PID傳感器如何檢測VOC氣體

VOCs是揮發(fā)性有機(jī)物英文名“Volatile Organic Compounds”的縮寫，有時(shí)也稱做VOC，此時(shí)專指一種VOC，或者表示揮發(fā)性有機(jī)物這樣一個(gè)集合概念。無論是中文的揮發(fā)性有機(jī)物還是英文的Volatile Organic Compounds均比較長，因此習(xí)慣上常用VOCs或者VOC來簡稱。

不同的機(jī)構(gòu)和組織出于不同的管理、控制或研究需要，對VOCs的定義不盡相同，目前尚沒有統(tǒng)一、公認(rèn)的定義。美國ASTM d3960-98標(biāo)準(zhǔn)將VOC定義為任何能參加大氣光化學(xué)反應(yīng)的有機(jī)化合物。美國聯(lián)邦環(huán)保署(EPA)的定義：揮發(fā)性有機(jī)化合物是除一氧化碳、二氧化碳、碳酸、金屬碳化物、金屬碳酸鹽和碳酸銨外，任何參加大氣光化學(xué)反應(yīng)的碳化合物。世界衛(wèi)生組織（WHO,1989）對總揮發(fā)性有機(jī)化合物（TVOC)的定義為，熔點(diǎn)低于室溫而沸點(diǎn)在50-260℃之間的揮發(fā)性有機(jī)化合物的總稱。我國國家標(biāo)準(zhǔn)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18883-2002)中對總揮發(fā)性有機(jī)化合物（Total Volatile Organic Compounds TVOC）的定義是：利用Tenax GC和Tenax TA采樣，采用非極性色譜柱（極性指數(shù)小于10）進(jìn)行分析，保留時(shí)間在正己烷和正十六烷之間的揮發(fā)性有機(jī)化合物的總稱。

空氣中存在的有機(jī)物不僅僅是VOCs。有些有機(jī)物在常溫下可以在氣態(tài)和顆粒物中同時(shí)存在，而且隨著溫度變化在兩相中的比例會發(fā)生改變，這類有機(jī)物叫做半揮發(fā)性有機(jī)物，簡稱SVOCs。還有些有機(jī)物在常溫下只存在于顆粒物中，它們屬于不揮發(fā)性有機(jī)物，簡稱NVOCs。無論是VOCs、SVOCs還是NVOCs，在大氣中都參與大氣化學(xué)和物理過程，一部分可直接危害人體健康，它們帶來的環(huán)境效應(yīng)包括影響空氣質(zhì)量、影響天氣氣候等。

大氣污染的加重，引起了人們對揮發(fā)性有機(jī)物污染的重視。對于主要揮發(fā)性有機(jī)物的污染國家早有嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，各地，尤其是北京、廣州、深圳等均發(fā)布了更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。國家對于揮發(fā)性有機(jī)物污染治理也早有方針政策發(fā)布，尤其是2010年5月，在國務(wù)院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)境保護(hù)部等部門關(guān)于推進(jìn)大氣污染聯(lián)防聯(lián)控工作改善區(qū)域空氣質(zhì)量指導(dǎo)意見的通知（國辦發(fā)〔2010〕33號）文件中，首次把揮發(fā)性有機(jī)化合物與二氧化硫、氮氧化物、顆粒物并列確定為大氣污染聯(lián)防聯(lián)控的重點(diǎn)污染物，有力地推動(dòng)了全國揮發(fā)性有機(jī)污染物的治理步伐。自此，在國家眾多政策的指引下，更是掀起了揮發(fā)性有機(jī)物污染治理的高潮。2014年3月5日，國家科技部與環(huán)保部聯(lián)合發(fā)布了《大氣污染防治先進(jìn)技術(shù)匯編》；近期，中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)協(xié)會廢氣凈化委員會又在京召開了“第五屆全國揮發(fā)性有機(jī)污染物（VOCs）減排與控制會議”，進(jìn)一步推進(jìn)了VOCs治理高潮。

為配合這一治理高潮，本文根據(jù)《大氣污染防治先進(jìn)技術(shù)匯編》中與揮發(fā)性有機(jī)化合物治理有關(guān)的內(nèi)容，發(fā)表一些在VOCs治理工程中的一些體會與同行共勉。其中的內(nèi)容大部分是以回收工藝為前提的。

