室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測儀中電化學(xué)傳感器的應(yīng)用

高雅娟

摘 要：便攜式的電化學(xué)傳感器被用來方便探測甲醛氣體，這種傳感器有三電極，質(zhì)量輕，成本低，反應(yīng)靈敏，無需化學(xué)試劑而造成二次污染等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)氣體傳感器；無需化學(xué)試劑；應(yīng)用

中圖分類號：X851 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0165-02

引言

甲醛被認為是主要的污染物之一，就是因為它的高毒性和潛在的致癌性，甲醛產(chǎn)生的來源有很多，比如工業(yè)，交通，森林火災(zāi)，以及吸煙產(chǎn)生的煙霧。它也可能從不同的物體內(nèi)散發(fā)出來，比如新的家具和高分子材料在降解的過程中，因此，它也可以作為材料降解過程中的標志分子。

甲醛檢測最常用的分析方法利用液相質(zhì)譜結(jié)合2，4-二硝基苯肼衍生的方法。盡管這種方法可靠精確，但是他需要相對較貴的儀器而且只能在實驗室完成[1]。因此，新型的甲醛探測方法和甲醛探測器的發(fā)展也就成了一個比較吸引人的課題。已經(jīng)存在的傳感器的測量原理，從能譜測量到電阻式測量，再到比色法，而后者是現(xiàn)在最廣泛被研究的。金屬氧化物薄膜和納米金屬氧化物通常被用在傳感器的圖層上。盡管，使用這種放的靈敏度很高，但是，它本質(zhì)的缺陷是需要高溫，在濕潤的環(huán)境下，測量不準。為了克服高溫下的操作問題，導(dǎo)電聚合物圖層被引入用來探測揮發(fā)性有機物，比如甲醛。

經(jīng)過對比國內(nèi)國外的電化學(xué)傳感器，從價格，分辨率，精度等方面考慮，而后選擇了國內(nèi)鄭州煒盛公司的傳感器，足以滿足室內(nèi)測量監(jiān)測的要求。

1 電化學(xué)氣體傳感器介紹

甲醛氣體傳感器有很多種類型，有熱導(dǎo)式，電導(dǎo)式，比色式，通常包括酶甲醛脫氫酶，然而，由于潛在的穩(wěn)定性問題，對于其使用并不是在所有條件和環(huán)境下都合適。而無酶的電化學(xué)傳感器性能提升了很多，也使得其開始被廣泛關(guān)注，盡管這種傳感器還比較少。

現(xiàn)有一種室溫伏安的多功能聚合物傳感層甲醛氣體傳感器，這是一種合成聚合物傳感涂層，其結(jié)合了分析積累能力，其衍生物通過眾所周知的肼反應(yīng)，同時其作用是用伏安測量聚合物電解質(zhì)。

電化學(xué)氣體傳感器按照工作原理可以分為以下幾種類型：燃料電池型氣體傳感器，極限電流型氣體傳感器，濃差電池型氣體傳感器。

2 電化學(xué)氣體傳感器的選型

商用絲網(wǎng)印刷電極用來當作底座，與碳工作和對電極，以及銀準參考電極。電化學(xué)電池由三個內(nèi)部合成傳感涂層的電極組成，這三個涂層作為分析物衍生媒介以及高分子電解質(zhì)，三電極的系統(tǒng)涂有20 L of 1% HPA or PAA解決方案，一夜之間干，所有的解決方案都使用了Milli-Q水，聚丙烯酸用來接收和溶解在水中，離子聚丙烯酸酯在實驗室中被準備用來先溶解水中的聚丙烯酸，隨后，用克分子數(shù)相等的數(shù)量水合肼來中和它。循環(huán)伏安測量方法使用Autolab PGSTAT 30來運行。

2.1 臭氧電化學(xué)氣體傳感器

臭氧的測量是空氣質(zhì)量和許多大氣化學(xué)實驗的關(guān)鍵部分，傳統(tǒng)的臭氧監(jiān)測機制基于紫外吸收，相對較貴，并且有一定高的能量的損耗，限制了固定的地點，而電化學(xué)傳感器僅僅需要5v的直流電，總共的耗電量還不到5W。總重量不超過1公斤，這種電化學(xué)傳感器產(chǎn)生的電壓信號一定比例于臭氧的濃度，其范圍是5-10ppm。兩個臭氧傳感器的性能有很好的線性度。傳感器的校準和靈敏度受到相對濕度和氣體樣本的流動率的影響，被分開進行。線性校準曲線表明傳感器的性能完全相同，即使是在不同的濕度和流動率，為了要補償傳感器的基準漂移而調(diào)零的過程中?？焖俚臐穸茸兓ā?0%/min）會在傳感器信號中產(chǎn)生顯著立刻的變化，傳感器需要大概40分鐘的時間來恢復(fù)到原始值。相反，慢速的濕度變化對傳感器響應(yīng)有微弱的影響。為了檢測小型化臭氧儀的性能，臭氧儀被用在實驗室來檢測臭氧損耗，通過海水吸收和空氣質(zhì)量檢測18天，研究表明，臭氧被海水吸收是線性于海水表面微層的亞油酸的。18天中從臭氧傳感器中檢測到的數(shù)據(jù)與使用紫外吸收法得到的數(shù)據(jù)具有很好的一致性。

