有毒氣體監(jiān)測分析方法的應(yīng)用與研究

吳 枰

（蓬安縣環(huán)境監(jiān)測站，四川蓬安，637800）

隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，有毒有害氣體廣泛存在于各類石油、石化、煤炭、市政、消防、冶金、燃氣、醫(yī)藥、電信、電力及食品加工等行業(yè)，排放到生產(chǎn)場所空氣中的有毒氣體不僅直接影響生產(chǎn)工作者的安全與健康，而且危害到周邊居住的居民。除此之外，近年來，隨著人類物質(zhì)水平的提高及居住條件的改善，各種新型室內(nèi)裝飾材料被廣泛應(yīng)用于住房裝修，由此所造成的室內(nèi)空氣污染也變得日益嚴重，這些有毒氣體會對人類健康造成巨大危害。因此，為了保障人們的身體健康，必須對有毒有害氣體的組成、性質(zhì)、濃度進行實時定性、定量分析檢測，及時了解各類環(huán)境中有毒氣體的數(shù)據(jù)信息及含量變化趨勢，對于避難預(yù)險、挽救生命具有十分重要的意義，同時也為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境、醫(yī)院醫(yī)療環(huán)境及人們的生活居住環(huán)境等環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境管理提供十分重要的數(shù)據(jù)和依據(jù)。

1 有毒氣體概述

有毒氣體，也就是對人體構(gòu)成危害，使人中毒的氣體，主要分為天然毒氣（一氧化碳、一氧化氮、二氧化硫、硫化氫、氯氣），化學毒氣（氰化氫、光氣、雙光氣、芥子氣、路易斯毒氣、維克斯毒氣、沙林、畢茲毒氣等），含氯有機氣體（二氯乙烷、三氯乙烯等）三大類。

從對人體所產(chǎn)生的危害來分，主要包括呼吸系統(tǒng)麻痹毒氣、神經(jīng)性麻痹毒氣及肌肉麻痹毒氣三種。人們中毒時通常表現(xiàn)出來的反應(yīng)為頭暈、惡心、嘔吐、昏迷等，有的毒氣還使人氣管黏膜潰爛，皮膚潰爛。中毒嚴重者會導(dǎo)致休克，甚至死亡。

1.1 呼吸系統(tǒng)

在工業(yè)生產(chǎn)場所中，呼吸道最容易接觸有毒氣體，尤其是刺激性毒氣，一旦吸入，輕者引起流涕、噴嚏、呼吸困難等，重者引起胸悶、胸痛、氣急、劇咳（帶有大量粉紅色沫痰）等化學性肺炎或肺水腫。引發(fā)呼吸系統(tǒng)損傷的有毒氣體包括二氧化硫、氮氧化物、氯氣、氨、光氣等。

1.2 神經(jīng)系統(tǒng)

神經(jīng)系統(tǒng)分為中樞神經(jīng)系統(tǒng)（包括腦和脊髓）和周圍神經(jīng)系統(tǒng)（從中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)出，導(dǎo)向人體各部分，分布在頭部的感覺器官、皮膚、內(nèi)臟等）兩大部分。有毒氣體能夠損害中樞神經(jīng)和周圍神經(jīng)，侵犯神經(jīng)系統(tǒng)的有毒物質(zhì)稱為“親神經(jīng)性毒物”，可導(dǎo)致神經(jīng)衰弱綜合癥（出現(xiàn)頭痛、頭暈、乏力、情緒失常、睡眠不好、記憶力減退等癥狀）及中毒性腦?。ǔ霈F(xiàn)嗜睡、視力模糊、步態(tài)蹣跚，甚至躁動不安等），嚴重者可造成腦疝而死亡。

