突破性的空气传感器使化工厂更安全

西班牙潘普洛纳的纳瓦拉大学的科学家与欧盟的ACTPHAST 4R创新中心之间正在开发一种新型的空气传感器,以防止化合物从工业油箱中释放出来。

  挥发性有机化合物(VOC)的释放对环境和人类健康具有广泛的不利影响。西班牙潘普洛纳的纳瓦拉大学的科学家与欧盟的ACTPHAST 4R创新中心之间正在开发一种新型的空气传感器,以防止化合物从工业油箱中释放出来。

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  什么是挥发性有机化合物(VOC)?

  挥发性有机化合物(VOC)是与高蒸气压相关的一组烃类有机化学物质。

  由于这些高压,VOC可以气态从固体和液体中逸出。VOCs可以自然存在于自然界中,通常是由于陆地或海洋生物反应引起的。但是,对工业过程中产生的VOC进行了更广泛的研究。

  在有机溶剂蒸发和化石燃料燃烧之后,后一种VOC排放到大气中。

  通过自然和人为方法释放的挥发性有机化合物可能对人体健康和环境产生有害影响。

  当通过受污染的食水摄入时,挥发性有机化合物会对人体健康产生多种不利影响。VOC包括:

  •三氯乙烯(TCE)

  •四氯乙烯

  •氯乙烯

  •二氯甲烷

  •苯

  •甲苯

  •顺式和反式1,2-二氯乙烯(DCE)

  •1,1-DCE

  就其对环境的影响而言,某些挥发性有机化合物已被确定为臭氧的前体,从而造成了对流层臭氧的污染。因此,公众接触VOC是一项公共卫生问题,必须仔细监控,特别是在这种副产品定期释放到环境中的工业场所。

  化工厂中的VOC来源

  VOC的主要工业来源是炼油厂内使用的生产工艺和储罐。

  最近的研究发现,烷烃占炼油厂排放的全部VOC的80%。在这些烷烃中,丙烷被认为是最丰富的化合物,其体积混合比为15.3%。随后是正丁烷,乙烷,异丁烷,n=戊烷,异戊烷和正己烷,混合比分别为11.0%,9.6%,8.4%,6.6%,5.8%和4.7%。

  不论其来源如何,当将液体填充或倒空储罐时,VOC都会从储罐中释放出来。随着液体的上升,储罐内的蒸汽压力变得高于释放压力。

  相比之下,当从罐中排空液体时,VOC蒸气会膨胀并随后饱和,导致蒸气膨胀超出罐的容量并释放出来。

  当前如何监控油箱中的VOC?

  尽管从工业油箱中释放VOC时可能会发生各种各样的严重问题,但是目前尚没有实时监测油箱中VOC的技术方法。

  结果,工厂的工人必须经常爬入这些罐中以监测化学蒸气和液体化学物质的水平。VOC通常会迅速蒸发,甚至在与环境中的摩擦或静电相互作用时甚至会引起爆炸。

  吸入VOC所带来的已知健康影响,再加上许多工业工人在监测其含量的同时直接接触这些化学物质,这一事实构成了严重的职业危害,可能对工人造成致命的伤害,并给公司造成巨大的损失。

  尽管已开发出某些电子传感器来测量油箱中的VOC含量,但这些传感器在暴露于150°C以上的温度下时通常功能受限。

  这些电子传感器中的许多都包含金属氧化物,这些金属氧化物在化学溶剂的运输过程中会带来其他限制。例如,VOC与某些半导体金属氧化物之间的相互作用会导致氧化物的电阻率发生变化,从而阻止了这些传感器提供准确结果的能力。

  新型VOC传感器

  当前监视油箱中VOC的方法不足以满足行业当前的需求,即确保对员工的保护,同时限制其对环境和公共健康的影响。

  西班牙潘普洛纳的纳瓦拉大学的科学家已经与欧盟(EU)光子学创新中心ACTPHAST 4R合作开发了一种新型的空气传感技术,该技术可以检测工业燃油箱中VOC的存在。

  通过使用光纤,由Cesar Elosua Aguado领导的团队设计了一种空气传感系统,该系统将测量包层模式与传感器敏感涂层之间发生的相互作用。

  当空气传感器识别出VOC时,覆层模式与涂层之间的相互作用将产生独立且可读的信号。尽管氧化锌将用于覆盖传感器的表面,但包层模式将包含通过分布的Braff反射器绕包层行进的组件。

  该空气传感器不是利用金属氧化物材料来检测电导率的变化,而是依靠氧化锌传感材料的折射率来确定何时存在VOC。

  传感器对气体的反应性将取决于测试样品中每个VOC存在分子的特定属性。

  最终,Aguado的团队相信,其新颖的传感器响应系统将能够训练未来的人工智能(AI)系统,以识别样品中的特定VOC,并提供有关其独特品质的信息。

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