傳感器在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用探討

劉佳坤

(吉林省德惠市環(huán)境監(jiān)測站 吉林德惠 130300)

1 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，尤其是石油業(yè)和煤炭業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生了大量有害氣體，如一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、煙塵等，對(duì)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染，并對(duì)人們身體健康造成嚴(yán)重危害。因此，加強(qiáng)大氣環(huán)境污染監(jiān)測，減少大氣污染，成為當(dāng)今急需解決的難題。隨著監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器具有在線監(jiān)測、瞬時(shí)監(jiān)測、定位監(jiān)測及操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，在大氣環(huán)境監(jiān)測過程中得到廣泛性應(yīng)用，為大氣環(huán)境監(jiān)測提供了重要的技術(shù)支持。

2 傳感器類型與運(yùn)行原理

2.1 傳感器類型

傳感器主要將化學(xué)量或者物理量轉(zhuǎn)化成為可用電信號(hào)的一種配件，其主要分為兩種，即物理性傳感器和化學(xué)性傳感器。物理性傳感器主要將測定過程中的磁致伸縮、電壓效應(yīng)、極化現(xiàn)象、熱電反應(yīng)、磁電效應(yīng)等轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)信息傳遞效果。而化學(xué)傳感器則主要將電化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)吸附等現(xiàn)象轉(zhuǎn)化成為電信號(hào)，以達(dá)到傳遞信息的目的。

2.2 傳感器運(yùn)行原理

傳感器主要轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和分子識(shí)別系統(tǒng)組合而成，其中分子識(shí)別系統(tǒng)主要對(duì)被監(jiān)測對(duì)象進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)期也是導(dǎo)致某種化學(xué)轉(zhuǎn)化或者物理轉(zhuǎn)化的重要功能部分，對(duì)傳感器選擇性質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)被識(shí)別對(duì)象與分子識(shí)別系統(tǒng)相互接觸后，可能會(huì)出現(xiàn)光變化、電變化、熱變化、化學(xué)變化等現(xiàn)象，并直接轉(zhuǎn)變成為相應(yīng)的電信號(hào)。

3 傳感器在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 NOx監(jiān)測傳感器

氮氧化物是大氣環(huán)境主要污染物，而NO2氮氧化物反應(yīng)最為強(qiáng)烈，是引起光化學(xué)反應(yīng)的重要因素。當(dāng)各種礦物在燃燒時(shí)，會(huì)生成一定量的NO與NO2，并受到大氣氧化作用，生成NO2，對(duì)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染[1]。NOx型傳感器主要通過氧電極反應(yīng)生成硝化桿菌，而硝化桿菌則主要通過亞硝酸鹽來形成，可以增加硝化桿菌呼吸功能，使氧電極反應(yīng)中的氧氣濃度降低，并獲取NO2的含量。同時(shí)硝化桿菌主要依靠硝酸鹽來形成，所以其抗干擾性和選擇性都比較高，并能夠通過硝化桿菌氧氣消耗量和過氧電極電流存在的線性關(guān)系，準(zhǔn)確計(jì)算出亞硝酸鹽濃度。

3.2 SO2監(jiān)測傳感器

二氧化硫是酸霧和酸雨生成重要因素，對(duì)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染。為了對(duì)大氣中的二氧化硫氣體進(jìn)行有效監(jiān)測，馬莉等研究者，把亞細(xì)胞類脂類物質(zhì)，即含一定量的亞硫酸鹽氧化酶成分的肝微粒體放置到醋酸纖維膜內(nèi)，并與氧電極共同組成了安培型的生物傳感器，能夠?qū)Χ趸蛏伤犰F或酸雨溶液將進(jìn)行全面分析。當(dāng)傳感器內(nèi)微粒體將亞硫酸鹽進(jìn)行氧化時(shí)，同樣會(huì)消耗一定量的氧氣，使得氧電極附件溶解氧其濃度有所下降，并生成電流效應(yīng)，即可獲取亞硫酸鹽濃度值。這種傳感器反應(yīng)速度快，監(jiān)測結(jié)果穩(wěn)定性高、準(zhǔn)確度高。

3.3 甲烷監(jiān)測傳感器

甲烷雖然屬于清潔性燃料，但是當(dāng)其在大氣環(huán)境中的含量維持在5%至14%時(shí)，可能產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象。有關(guān)研究從自然物質(zhì)內(nèi)獲取甲烷氧化細(xì)菌，將甲烷當(dāng)作其唯一的呼吸能源，并消耗氧氣，把甲烷氧化細(xì)菌放置到醋酸纖維膜內(nèi)，并利用傳感器對(duì)甲烷進(jìn)行測定。當(dāng)甲烷氣體運(yùn)輸至細(xì)菌池內(nèi)時(shí)，微生物會(huì)吸收甲烷，并消耗氧氣，使得傳感器內(nèi)的溶解氧濃度下降，電流降低，即可獲取甲烷濃度值[2]。當(dāng)空氣經(jīng)過反應(yīng)池的時(shí)候，傳感器電流可在1分鐘內(nèi)恢復(fù)到原始狀態(tài)，并在2分鐘內(nèi)對(duì)甲烷氣體濃度進(jìn)行分析，當(dāng)其濃度在6.6 mol/L以下，甲烷濃度與電流差成線性關(guān)系，并可獲取甲烷濃度最小值為13.1μmol/L。這種傳感器能夠在對(duì)大氣環(huán)境中甲烷含量進(jìn)行連續(xù)性的監(jiān)測和控制。

3.4 氨監(jiān)測傳感器

氨是大氣環(huán)境監(jiān)測不可缺少的一項(xiàng)重要指標(biāo)。電位傳感器主要由氣體性滲透膜與復(fù)合型玻璃電極組合而成，可作為氨電極，并在pH>11情況下，對(duì)氨進(jìn)行監(jiān)測，但是其容易揮發(fā)物影響。而新的安培型氨監(jiān)測傳感器主要由硝化菌和氧電極構(gòu)成，當(dāng)硝化細(xì)菌進(jìn)行有氧呼吸時(shí)，能夠氨氣體起到降解作用，并消耗部分溶解氧[3]。這種監(jiān)測傳感器玻璃電極和靈敏度差不多在同個(gè)數(shù)量級(jí)，其濃度檢測最小值為011mg/L。通過對(duì)33mg/L容量氨溶液進(jìn)行分析后，傳感器電流輸出量基本不變且選擇性較好，不容易受到揮發(fā)物影響，即可對(duì)大氣環(huán)境中的氨氣體進(jìn)行監(jiān)測，也可對(duì)水環(huán)境中氨溶液進(jìn)行監(jiān)測。

4 結(jié)語

傳感器具有靈敏度高、操作簡便、準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)，在大氣環(huán)境監(jiān)測中得以應(yīng)用，并為大氣環(huán)境監(jiān)測提供重要依據(jù)。但是傳感器在監(jiān)測過程中還存在很多的不足之處，如運(yùn)行可靠性較差、使用壽命短、抗干擾性不足等，需要研究者慢不斷改建和完善，才能使其在大氣環(huán)境監(jiān)測中得到更加廣泛的引用。

[1]周仕林,劉冬.生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用[J].理化檢驗(yàn)(化學(xué)分冊),2011,7(01):87.

[2]李章,秦立平,李瑞顯.生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)展[J].山西建筑,2010,12(18):65.

[3]樊占春,張靜.生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用[J].四川環(huán)境,2010,9(06):43.