2 有毒氣體監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

2.1 化學分析法

有毒氣體最早采用化學分析法進行檢測分析，眾所周知，這種分析方法是最常規(guī)的分析方法，也是經(jīng)典、傳統(tǒng)分析方法，即通過現(xiàn)場采樣，依賴于特有的化學反應(yīng)和計量關(guān)系來檢測分析有毒氣體的含量及成分等參數(shù)，主要分為重量分析法及滴定分析法，還包括試樣的處理及一些分離、掩蔽、富集等化學手段。隨著科技水平的飛速發(fā)展，對有毒氣體采用化學分析法這一被動監(jiān)測階段提出了新的要求，不斷向智能化、自動化、一體化及在線化方向發(fā)展，同時與其他分析儀器相結(jié)合進行檢測分析。

2.2 儀器分析法

上世紀70年代中后期，隨著計算機和儀器科學技術(shù)的快速發(fā)展，采用儀器分析法對有毒氣體進行監(jiān)測迅速得到廣泛應(yīng)用，與此同時有毒氣體也步入了法律規(guī)定強制監(jiān)測的自動檢測階段。儀器分析是采用能直接或間接地表征有毒氣體的各種特性，諸如化學的、物理的及生理性質(zhì)等的實驗現(xiàn)象，再通過探頭或傳感器、放大器、分析轉(zhuǎn)化器等轉(zhuǎn)變成人可直接感受的來判別有毒氣體的成分、含量、分布或結(jié)構(gòu)等信息的分析方法，該方法具有操作簡便，靈敏度高以及選擇性好等特點，主要分為色譜儀器法、光學儀器法及電化學儀器法。

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，近些年，許多相互補償、相互兼容、靈敏度及準確性較高、選擇性較好互為聯(lián)用的檢測分析方法得到深入研究。其中，氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用分析法（GC/MS）是典型代表。許多學者將其應(yīng)用于毒氣方面的監(jiān)測研究。王伯光等［2］利用GC/MS方法分析研究了8種具有代表性的室內(nèi)環(huán)境中共計62種揮發(fā)性有毒有機物（VOCS）的分布情況和特征，室內(nèi)空氣中總揮發(fā)性有毒有機物（TVOCS）平均濃度由低到高的順序為：家庭＜歌舞廳＜賓館＜餐廳＜圖書館＜辦公室＜大型商業(yè)城＜停車庫。實驗還得出室內(nèi)空氣污染物具有較明顯的源特征，可通過VOCS標志化合物和其混合比例對其來源進行初步判斷。

趙愛平等［1］采用毛細管色譜－質(zhì)譜法測試分析某單位在建樓打樁挖井中的毒氣，通過檢測分析其毒氣的主要成分為一氧化碳，濃度高于居民區(qū)所最高允許濃度的96倍，同時還分析說明了產(chǎn)生CO的原因。徐莉等［3］利用GC/MS建立可同時測定箱包用膠粘劑中芳香烴類、鹵代烴類、烷烴類八種有毒有害揮發(fā)性有機物。方法采用《鞋和箱包用膠粘劑》（GB 19340－2003）中指定的八種溶劑為目標物，以乙酸乙酯為溶劑，混合均勻后，通過離心及有機相針頭過濾器過濾，經(jīng)氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀定性定量檢測。該方法檢測靈敏度為0.01～0.07g/kg，檢測精密度為1.25%～5.72%，加標回收率為92.0%～100.2%。方法簡單易行，可對使用膠粘劑的企業(yè)進行安全性評估，利于對其作業(yè)場所環(huán)境進行有效監(jiān)測，同時也可為突發(fā)公共衛(wèi)生安全事件的應(yīng)急處置提供科學依據(jù)。

2.3 傳感器的應(yīng)用

1962年，第一支氧化鋅半導(dǎo)體薄膜氣敏傳感器由日本學者清山哲郎等人研制出后，在此基礎(chǔ)上美國的P.J.Shaver又進一步采用Pt、Pd等貴金屬有效激活氣體傳感器，使得傳感器的靈敏度大大提高。從此氣體傳感器在有毒氣體檢測方面得到了廣泛應(yīng)用。

