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PID检测 — 防御挥发性有机化合物(VOCs)的危害

挥发性有机化合物(VOCs)往往是液体,在室温下很容易释放出蒸汽,如溶剂和燃料。在高浓度下,这些蒸气会发生爆炸。在极低浓度下,他们可能有毒。虽然有时候,接触这些化合物的影响可以立刻显现,但是通常可能几个月都不会有任何明显症状,而是此后几年才会显现。这种慢性病可能由长期大量接触低浓度挥发性有机化合物(VOCs)造成。随着人们对挥发性有机化合物(VOCs)的慢性毒性的逐步认识,职业接触限值(OEL)得以降低,同时也增加了对直接测量的需求。

常见的挥发性有机化合物(VOCs)接触形式为蒸汽吸入。防范蒸汽吸入的方法是使用便携式气体检测仪,并正确佩戴。例如合理地靠近呼吸区,但却不直接与检测器接触。通过这样的方式,检测器与其佩戴者所接触相同级别的有毒气体,因此可以适当地警示佩戴者。至关重要的是,能够避免长期、低浓度接触挥发性有机化合物引发慢性病。

大量不同的有毒、易爆气体可能存在于某些工作环境中。因此,常用的办法就是使用可以同时装配多个传感器的气体检测仪,能够同时监测可能造成威胁的不同气体危害。不同传感器提供的信息有助于分析复杂混合气体。


便携式气体检测仪的正确使用非常重要。某些特殊的有毒气体可以用特定的传感器来检测。在接触该特定气体的环境内使用这些特定的传感器是可行的。典型的例子包括碳酸饮料行业中使用的二氧化碳;钢铁行业使用的硫化氢;以及水处理领域中使用的臭氧和氯气。针对上面提到的每一种气体,都有可用的传感器,这些传感器通常基于电化学技术。然而,却没有甄别多种VOC气体的特定传感器。在这种情况下,必须依靠不同的技术。

针对VOC的特定检测器

几种可以检测VOC气体的技术

这些技术包括: 比色气体检测管;被动式(扩散式)剂量计;吸附管取样系统;可燃性气体传感器 (也称之为催化燃烧式传感器或惠斯通电桥);光离子化检测(PID);火焰电离检测(FID)和红外分光光度法。这些技术都非常有用,甚至在某些监测应用中是必需的。

然而,受成本和体积限制,谈及个人检测设备时,只有可燃性气体传感器或者基于PID的传感器才被常用。这两种技术并不是针对某一种气体,因此不能用于从一种 VOC/易燃气体中区分出另一种。


催化燃烧传感器(可燃性气体传感器)

催化燃烧传感器实际上是利用气体的燃烧来检测气体3。虽然利用燃烧检测可燃气体可能听起来并不明智,可燃性气体传感器的设计却可确保其安全。催化燃烧传感器基于惠斯顿电桥工作原理,在电桥结构中设置两个包有铂线圈的磁珠。其中一个磁珠(反应磁珠)接收催化反应,由此降低了周围气体燃点。燃烧过程使这个磁珠温度升高,与参考磁珠产生温差,导致电路电阻值不同。通过电阻值变化直接与气体浓度成正比,由此可以得到气体爆炸下限百分比(%LEL)。

热磁珠和电气电路安装于催化燃烧传感器的内部,但气体必须通过传感器才能被检测到。因此,传感器外壳,包括一个烧结金属阻火器(或过滤片/烧结片),气体通过该过滤片。受限于传感器外壳,可能会发生可控的燃烧,烧结片将其与外界环境隔离。

虽然这种传感器可适用于多种可燃气体,但是如果检测挥发性有机化合物(VOCs)时,其却有着明显的缺点。

• 催化燃烧传感器只能在一定百分比范围内检测(百分量)。

该传感器适用于检测燃烧风险,但是很多挥发性有机化合物(VOCs)也会构成毒性威胁。因此,传感器的灵敏度通常需要达到百万分比(ppm)。

• 很多挥发性有机化合物(VOCs)均是烃分子,不能轻易通过催化燃烧传感器烧结片进行扩散。这意味着其灵敏度进一步降低。

• 催化燃烧传感器容易被很多化学物质腐蚀而中毒,这是很多行业领域都会涉及到的3。对于含硅酮、铅、硫和磷酸盐的化合物,虽然其含量可能只有几个ppm,但也可使传感器中毒,导致其部分或完全丧失灵敏度。


基于光离子的检测(PID检测)
光离子检测技术被**为监测挥发性有机化合物有毒水平的技术。传感器包括一盏光离子化灯,该灯安装于高能紫外线(UV)光源内(图4)。该灯(包括一个密封的硼硅酸盐玻璃体)内包惰性气体,常用的是氪和电极。UV光的能量激发中立带电的VOC分子,因此去除一个电子。


去除一个带负电的电子,则现在VOC分子具有一个对应的正电荷。带正电荷的分子和带负电荷的电极吸引相反电荷的电子,产生了电流。电流的量级与气体浓度成正比,并转换为 ppm 示值读数,可在检测仪器上显示。


从VOC分子中去除一个电子所需的能量被称为电离电势(IP)。分子越大,或分子中含有更多双键或三键,则IP越低。因此,一般来说,分子越大,就越容易被检测出。并且,该技术不需要使用可能会阻止气体进入传感器的烧结片。同时,也不易被其他常见的化合物削弱其功能而导致中毒。

PID 灵敏度非常高,可以检测到很多不同种类的挥发性有机化合物。响应幅值与气体的浓度成正比。然而,一种 50ppm 的气体显现出的读数与另一种 50ppm 的不同气体不同。为了应对该情况,检测器通常需要异丁烯校准,然后采用校正因子获得其他气体的准确读数。不同的气体都有不同的校正因子。因此,必须知道对应气体的正确校正因子。此外,校正因子由传感器制造商特别提供。

对于有爆炸可能的气体,必须达到一定的环境浓度,即爆炸下限 (LEL)才有可能爆炸。检测器设定的报警限值不高于爆炸下限5的10%,甚至更低,根据情况需要。甚至爆炸下限的 5% 往往也高于防御毒性的法定职业接触水平。


根据 IEC60079-20-1:20126,该表格对8小时时间加权平均浓度(TWA)与爆炸下限的5%做比较。我们采用EH40/2005英国工作场所接触限值7中所载的接触限值。

因此,对于很多应用来说,催化燃烧传感器和光离子化传感器(PID)一直被视为互为补充的检测技术,而不是互相竞争。催化燃烧传感器善于监测PID无法探测到的甲烷、丙烷和其他常见的可燃气体。另一方面,PID 可以检测到催化燃烧传感器无法检测出的大分子VOC和烃类,当然需达到对有毒浓度警报的百万分率范围内。因此,在许多环境中检测气体的方法就是安装配备这两种技术的传感器仪器。


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