气体检测技术

1、卫生监督能力建设培训班,有毒有害气体检测原理及应用 主讲人：马蕾,有毒有害气体检测应用范围,环境气体检测(环境危害) 工业安全气体检测(人身危害) 突发应急现场气体检测,有毒有害气体检测种类,可燃性气体(爆炸检测) 氧气 有机无机类有毒有害气体,常见的气体检测方法,主要目地在人身安全及环境的保护检测,电化学法 光电离PID和氢火焰离子FID法 红外(IR)光谱法 傅立叶红外法 气相色谱法 其它分析方法,常见的气体检测方法,电化学法,电化学法,电化学法(Electrochemical Sensor) 定电位电解法- Potentiostatic Electrolysis Method 隔膜离子选

2、择电极法 Membrance Type Ion-Selective Electrode 隔膜卡尔巴尼电池法 Membrance Type Galvanic Cell,定电位电解法Potentiostatic Electrolysis Method,结构：三极式 测量电极 参考电极 计数电极 电解液,原理:在测量电极与参考电极之间保持一定电位差,测量电极表面涂有触煤(白金或黃金),当分析气体经薄膜渗入电解液內,在触煤表面则产生氧化或还原反应而释放出电子,其在测量电极与计数电极之间所产生的电流与浓度成比例,从而得到气体浓度值.,定电位电解法电化学传感器要点,可分析的气体种类決定于以下的组合 电解液

3、 电极材质 供应电压 所供应电压,对检测灵敏度影响很大 此电压供应在测量电极与参考电极之间 即使氧化反应产生时!(电流造成电压下降)此电压须保持稳定 温度影响:电化学反应受温度变化影响,需內有感温元件来补偿温度变化的影响!,电位电解法感测器,例子:一氧化碳感测器 CO经薄膜渗入电解液在测量电极被氧化 反应方程式如下:,经由氧化CO及还原O2,则2个电子被释放出而产生电流 上述反应约每ppm CO产生0.1mA电流 在测量电极与计数电极间产生的电流与CO浓度成正比,感测器所产生的电流经放大器及转换显示CO浓度,电化学法的应用,可测量气体的种类： 氧气 无机毒性气体氧、一氧化碳、二氧化硫、氨、氰化

4、氢、硫化氢 可燃性气体 丙烯晴、丙烯醛、乙炔、乙醛、氨、一氧化碳、乙烷、乙胺、乙苯、氯乙烷、氯甲烷、环氧乙烷、环氧丙烷、氰化氢、环丙烷、二甲胺、氢、三甲胺、二硫化碳、丁二烯、丁烷、 丁烯、 丙烷、丙烯、溴甲烷、苯、甲烷、甲胺、二甲醚、硫化氢 应用领域：职业安全、应急检测、工艺流程气体检测等 在卫生监督领域中广泛应用于公共场所检测箱中!,电化学法的特点,优点： 1. 通用性好，技术比较成熟 2. 使用简单、携带方便 3. 成本低 缺点： 1. 无法对未知气体进行定性分析 2. 传感器具有一定的使用寿命 3. 超范围高浓度会导致失效 4. 需特别注意储存,常见的气体检测方法,光电离PID和氢火焰离

5、子FID法,光电离PID和火焰离子FID检测,主要应用 有机气体检测 环境/职业卫生中挥发性气体检测 安全防护检测 石油/石化泄漏检测 工艺流程控制检测 应急检测中的污染红线划定,光电离PID和火焰离子FID检测,PID检测基本原理 工作原理: 将样品引入离子室并且暴露在一定能量的紫外灯下，紫外线的能量激活样品，离子就被收集在采集电极上。离子的收集使得电流增加,电流值与当前混合物的浓度成比例（相对于已知的校准标样）。,光电离PID和火焰离子FID检测,优点: 1、非破坏性检测（允许样品收集） 2、可选择10.2和11.8eV的紫外灯源 3、可以检测无机组份 4、对芳香烃、氯化物和不饱和碳氢化合

6、物敏感 5、无需使用燃气和助燃空气,缺点： 1、受水蒸汽的影响 2、检测范围较小（通常0-2000PPM） 3、不是特别精确（与校准气体相关） 4、备品灯价格较贵 卫生部公共场所集中空调通风系统卫生规范中要求采用PID方法进行空调通风系统中有机污染物检测,光电离PID和火焰离子FID检测,FID检测基本原理 将样品引入离子室并且用 氢火焰燃烧. 这个过程将分离出自由离子，这些自由离子依次被吸附在收集电极上。离子收集使电流增加, 电流的变化与当前所检测的混合物的浓度成比例（与已知的校准值相比较）。这个过程的副产品是水和二氧化碳。,光电离PID和火焰离子FID检测,优点: 1、动态和线性测量范围宽

7、（可达050000ppm） 2、对碳氢化合物蒸气灵敏 3、优异的稳定性和重现性 4、不受周围环境中的CO，CO2和水蒸气的影响 缺点: 1、需要氢气源 2、需要O2含量16才能进行操作 3、能进行总碳氢化合物含量检测-不是分离某一种混合物,光电离PID和氢火焰离子FID检测,光电离PID和氢火焰离子FID检测器结合型 可含盖几乎所有的有机挥发物的浓度检测！ PID + FID,红外光谱法IR,便 携 红 外 光 谱 法,红外光谱法IR,依赖两种基本概念: 物质在特定波长吸收红外能量 能量的降低与浓度的增加成正比(当监测不同的吸收物质时),工作原理：利用气体可吸收特定波长之红外线的特性。,红外光