1、 揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）治理技術(shù)的一般分類和主要治理工藝

1.1VOCs治理技術(shù)分類

VOCs治理技術(shù)一般分為回收技術(shù)和消除技術(shù)兩大類〔1〕?；厥占夹g(shù)一般包括：冷凝法、吸收法、吸附法（包括變壓吸附）和膜分離法；消除技術(shù)一般包括燃燒法（包括催化燃燒、蓄熱燃燒等）、等離子體分解法、生物分解法、光催化氧化法等。

以上所述的處理技術(shù)是大家都非常熟悉的內(nèi)容。這些技術(shù)和方法的應(yīng)用一般都是針對單一的污染物或者氣體成分比較少或性質(zhì)比較接近的混合氣體而言的。但是在具體工程中，大家所遇到的往往是比較復(fù)雜的混合廢氣。在這樣的氣體治理中，首先遇到的一個(gè)問題就是治理工藝的選擇。

1.2 VOCs主要治理工藝

在近期科技部與環(huán)保部聯(lián)合發(fā)布的《大氣污染防治先講技術(shù)匯編》中，總結(jié)出了18種VOCs的治理工藝。這些治理工藝從大的方面為我們提出了治理的工藝、應(yīng)用對象、適應(yīng)范圍和大致的費(fèi)用。為我們進(jìn)行揮發(fā)性有機(jī)廢氣的治理提出了基本的建議。但是，由于揮發(fā)性有機(jī)廢氣種類繁多，所以匯編中不可能寫得面面俱到，很多東西還需要通過實(shí)踐去摸索、總結(jié)。

2、治理揮發(fā)性有機(jī)廢氣的特點(diǎn)

2.1 治理對象繁多

大家知道，目前我們所熟知的脫硫脫硝技術(shù)，它所面對的僅僅是SO2和NOx,成分簡單，性質(zhì)基本清楚，治理目標(biāo)明確，目前國內(nèi)外已經(jīng)成熟的工業(yè)化治理技術(shù)已達(dá)數(shù)十種之多。而揮發(fā)性有機(jī)化合物已經(jīng)查明的就有數(shù)千種，與人類密切接觸并可對影響人體健康和對大自然造成污染的就有200余種。試想，要完成這么多污染物的治理，那將是一項(xiàng)多么艱巨的任務(wù)！更何況它們還常?；祀s在一起，這樣給我們治理增加了更大的難度。因此，在早期的VOCs治理行業(yè)就出現(xiàn)了“笑著進(jìn)去、哭著出來”的現(xiàn)象。另外，由于國家對VOCs的減排與控制的政策法規(guī)尚不完善，同時(shí)，由于VOCs的治理涉及的技術(shù)途徑和工藝路線多，科學(xué)性強(qiáng)，需要具體的技術(shù)導(dǎo)則和工藝規(guī)范對VOCs的治理進(jìn)行具體的指導(dǎo)。所以，VOCs減排和控制還面臨著不容樂觀的局面。

2.2 石化化工行業(yè)VOCs治理的特點(diǎn)

對于石化化工行業(yè)排放的揮發(fā)性有機(jī)廢氣的治理難度相對會小一些。原因是它的排放源的成分相對比較簡單，而且排放的物質(zhì)及其性質(zhì)也比較清楚。因此治理工藝比較容易選擇。另外，因?yàn)檫@些行業(yè)比較大，技術(shù)力量比較強(qiáng)，因此，對于這些行業(yè)的VOCs治理，大家不會很擔(dān)心。目前在這些行業(yè)早已出現(xiàn)了成熟的技術(shù)。比如現(xiàn)在他們推廣的LDAR（泄漏檢測與修復(fù)）的管理機(jī)制，就是一個(gè)很好的例證。

2.3 制藥行業(yè)VOCs治理的特點(diǎn)

制藥行業(yè)VOCs的治理難度應(yīng)該算是中等的。它比石化化工行業(yè)難度大，但又比其它行業(yè)容易。因?yàn)橹扑幮袠I(yè)排放的VOCs的成分也比較清楚，但是由于它的排放絕大部分都是間歇排放，而且排放濃度也經(jīng)常隨著時(shí)間的變化而呈現(xiàn)出不規(guī)律的變化，這就給治理增加了難度。

2.4 涂布行業(yè)VOCs治理的特點(diǎn)