目前，采用傳感器對有毒氣體進行檢測是最常用的檢測方法，主要包括電解電池式、半導(dǎo)體式以及電化學式三類。電解電池式傳感器一般用于檢測O2，本身具有很好的穩(wěn)定性，但由于電解液在自然環(huán)境中難以較好放存，容易蒸發(fā)或受到污染，使其壽命大大縮短；半導(dǎo)體式傳感器具有較高的靈敏度，可靠性也較好，但存在多感性、選擇性差等問題；電化學式傳感器主要分為濃差電池型、原電池型、極限電流型及恒定電位電解池型氣體傳感器四大類，是目前用于檢測有毒有害氣體最常用的一類傳感器，其中，恒定電位電解池型氣體傳感器是有毒氣體檢測的主流傳感器，也是有毒有害氣體檢測儀中應(yīng)用較多的傳感器，該方法通過更改所設(shè)定的電位，對有毒氣體有選擇的進行還原或是氧化，是一種真正的庫侖分析的傳感器，從而能夠定量檢測各種氣體，已成功用于一氧化碳、硫化氫、氨氣、肼等氣體的檢測。李勛濤等［4］采用多種電化學氣體傳感器采集信號及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)收集和處理，能夠在線檢測環(huán)境中的氣體濃度。整個系統(tǒng)功能更加集成化，且體積小，很容易與后續(xù)處理設(shè)備集成并能智能控制后續(xù)處理設(shè)備。實驗表明所研制系統(tǒng)的輸出信號能實時測量環(huán)境有毒氣體的濃度，能夠達到市場上單一氣體檢測設(shè)備的精度。溫衛(wèi)敏等［5］利用同時兼具數(shù)據(jù)采集、串口通訊、實時顯示以及聲光報警等功能的多傳感器自適應(yīng)加權(quán)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，研究了一套對室內(nèi)裝修所產(chǎn)生的有毒氣體進行監(jiān)測的系統(tǒng)，由于采用自適應(yīng)加權(quán)數(shù)據(jù)融合算法，能夠顯著提高整個系統(tǒng)的測算精度。該系統(tǒng)測量精度能夠滿足預(yù)定要求，穩(wěn)定性好，具有較大的開發(fā)潛力。

2.4 有毒氣體監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

日新月異的計算機技術(shù)、現(xiàn)代控制理論技術(shù)、傳感器及通信技術(shù)的快速發(fā)展，使得基于計算機的各種監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)廣泛應(yīng)用于工、農(nóng)業(yè)各生產(chǎn)領(lǐng)域，智能化、自動化、在線化的有毒氣體監(jiān)測系統(tǒng)也隨之發(fā)展開來。

與國內(nèi)相比，國外對有毒有害監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的研究較早也更成熟，早在1960年代，法國就構(gòu)建了一套用于檢測一氧化碳、瓦斯、風速和溫度等參數(shù)的CCT63/40煤礦環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，最多能夠檢測40個點。隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，目前，國外成功的結(jié)合了計算機技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)及無線通行技術(shù)等技術(shù)，

實現(xiàn)了有毒氣體的智能化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化及實時在線化的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，同時無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于有毒氣體的檢測。雖然我國對有毒有害氣體監(jiān)測管理上的研究起步相對較晚，但也緊跟其后，取得了一定的成果。目前，國內(nèi)有毒氣體監(jiān)測系統(tǒng)基本可分為工控機、單片機智能化以及基于DCS控制技術(shù)發(fā)展起來的監(jiān)測系統(tǒng)這三類［6］。

