【導(dǎo)讀】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(dá)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(nèi)度過，室內(nèi)空氣品質(zhì)對人的影響更是至關(guān)重要。
隨著市場經(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,在常溫下對各種有機和無機污染物進(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(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(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TiO2進(jìn)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(zhuǎn)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(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(jìn)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(fù)合時,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(nèi)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(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,對人體的健康十分有益。空氣負(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。實驗表明,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(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(jié)果表明:在甲苯負(fù)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(xué)反應(yīng)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(chǎn)生急性損害……是一類重要的空氣污染物。”
當(dāng)VOC在居室空氣里達(dá)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(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。美國國家環(huán)境保護(hù)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(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);一些有機物會導(dǎo)致動物癌癥;有些甚至被懷疑或已知會導(dǎo)致人類癌癥。
空氣質(zhì)量檢測的強力武器——傳感器
檢測技術(shù)是人們認(rèn)識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)實驗和工業(yè)生產(chǎn)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?qū)⑵湎嚓P(guān)信息轉(zhuǎn)換為電信號以便于對待測氣體進(jìn)行監(jiān)測、分析及報警。伴隨著人們對環(huán)境空氣質(zhì)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(yīng)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(yīng)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(yīng)和恢復(fù)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(jié)構(gòu)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(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、有機聚合物材料、無機-有機復(fù)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(yīng)于VOC濃度變化的相對輸出。當(dāng)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(zhǔn)。
另外，還有一類絕對輸出氣體傳感器：它們對于安全攸關(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對生命或者健康構(gòu)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(zhǔn)以提供準(zhǔn)確的輸出數(shù)據(jù)。
在IAQ監(jiān)測應(yīng)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(nèi)空氣品質(zhì)變化——而這會影響建筑物內(nèi)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(guān)應(yīng)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(yīng)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(zhǔn)。VOC傳感器補強了絕對CO2的測量，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)報警電路。由于半導(dǎo)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(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?xì)怏w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?xì)怏w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(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,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(shù),在此方面國外技術(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):在一個塑料制成的筒狀池體內(nèi),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(zhì)內(nèi)的工作電極發(fā)生氧化或還原反應(yīng),在對電極發(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。目前國內(nèi)技術(shù)已日趨成熟,完全可以國產(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某個特定波長的吸收原理,具有抗中毒性好,反應(yīng)靈敏,對大多數(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,待測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。PID具有靈敏度高,無中毒問題,安全可靠等優(yōu)點。
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