我們感覺治理VOCs難度最大的當(dāng)屬涂布行業(yè)。一是這些行業(yè)多屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)小廠，技術(shù)力量差，又無分析手段；二是他們使用的涂布膠液不僅大都是外購，膠液供應(yīng)商對于他們的膠液配方都嚴(yán)格保密；三是他們所使用的膠液經(jīng)常變化。因此，即使你對他們使用的各種膠液的成分都分析得很清楚，但是你也不可能使用一個(gè)裝置去應(yīng)對他的所有膠液。

3、揮發(fā)性有機(jī)廢氣治理方案的選擇（主要談回收法）

3.1 治理工藝比治理設(shè)備重要

在采用回收技術(shù)治理VOCs時(shí)常常會出現(xiàn)這樣的爭論：是治理工藝重要還是治理設(shè)備重要？大家可能記得，上世紀(jì)90年代初出現(xiàn)的用于回收有機(jī)溶劑的活性炭纖維自動(dòng)化回收裝置。這種裝置來源于日本，當(dāng)時(shí)我們國家共引進(jìn)了2套，其中一套就安裝在保定市的化工部第一膠片廠。后來膠片廠的科技人員對該裝置進(jìn)行了成功的消化吸收，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。于是很多人到處想辦法去搞圖紙，幾年的功夫，出現(xiàn)了很多利用該裝置回收VOCs的公司，而且出現(xiàn)了惡性競爭的局面。但是僅僅紅火了幾年，大多數(shù)公司垮掉了。究其原因是不少人認(rèn)為，只要有了好的設(shè)備，好像根本就無需考慮回收什么物質(zhì)。

實(shí)際上，在搞VOCs回收時(shí)，首先應(yīng)該考慮廢氣成分及各成分的性質(zhì)，然后去研究采取什么樣的工藝。比如有人提出一種含甲苯、二甲苯和苯乙烯的混合廢氣，濃度在3000mg/m3,問用什么工藝回收。對于如此高濃度的VOCs廢氣，人們立即會想到：采用活性炭纖維回收。但是，這里面有個(gè)苯乙烯的問題，苯乙烯在活性炭纖維上比較容易聚合，尤其是當(dāng)溫度較高時(shí)。而采用活性炭纖維吸附回收時(shí)就有個(gè)因其聚合而堵塞吸附劑微孔的問題。為此需要首先搞請苯乙烯聚合的條件，才能提出合理的回收工藝。

因此我認(rèn)為，在治理尤其是采用吸附法回收VOCs時(shí)，治理工藝比治理設(shè)備重要。

3.2 采用炭基吸附劑吸附回收VOCs的問題

之所以提出，是因?yàn)槲覀冎鲝埬軌蚧厥盏臇|西盡可能地予以回收。因?yàn)槿魏螕]發(fā)性有機(jī)化合物，回收價(jià)值都比回收熱量的價(jià)值大得多。實(shí)在濃度太低或雖然濃度高但無法回收時(shí)才可以采取消除（比如催化燃燒等）的辦法。所以我們常稱消除法處理VOCs是“沒有辦法的辦法”。這里僅就采用炭基吸附劑吸附法回收VOCs的技術(shù)談一些體會。

3.2.1吸附劑的選擇

這個(gè)問題大家都比較熟悉了，這里只想說2點(diǎn)：

A.活性炭纖維是“吃細(xì)糧”的，而顆?；钚蕴渴恰俺源旨Z”的。因?yàn)榛钚蕴坷w維微孔的孔徑都在2nm左右，所以處理動(dòng)力學(xué)分子直徑大的物質(zhì)時(shí)不宜采用，尤其是多種直徑分子的混合物，如汽油等。而顆?；钚蕴俊?〕，除小孔外，還有0.01～0.1μm的中孔和少量大孔，因此，它可以處理多種直徑分子的混合物。如***用來吸附回收涂布行業(yè)排放的混合有機(jī)廢氣，之所以能夠達(dá)到較高的回收率而且能夠較長時(shí)間的運(yùn)行，他們所使用的吸附劑都是顆?；钚蕴?。近年來我國開展的油氣回收，所采用的也多為顆粒活性炭。

B.我們國內(nèi)所用的顆粒活性炭大部分都是以小孔為主的，因此在有些場合就不是很適用。近些年市場上出現(xiàn)了一些以中孔為主的顆粒活性炭已在不少VOCs回收中得到了很好的應(yīng)用。

