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谈恶臭气体检测:主动出击 把握先机——访河北工业大学张思祥教授

北极星环境监测网  来源:仪器信息网    2016/3/7 9:51:28  我要投稿  
所属频道:环境监测  关键词:恶臭监测 环境监测 张思祥

北极星环境监测网讯:说起大气监测,公众首先想起的是PM2.5,环境监测从业人员可能会想到二氧化硫、氮氧化物、臭氧、一氧化碳、挥发性有机物等等,但是关注恶臭监测的人员还相对较少。而据不完全统计,在我国环境投诉中,恶臭投诉约占30%~40%,其数量仅次于噪声居第二位。

在投诉率如此高的情况下,为什么恶臭监测没有得到大家的重视?我国的恶臭监测现状如何?恶臭监测的未来需求在哪?还有哪些工作需要开展?近日,仪器信息网编辑专门采访了河北工业大学张思祥教授,张教授是国家重大科学仪器设备开发专项“恶臭自动在线监测预警仪器开发及应用示范”中仪器研发的主要负责人,主要开发基于传感器原理的在线恶臭监测仪器。

河北工业大学 张思祥教授

发现需求 专注于恶臭在线仪器开发

谈到为什么选择了做恶臭监测仪器开发,张教授如是说:“求学期间,我学习的是光学仪器和分析仪器专业。1999年在河北工业大学参加工作,接到的第一个任务就是研发水质COD分析仪,研发的仪器后来成功地实现了产业化。自此以后开始关注环境监测类仪器,我们与天津环科院国家环境保护恶臭污染控制重点实验室一直有合作,后来发现我国的恶臭气体检测还有很多薄弱环节,因此开始计划对此领域进行系统研究。”

目前,我国的恶臭检测主要依赖人工嗅辨,需要人员多、耗时长、对测试环境条件要求高。而我国恶臭投诉在不断增多,人工嗅辨技术已远远不能满足实际应用的需求。除人工嗅辨外,基于传感器阵列的恶臭在线监测系统是国际上比较成熟的一种恶臭在线监测技术。但在我国,这种技术的发展还不能满足实际应用。

首先是传感器的选择。气体传感器主要有金属氧化物传感器、电化学传感器和PID传感器三种,单一传感器只能检测特定类的气体且对气体的选择性都较差。而恶臭气体含硫化氢、氨气、挥发性有机物等4000多种成分,单一传感器无法满足检测需求,故一般都采取传感器阵列。

传感器阵列采取的是将不同传感器集成到一个模块上或者在一个芯片上沉积不同的传感器材料,故基于传感器阵列的恶臭在线监测仪器开发的首要任务就是开发出合适我国的传感器组合,满足恶臭气体种类和浓度的检测需求。虽然气体传感器种类众多,在食品、医药、安全等领域应用广泛,但恶臭气体的一大特点是气体组分未知,这就对传感器的选择和组合造成了很大困难。

其次是恶臭气体组分分析问题。传感器对气体的选择性较差,在混合气检测中,很难检测出气体组分。张教授就想到了色谱分离,将恶臭气体先进行分离再检测。经过慎重考虑,张教授最终选择了微流控技术,一是微流控技术可以做成固态元件,二是可以与热导检测器、PID检测器或电化学传感器等集成到一个芯片上,从而便于将来进行在线和小型化设计。

微流控芯片大部分是做液体分离,为了实现气体分离,张教授团队主要进行了两种设计。一种是填充式,即在微流控芯片的沟道里填充吸附性物质,如经过修饰处理的硅藻土,利用吸附脱附原理实现气体分离。另外一种是表面涂覆,涂覆之后利用毛细原理对气体进行溶解和析出的分离。目前已经可以实现100ppb范围内的气体分离,基本达到当初预期的指标。

不断深入 建立恶臭在线监测预警系统

虽然微流控芯片与传感器阵列的组合可以实现恶臭气体成分和浓度的检测,但是张教授认为恶臭在线检测系统要想满足实际应用需求,如与现行的国家标准方法相对应、接到投诉后如何快速锁定污染源等,还需要进一步的研究。

