有毒气体监测分析方法的应用与研究

吴 枰

（蓬安县环境监测站，四川蓬安，637800）

随着我国工业的快速发展，有毒有害气体广泛存在于各类石油、石化、煤炭、市政、消防、冶金、燃气、医药、电信、电力及食品加工等行业，排放到生产场所空气中的有毒气体不仅直接影响生产工作者的安全与健康，而且危害到周边居住的居民。除此之外，近年来，随着人类物质水平的提高及居住条件的改善，各种新型室内装饰材料被广泛应用于住房装修，由此所造成的室内空气污染也变得日益严重，这些有毒气体会对人类健康造成巨大危害。因此，为了保障人们的身体健康，必须对有毒有害气体的组成、性质、浓度进行实时定性、定量分析检测，及时了解各类环境中有毒气体的数据信息及含量变化趋势，对于避难预险、挽救生命具有十分重要的意义，同时也为工业生产环境、医院医疗环境及人们的生活居住环境等环境监测、环境管理提供十分重要的数据和依据。

1 有毒气体概述

有毒气体，也就是对人体构成危害，使人中毒的气体，主要分为天然毒气（一氧化碳、一氧化氮、二氧化硫、硫化氢、氯气），化学毒气（氰化氢、光气、双光气、芥子气、路易斯毒气、维克斯毒气、沙林、毕兹毒气等），含氯有机气体（二氯乙烷、三氯乙烯等）三大类。

从对人体所产生的危害来分，主要包括呼吸系统麻痹毒气、神经性麻痹毒气及肌肉麻痹毒气三种。人们中毒时通常表现出来的反应为头晕、恶心、呕吐、昏迷等，有的毒气还使人气管黏膜溃烂，皮肤溃烂。中毒严重者会导致休克，甚至死亡。

1.1 呼吸系统

在工业生产场所中，呼吸道最容易接触有毒气体，尤其是刺激性毒气，一旦吸入，轻者引起流涕、喷嚏、呼吸困难等，重者引起胸闷、胸痛、气急、剧咳（带有大量粉红色沫痰）等化学性肺炎或肺水肿。引发呼吸系统损伤的有毒气体包括二氧化硫、氮氧化物、氯气、氨、光气等。

1.2 神经系统

神经系统分为中枢神经系统（包括脑和脊髓）和周围神经系统（从中枢神经系统发出，导向人体各部分，分布在头部的感觉器官、皮肤、内脏等）两大部分。有毒气体能够损害中枢神经和周围神经，侵犯神经系统的有毒物质称为“亲神经性毒物”，可导致神经衰弱综合症（出现头痛、头晕、乏力、情绪失常、睡眠不好、记忆力减退等症状）及中毒性脑病（出现嗜睡、视力模糊、步态蹒跚，甚至躁动不安等），严重者可造成脑疝而死亡。

2 有毒气体监测技术的应用

2.1 化学分析法

有毒气体最早采用化学分析法进行检测分析，众所周知，这种分析方法是最常规的分析方法，也是经典、传统分析方法，即通过现场采样，依赖于特有的化学反应和计量关系来检测分析有毒气体的含量及成分等参数，主要分为重量分析法及滴定分析法，还包括试样的处理及一些分离、掩蔽、富集等化学手段。随着科技水平的飞速发展，对有毒气体采用化学分析法这一被动监测阶段提出了新的要求，不断向智能化、自动化、一体化及在线化方向发展，同时与其他分析仪器相结合进行检测分析。

2.2 仪器分析法

上世纪70年代中后期，随着计算机和仪器科学技术的快速发展，采用仪器分析法对有毒气体进行监测迅速得到广泛应用，与此同时有毒气体也步入了法律规定强制监测的自动检测阶段。仪器分析是采用能直接或间接地表征有毒气体的各种特性，诸如化学的、物理的及生理性质等的实验现象，再通过探头或传感器、放大器、分析转化器等转变成人可直接感受的来判别有毒气体的成分、含量、分布或结构等信息的分析方法，该方法具有操作简便，灵敏度高以及选择性好等特点，主要分为色谱仪器法、光学仪器法及电化学仪器法。