8、谱法IR,红外光谱法IR,部分气体的检测波长,红外光谱法可检测的气体种类可高达180种,红外光谱法IR,采用非分散红外技术 (NDIR) 一束可调红外源(IR)通过一光学滤波器 仅在红外特定波长吸收能量的物质才可为分析仪所辨别,红外光谱法IR,Beer-Lambert定律,根据Beer定律, 可定义出光能吸收与样品浓度的关系 定律指出在特定波长上所吸收的能量值是与样品的浓度和该能量所在波长直接成正比或A=kCL A是总吸收能量值 K是特定波长的吸收常量 C是浓度测量值(光池中的量) L是路径长度 (即光速途径的距离),Beer-Lambert定律,红外光谱法IR,每一个红外响应物质可提供一独特

9、的指纹性谱图 和潜在的测量峰值(或多组峰值),红外光谱法IR,Methyl Ethyl Ketone At 200 PPM,Isopropanol At 250 PPM,相似的物质？,红外光谱法IR,N,N-Dimethylformamide At 10 PPM,N,N-Dimethylformamide At 120 PPM,不同的浓度？,红外IR光谱法,采用光谱对比软件进行气体比对分析混合物定性分析,红外光谱法IR,优点： 1、可快速判别未知气体 2、可进行100200种气体的定性和定量分析 3、便携状态下无需采样和样品处理 4、耗材很少、维护工作简单 5、无需专业的操作经验 6、防爆设计

10、/危险场所检测 缺点： 1、水气和二氧化碳的影响较大 2、定量分析需预先校正,应用范围: 应急检测 常规巡检 工艺流程 医疗卫生 事故救援,红外光谱法已被列入现场快速气体检测唯一标准方法,傅立叶红外气体分析技术,傅立叶红外光谱气体分析技术,傅立叶红外定义,红外光谱又称分子振动转动光谱，属分子吸收光谱。 样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收其中一些频率的辐射，分子振动或转动引起偶极矩的净变化，使振-转能级从基态跃迁到激发态，相应于这些区域的透射光强减弱，记录百分透过率T%对波数或波长的曲线，即红外光谱。 傅立叶红外（FTIR）光谱仪是利用光的相干性原理而设计的干涉型红外分光光度仪。,傅立

11、叶红外气体分析技术,决定傅立叶红外技术好坏的因素: 红外光源: 最新技术为长寿命空冷红外光源;光源需防爆密封设计; 干涉仪: 需具有动态调整功能的干涉仪, 可对振动与温度作出补偿及 调整; 光学平台: 需高精度, 可增加仪器的稳定性，消除了环境因素（震动 、温度等）引起的定位干扰, 以实现光路的永久准直; 高精密度的光学系统; 防潮设计,以提高光的传输效率; 高性能的电子系统, 实时采集光谱数据，以保证数据的真实性与可靠 性,傅立叶红外附件选择,标准附件及应用: 气体池: 气体分析检测 ATR进样附件: 化学物质定性分析 透过制样: 粉尘中金属物质(如游离SiO2)分析 可连接使用仪器: 红外

12、-热重联用系统 : 可对被加热样品分解或者挥发所逸出的气体进行监控及准确鉴别; 红外显微镜联用系统: 用于表面分析、超薄膜及其单分子层结构研究、横断切片的分层结构分析、污染物和松散材料的分析、生物和生物聚合物材料的分析,傅立叶红外原理国家标准,国家标准方法（红外光度法）: 水质、石油类和动植物油的测定，符合国标GB/T6488- 1996 空气中游离二氧化硅的测定 工作场所空气中无机含碳化合物的测定方法，国家职业卫生标准GBZ/T 160.282004,傅立叶红外气体分析特点,优点: 具有实验室级别的现场气体分析系统 (ppm/ppb) 分析速度较快 谱库范围广泛 无需预热和载气系统 现场/实

13、验室定性定量 缺点: 需气袋采样处理 需建立大量的定量模块 价格昂贵,常见的气体检测方法,气 相 色 谱 法,气相色谱仪GC,系统包括: 检测器-FID、TCD、PID、MAID、ECD等 载送气体 分离柱(填充柱、毛细管柱) 可温控柱箱 讯号处理与记录,工作原理： 样品经由注射或自动导入,由载气载送样品通过分离柱,到达检测器检测,因不同成份化合物通过分离柱的时间不同,且浓度与检测讯号成比例,故可定性及定量.,气相色谱仪GC,优点 可同时监测数种挥发性有机化合物 可定性及定量(需有标样) 可检测低浓度ppb或ppt,缺点 操作复杂 需载气 需专业经验人员操作 分析时间慢,约20-30分钟(从暖

14、机到结果) 无防爆设计,常见的气体检测方法,其 它 气 体 分 析 方 法 比色法(比色管) 触煤燃烧法 半导体型传感器,比色法(比色管),原理: 利用化学试剂与特定气体化合物反应后呈色,所呈现颜色与浓度具有关系,触煤燃烧法,用于检测可燃性气体 基本原理:,当待测气体通过已预热且外表涂有触煤的感测元件时,因燃烧造成升温而感测端电阻升高,电流下降.如此使在电桥之输出电压上升,电压改变的大小与浓度成正比,经计算成LEL,D：感测元件（白金丝氧化铝触媒） C：参考元件：温度补偿,触煤燃烧法,优点 使用简单,成熟技术 输出值与气体浓度之线性良好 适用高浓度 价格便宜,缺点 混合气体无法定性及定量 触煤表面容易被H2S、SO2、鉛、SO2、卤化物、硅化物污染而中毒,半导体型传感器,半导体型感测器Semiconductive Detector 原理:当待测气