出信号线形好、指数可靠、价格便宜、无与其他非可燃气体的交叉干扰等特点。催化燃烧式传感器采用惠斯通电桥原理,感应电阻与环境中的可燃气体发生无焰燃烧,是温度使感应电阻的阻值发生变化,打破电桥平衡,使之输出稳定的电流信号,再经过后期电路的放大、稳定和处理最终显示可靠的数值。

定电位电解式传感器

定电位电解式传感器是目前测毒类现场最广泛使用的一种技术,在此方面国外技术领先,因此此类传感器大都依赖进口。定电位电解式气体传感器的结构:在一个塑料制成的筒状池体内,安装工作电极、对电极和参比电极,在电极之间充满电解液,由多孔四氟乙烯做成的隔膜,在顶部封装。前置放大器与传感器电极的连接,在电极之间施加了一定的电位,使传感器处于工作状态。气体与的电解质内的工作电极发生氧化或还原反应,在对电极发生还原或氧化反应,电极的平衡电位发生变化,变化值与气体浓度成正比。

迦伐尼电池式氧气传感器

迦伐尼电池式氧气传感器的结构:在塑料容器的一面装有对氧气透过性良好的、厚10-30μm的聚四氟乙烯透气膜,在其容器内侧紧粘着贵金属(铂、黄金、银等)阴电极,在容器的另一面内侧或容器的空余部分形成阳极(用铅、镉等离子化倾向大的金属)。用氢氧化钾。氧气在通过电解质时在阴阳极发生氧化还原反应,使阳极金属离子化,释放出电子,电流的大小与氧气的多少成正比,由于整个反应中阳极金属有消耗,所以传感器需要定期更换。目前国内技术已日趋成熟,完全可以国产化此类传感器。

红外式传感器

红外式传感器利用各种元素对某个特定波长的吸收原理,具有抗中毒性好,反应灵敏,对大多数碳氢化合物都有反应。但结构复杂,成本高。

PID光离子化气体传感器

PID由紫外灯光源和离子室等主要部分构成,在离子室有正负电极,形成电场,待测气体在紫外灯的照射下,离子化,生成正负离子,在电极间形成电流,经放大输出信号。PID具有灵敏度高,无中毒问题,安全可靠等优点。