随着电子技术的飞速发展，近些年，许多相互补偿、相互兼容、灵敏度及准确性较高、选择性较好互为联用的检测分析方法得到深入研究。其中，气相色谱与质谱联用分析法（GC/MS）是典型代表。许多学者将其应用于毒气方面的监测研究。王伯光等［2］利用GC/MS方法分析研究了8种具有代表性的室内环境中共计62种挥发性有毒有机物（VOCS）的分布情况和特征，室内空气中总挥发性有毒有机物（TVOCS）平均浓度由低到高的顺序为：家庭＜歌舞厅＜宾馆＜餐厅＜图书馆＜办公室＜大型商业城＜停车库。实验还得出室内空气污染物具有较明显的源特征，可通过VOCS标志化合物和其混合比例对其来源进行初步判断。

赵爱平等［1］采用毛细管色谱－质谱法测试分析某单位在建楼打桩挖井中的毒气，通过检测分析其毒气的主要成分为一氧化碳，浓度高于居民区所最高允许浓度的96倍，同时还分析说明了产生CO的原因。徐莉等［3］利用GC/MS建立可同时测定箱包用胶粘剂中芳香烃类、卤代烃类、烷烃类八种有毒有害挥发性有机物。方法采用《鞋和箱包用胶粘剂》（GB 19340－2003）中指定的八种溶剂为目标物，以乙酸乙酯为溶剂，混合均匀后，通过离心及有机相针头过滤器过滤，经气相色谱质谱联用仪定性定量检测。该方法检测灵敏度为0.01～0.07g/kg，检测精密度为1.25%～5.72%，加标回收率为92.0%～100.2%。方法简单易行，可对使用胶粘剂的企业进行安全性评估，利于对其作业场所环境进行有效监测，同时也可为突发公共卫生安全事件的应急处置提供科学依据。

2.3 传感器的应用

1962年，第一支氧化锌半导体薄膜气敏传感器由日本学者清山哲郎等人研制出后，在此基础上美国的P.J.Shaver又进一步采用Pt、Pd等贵金属有效激活气体传感器，使得传感器的灵敏度大大提高。从此气体传感器在有毒气体检测方面得到了广泛应用。

目前，采用传感器对有毒气体进行检测是最常用的检测方法，主要包括电解电池式、半导体式以及电化学式三类。电解电池式传感器一般用于检测O2，本身具有很好的稳定性，但由于电解液在自然环境中难以较好放存，容易蒸发或受到污染，使其寿命大大缩短；半导体式传感器具有较高的灵敏度，可靠性也较好，但存在多感性、选择性差等问题；电化学式传感器主要分为浓差电池型、原电池型、极限电流型及恒定电位电解池型气体传感器四大类，是目前用于检测有毒有害气体最常用的一类传感器，其中，恒定电位电解池型气体传感器是有毒气体检测的主流传感器，也是有毒有害气体检测仪中应用较多的传感器，该方法通过更改所设定的电位，对有毒气体有选择的进行还原或是氧化，是一种真正的库仑分析的传感器，从而能够定量检测各种气体，已成功用于一氧化碳、硫化氢、氨气、肼等气体的检测。李勋涛等［4］采用多种电化学气体传感器采集信号及无线传感器网络进行数据收集和处理，能够在线检测环境中的气体浓度。整个系统功能更加集成化，且体积小，很容易与后续处理设备集成并能智能控制后续处理设备。实验表明所研制系统的输出信号能实时测量环境有毒气体的浓度，能够达到市场上单一气体检测设备的精度。温卫敏等［5］利用同时兼具数据采集、串口通讯、实时显示以及声光报警等功能的多传感器自适应加权数据融合技术，研究了一套对室内装修所产生的有毒气体进行监测的系统，由于采用自适应加权数据融合算法，能够显著提高整个系统的测算精度。该系统测量精度能够满足预定要求，稳定性好，具有较大的开发潜力。

2.4 有毒气体监测监控系统

日新月异的计算机技术、现代控制理论技术、传感器及通信技术的快速发展，使得基于计算机的各种监测监控技术广泛应用于工、农业各生产领域，智能化、自动化、在线化的有毒气体监测系统也随之发展开来。