侯昭武等［7］利用8個紅外激光氣體傳感器，分別安裝步進電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的圓盤圓周上在不同的方向上對污染氣體進行數(shù)據(jù)采集，以實現(xiàn)快速尋找有毒有害氣體污染源，同時與二維熱差式風速風向傳感器采集到的數(shù)據(jù)，一并送入MSC1210單片機進行數(shù)據(jù)處理以及運用智能人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行模式訓(xùn)練與模式識別，從而識別出污染源的位置、濃度和種類。該智能化追蹤氣體污染源監(jiān)測儀具有較好的安全性、可靠性及實用性。肖海紅等［8］建立了基于片上可編程單片機PSoC的井下有毒有害氣體檢測終端的設(shè)計，利用多個NDIR傳感器對多種有毒有害氣體進行檢測，并做出了有毒氣體含量的標定方法。該監(jiān)測終端設(shè)計簡單，工作穩(wěn)定可靠，具有較大的市場潛力。邢濤等［6］利用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、計算機應(yīng)用技術(shù)、通信技術(shù)及電子技術(shù)，構(gòu)建了基于個人計算機包括數(shù)據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測終端、監(jiān)測中心以及通信單元三個部分的在線實時監(jiān)測報警系統(tǒng)用于監(jiān)測Cl2的生產(chǎn)、儲存以及使用場所。系統(tǒng)監(jiān)測終端開始通過MSP430F149單片機控制獲得Cl2濃度、濕度和溫度的探測器信號，然后將采集到的數(shù)據(jù)從串行通信接口傳入遠端監(jiān)控中心，再通過無線數(shù)傳模塊實現(xiàn)監(jiān)測中心和生產(chǎn)現(xiàn)場間的數(shù)據(jù)通信。該系統(tǒng)能夠?qū)I(yè)生產(chǎn)中Cl2濃度、溫度及濕度等參數(shù)進行在線監(jiān)測，最終以數(shù)值的形式在PC機上顯示，一旦檢測參數(shù)達到預(yù)設(shè)的報警值時就會及時發(fā)出報警。

3 結(jié)語

隨著我國科學技術(shù)的飛速發(fā)展，有毒氣體監(jiān)測由最初的化學分析法發(fā)展到基于計算機的毒氣監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、在線化，使得毒氣監(jiān)測工作便捷方便，容易實施，而且大大提高了靈敏度、準確度，對產(chǎn)生有毒氣體的區(qū)域作業(yè)人員提供了安全保障。但目前，我國有毒氣體的監(jiān)測仍然以固定的有線監(jiān)測設(shè)備為主，而相比固定的有線監(jiān)測設(shè)備，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組網(wǎng)方便、簡單易行、監(jiān)測安全以及精準度高，同時可以實現(xiàn)遠程控制，應(yīng)用在有毒氣體監(jiān)測方面具有明顯的優(yōu)勢。因此，發(fā)展高性能、低成本的多個傳感器與智能技術(shù)相結(jié)合，向網(wǎng)絡(luò)化和嵌入式互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的有毒氣體監(jiān)測系統(tǒng)將是未來的發(fā)展方向。

［1］趙愛平，喬世俊，王北蘇.施工現(xiàn)場中有毒氣體的GC/MS分析［J］.工程科技，1995，（1）：29－30.

［2］王伯光，張遠航，邵敏，等.預(yù)濃縮－GC－MS技術(shù)研究室內(nèi)空氣中揮發(fā)性有毒有機物［J］.環(huán)境化學，2001，（6）：80－89.

［3］徐莉，楊一超，夏俊鵬.箱包用膠粘劑中8種有毒有害揮發(fā)性有機物的 GC－MS檢測方法［J］.環(huán)境衛(wèi)生學，2011，（5）：30－33.

［4］李勛濤，余曉芬，胡佳文，等.有毒氣體無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計［J］.傳感技術(shù)學報，2010，（6）：140－144.

［5］溫衛(wèi)敏，汪梅.室內(nèi)有毒氣體監(jiān)測系統(tǒng)研制［D］.陜西：西安科技大學碩士學位論文，2008.

［6］邢濤.工業(yè)現(xiàn)場有毒氣氛環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究［D］.吉林：哈爾濱理工大學碩士學位論文，2009.

［7］侯昭武，曾彥.智能化有害有毒氣體污染源監(jiān)測儀的研究［J］.環(huán)境科學與技術(shù)，2012，（8）：126－129.

［8］肖海紅，駱繼明.基于NDIR傳感器與PSoC的井下有毒氣體檢測終端設(shè)計［J］.煤炭技術(shù)，2014，62－64.