2.2 甲醛電化學(xué)氣體傳感器

本文選擇的電化學(xué)甲醛傳感器ME3M-CH2O，其分辨率可達0.02ppm，當傳感器暴露在甲醛氣體中的時候，甲醛氣體傳感器使用絲網(wǎng)印刷碳電極作為基底，工作電極響應(yīng)甲醛氣體，其表面使用改進的聚丙烯酸離子傳感層，生成和甲醛氣體濃度成比例的極小電流，聚丙烯酸離子用來收集甲醛，同時，也是聚合電極，根據(jù)甲醛傳感器的結(jié)構(gòu)可知，工作電極與對電極同時浸入到電解液中時，通過測試電流的大小就可判定 CH2O 濃度的高低。每ppm甲醛氣體輸出1.1±0.5uA電流，在經(jīng)過電流電壓轉(zhuǎn)換后得到AD轉(zhuǎn)換器可以接收的模擬電壓值。外加電壓會使得兩電極間產(chǎn)生極化[2]。定電位電化學(xué)型甲醛傳感器有三個電極，圖1為其結(jié)構(gòu)圖。

在甲醛傳感器中，以及催化劑鎳、釕、鉑等金屬粒子的作用下，酸性電解液的電解池內(nèi)，甲醛氣體向工作電極擴散，而發(fā)生氧化還原反應(yīng)[3]。

2.3 CO電化學(xué)氣體傳感器

CO傳感器主要有可變電阻式以及電化學(xué)式兩種類型。CO傳感器選用的鄭州煒盛電子科技有限公司的ME2-CO，其中可變電阻式CO傳感器應(yīng)用高低溫循環(huán)方式，1000ppm的大量程，高溫清洗低溫時吸附的雜散氣體，因為采用的氣敏材料在清潔空氣中電導(dǎo)率低，通過電路把電導(dǎo)率的變化對應(yīng)到一氧化碳氣體濃度，然后輸出相應(yīng)的電信號；當室內(nèi)氣體超過300ppm時，說明可燃氣體泄漏，實時報警。低溫檢測一氧化碳，隨空氣中的一氧化碳氣體濃度增加，一氧化碳傳感器的電導(dǎo)率增大[4]。

綜上所述，其實反應(yīng)狀態(tài)如圖2所示。

2.4 氨氣電化學(xué)氣體傳感器

本文選擇的氨氣傳感器和甲醛傳感器一樣，選用的鄭州煒盛電子科技有限公司的ME4-NH3，0.12±0.03uA/ppm電流輸出，同為電化學(xué)式傳感器?？諝庵袎勖?年，分辨率為0.1ppm。

2.5 甲烷電化學(xué)氣體傳感器

本文選取的是鄭州煒盛公司的MC112型號，MC112有四個引腳，甲烷傳感器的應(yīng)用電路如圖3所示。引腳包括表面涂有催化劑的檢測器件D和表面沒有涂催化劑的補償器件C，這兩個檢測器件構(gòu)成了電橋的兩臂，外加上阻值為兩個2K？贅和一個500？贅的電阻構(gòu)成了回路，以便回路中的工作電流不會因過大導(dǎo)致元件燒毀。

在應(yīng)用電路中，傳感器所工作的電橋需要3V的直流工作電壓，為傳感器在接觸甲烷氣體時能夠提供燃燒需要的熱量[5]。此時補償器件C無反應(yīng)，電阻率，溫度以及電橋輸出電壓都不會變化，但是檢測器件的電阻率，溫度以及電橋輸出電壓都會發(fā)生變化，這個變化反應(yīng)了空氣中甲烷氣體的濃度值。

本文選取的是鄭州煒盛公司的MC112型號，它屬于載體催化氣敏元件，MC112催化燃燒式甲烷傳感器，由圖可知，在低濃度時，傳感器的線性度很好。甲烷傳感器的靈敏度特性如圖4所示。

3 結(jié)束語

本文介紹了應(yīng)用在室內(nèi)空氣質(zhì)量儀中的電化學(xué)氣體傳感器，這四款傳感器體積小，質(zhì)量輕，能夠解決現(xiàn)有的氣體監(jiān)測依靠化學(xué)方法而造成的周期長，操作復(fù)雜等麻煩，使得室內(nèi)空氣的實時監(jiān)測成為未來發(fā)展的一種趨勢。

參考文獻：

[1]崔九思.室內(nèi)空氣污染監(jiān)測方法[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：1-110.

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[5]楊發(fā)盛.基于接觸燃燒式CH_4傳感器的報警器研制[D].吉林大學(xué)，2013：100-110.