与国内相比，国外对有毒有害监测监控系统的研究较早也更成熟，早在1960年代，法国就构建了一套用于检测一氧化碳、瓦斯、风速和温度等参数的CCT63/40煤矿环境监测系统，最多能够检测40个点。随着科学技术的快速发展，目前，国外成功的结合了计算机技术、神经网络控制技术及无线通行技术等技术，

实现了有毒气体的智能化、自动化、网络化及实时在线化的监测监控系统，同时无线传感器网络技术也被广泛应用于有毒气体的检测。虽然我国对有毒有害气体监测管理上的研究起步相对较晚，但也紧跟其后，取得了一定的成果。目前，国内有毒气体监测系统基本可分为工控机、单片机智能化以及基于DCS控制技术发展起来的监测系统这三类［6］。

侯昭武等［7］利用8个红外激光气体传感器，分别安装步进电机驱动旋转的圆盘圆周上在不同的方向上对污染气体进行数据采集，以实现快速寻找有毒有害气体污染源，同时与二维热差式风速风向传感器采集到的数据，一并送入MSC1210单片机进行数据处理以及运用智能人工神经网络进行模式训练与模式识别，从而识别出污染源的位置、浓度和种类。该智能化追踪气体污染源监测仪具有较好的安全性、可靠性及实用性。肖海红等［8］建立了基于片上可编程单片机PSoC的井下有毒有害气体检测终端的设计，利用多个NDIR传感器对多种有毒有害气体进行检测，并做出了有毒气体含量的标定方法。该监测终端设计简单，工作稳定可靠，具有较大的市场潜力。邢涛等［6］利用现代传感器技术、计算机应用技术、通信技术及电子技术，构建了基于个人计算机包括数据现场监测终端、监测中心以及通信单元三个部分的在线实时监测报警系统用于监测Cl2的生产、储存以及使用场所。系统监测终端开始通过MSP430F149单片机控制获得Cl2浓度、湿度和温度的探测器信号，然后将采集到的数据从串行通信接口传入远端监控中心，再通过无线数传模块实现监测中心和生产现场间的数据通信。该系统能够对工业生产中Cl2浓度、温度及湿度等参数进行在线监测，最终以数值的形式在PC机上显示，一旦检测参数达到预设的报警值时就会及时发出报警。

3 结语

随着我国科学技术的飞速发展，有毒气体监测由最初的化学分析法发展到基于计算机的毒气监测系统，实现了自动化、智能化、网络化、在线化，使得毒气监测工作便捷方便，容易实施，而且大大提高了灵敏度、准确度，对产生有毒气体的区域作业人员提供了安全保障。但目前，我国有毒气体的监测仍然以固定的有线监测设备为主，而相比固定的有线监测设备，无线传感器网络技术组网方便、简单易行、监测安全以及精准度高，同时可以实现远程控制，应用在有毒气体监测方面具有明显的优势。因此，发展高性能、低成本的多个传感器与智能技术相结合，向网络化和嵌入式互联网发展的有毒气体监测系统将是未来的发展方向。

［1］赵爱平，乔世俊，王北苏.施工现场中有毒气体的GC/MS分析［J］.工程科技，1995，（1）：29－30.

［2］王伯光，张远航，邵敏，等.预浓缩－GC－MS技术研究室内空气中挥发性有毒有机物［J］.环境化学，2001，（6）：80－89.

［3］徐莉，杨一超，夏俊鹏.箱包用胶粘剂中8种有毒有害挥发性有机物的 GC－MS检测方法［J］.环境卫生学，2011，（5）：30－33.

［4］李勋涛，余晓芬，胡佳文，等.有毒气体无线监测网络设计［J］.传感技术学报，2010，（6）：140－144.

［5］温卫敏，汪梅.室内有毒气体监测系统研制［D］.陕西：西安科技大学硕士学位论文，2008.

［6］邢涛.工业现场有毒气氛环境监测系统的研究［D］.吉林：哈尔滨理工大学硕士学位论文，2009.

［7］侯昭武，曾彦.智能化有害有毒气体污染源监测仪的研究［J］.环境科学与技术，2012，（8）：126－129.

［8］肖海红，骆继明.基于NDIR传感器与PSoC的井下有毒气体检测终端设计［J］.煤炭技术，2014，62－64.