首先是低嗅阈值气体传感器的开发。有些恶臭气体的嗅阈值非常低,达到亚ppb级别,但目前气相色谱上常用传感器对此类的检测还存在问题。由于张教授所在单位河北工业大学在新材料方面有很多研究,故张教授想在此基础上,对传感器材质进行一些研究。如碳化硼材料对气体的吸附、富集和析出性能良好,可以考虑其在恶臭气体的吸附和富集方面的应用;石墨烯也是一种新型材料,可以研究一下其在提高气体传感器的气敏性和精度方面的作用。

其次是气体辨别模型的建立。虽然经过了前端的分离,但是由于气体组分过于复杂, 传感器对特定恶臭气体的检测,仍可能会受到其它气体的干扰。此时就需要增加一种传感器,通过信息融合和数据分析(如模式识别、神经网络分析等)来排除干扰,即通过建立模型来实现气体辨别。

检测结果与国家标准的对接也是一个值得研究的课题。按照现行国家标准,恶臭检测的最终结果应该为恶臭等级,而此系统的分析结果为恶臭成分和浓度。因此需要建立一个恶臭成分浓度与恶臭等级对应的模型,包括单一物质,物质浓度与恶臭等级的关系;两种或者多种物质混合之后,物质浓度和混合比例与恶臭等级的关系。最终的目标是需要建立一个仪器检测代替人工方法的标准来进行恶臭评价。

还有一个工作就是恶臭的溯源。一个是恶臭来源区域判断,如果检测到恶臭浓度超标,需要能根据风力、风向、大气压以及恶臭浓度的梯度变化等相关参数,来推断恶臭可能的排放来源。另一个就是建立恶臭气体指纹,根据工厂的生产情况调查其恶臭气体的基本组分,当检测到恶臭气体时,根据气体成分可以快速初判出污染源。

把握时机 促进国产仪器发展

仪器开发的最终目的是实现应用,对于恶臭仪器的产业化和我国恶臭监测市场发展,张教授也谈了自己的看法。

恶臭仪器产业化应尽早。我国PM2.5监测最初受到关注是某国公布了监测结果,之后我国政府公布的监测数据受到很多的质疑,这是因为先入为主。因此我国应该尽早发展自己的比较权威的仪器,并将监测数据发布,从而掌握主动权。而且从仪器使用上来说,用户习惯一种仪器之后,再接受新的仪器就需要一个过程,这也需要我国厂商应尽早推出有自主知识产权的仪器。

从国产仪器产业发展角度来看,目前我国的恶臭监测还不适宜大规模推广。全球范围内,法国和韩国的恶臭监测技术发展较早,而我国的恶臭监测仪器还不成熟。如果国家现在推广恶臭监测的话,那么市场上的仪器肯定是国外厂商为主,对国产仪器发展将是一个很大的打击。

从推广形式来看,恶臭监测可以考虑与挥发性有机物监测结合来推广。目前VOCs监测已经受到了国家的重视并开始布局,而恶臭气体包括氨气、硫化氢和多种VOCs,因此可以在某些应用上将恶臭监测和VOCs监测统筹考虑。而且可以根据不同的应用场合开发特定的恶臭监测仪器,如用于公共卫生间的以硫化氢和氨气检测为主的恶臭监测仪。

在采访最后,张教授表示,非常愿意与企业合作,实现恶臭在线监测预警仪器的产业化,为我国的恶臭监测尽一份力。

后记:以前我国的环境治理以减少污染物的排放为约束性指标,而环保“十三五”规划以改善环境质量为核心,更加注重公众认同感,从雾霾、黑臭水体等词语的频繁出现即可略见一二。就譬如恶臭问题是与公众感受直接相关的环境问题,可能因其局域性、瞬时性和阵发性而没有受到广泛关注,但是在特定区域已成为困扰居民的严重环境问题。

随着环境治理的不断深入,恶臭受到关注仅是一个早晚的问题,而恶臭监测预警系统可以为恶臭治理提供很好的监管依据。故我国恶臭监测系统需要更多像张思祥教授这样的专家以及仪器厂商的努力,加强技术储备,从而在未来的恶臭问题中把握先机,掌握主动权。

原标题:谈恶臭气体检测:主动出击 把握先机——访河北工业大学张思祥教授

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