3.2.2簡單組分VOCs處理方法的選擇

如果需處理的廢氣成分簡單，性質(zhì)明確，那就是考慮吸附劑的選擇了。選擇吸附劑的首要原則就是要有大的比表面積。一般而言，活性炭類吸附劑應(yīng)為首選。但是要考慮炭基吸附劑有一個(gè)特性，就是它的表面存在著具有催化作用的活性點(diǎn)，它可以使還原性物質(zhì)氧化，比如它能夠把S2-催化氧化成S0,可以使一些易聚合的物質(zhì)聚合，從而堵塞吸附劑微孔。這時(shí)候就應(yīng)考慮采用其它類型的吸附劑。

3.2.3復(fù)雜組分VOCs處理方法的選擇

這里只想說一點(diǎn)，那就是必須把VOCs的成分及各成分的性質(zhì)搞清楚，才能進(jìn)行處理方法和處理工藝的選擇。因此，對VOCs的檢測手段就顯得十分重要。這一點(diǎn)又是我們國家比較落后的方面。

3.2.4考慮某些物質(zhì)的特殊性質(zhì)

這里想說的是，在采用炭基吸附劑時(shí)，需要查一下VOCs的可脫附性。下表所列是一些從炭基吸附劑上難以脫附的物質(zhì)〔2〕：

不僅如此，有些物質(zhì)在炭基吸附劑上積累后還會著火，最典型的就是環(huán)己酮。當(dāng)年在某石化企業(yè)回收VOCs時(shí)，因?yàn)槠渲泻沫h(huán)己酮在活性炭纖維上的不斷積累，結(jié)果回收裝置僅僅運(yùn)行了3個(gè)月就發(fā)生了活性炭纖維被燒毀的事故。

4、幾個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

4.1廢氣進(jìn)入處理系統(tǒng)的濃度

在我們進(jìn)行VOCs治理時(shí)最重要的是安全問題。因?yàn)榻^大多數(shù)VOCs都屬于易燃易爆物質(zhì)，因此，在VOCs回收或催化燃燒時(shí)必須考慮爆炸極限，以保證處理系統(tǒng)的安全運(yùn)行。在環(huán)保部發(fā)布的《吸附法工業(yè)有機(jī)廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》（HJ2026-2013）和《催化燃燒法工業(yè)有機(jī)廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》（HJ2027-2013）中，對進(jìn)入處理系統(tǒng)的VOCs濃度都作出了嚴(yán)格的規(guī)定，我們必須認(rèn)真執(zhí)行。

4.2廢氣通過吸附床層的風(fēng)速

有很多教科書上都明確寫道：氣體通過吸附器床層的風(fēng)速一般為0.2~0.6m/s。通過工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，這種說法有些偏頗。利用活性炭纖維作吸附劑的同行都知道，大家使用的最大風(fēng)速也不會超過0.15m/s。那么為什么老的教科書給出這個(gè)數(shù)據(jù)呢？考查發(fā)現(xiàn)：過去人們大都采用顆粒活性炭作吸附劑，它的床層厚度一般設(shè)計(jì)在0.2~0.6m，最大不會超過1m，所以就給出了這個(gè)數(shù)據(jù)。實(shí)際上，通過工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，廢氣通過床層的速度應(yīng)該是由廢氣在床層中與吸附劑的接觸時(shí)間決定的。總結(jié)工程實(shí)踐，廢氣在吸附床層內(nèi)與吸附劑的接觸時(shí)間以0.8~1.2s為宜，濃度低可以短一些，濃度高可以長一些，采用這樣的風(fēng)速，完全可以滿足治理要求。

4.3脫附溫度

關(guān)于脫附溫度，很多人都認(rèn)為與吸附質(zhì)的沸點(diǎn)有關(guān)，認(rèn)為要想把高沸點(diǎn)的物質(zhì)從吸附

劑上脫附下來，脫附介質(zhì)的溫度必須高于該物質(zhì)的沸點(diǎn)。實(shí)踐證明這種觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。以雙氧水行業(yè)回收三甲苯為例，我們作過不少這樣的工程，都是用100℃的水蒸氣脫附下來的，而且效果很好。而三甲苯的沸點(diǎn)為164.7℃。

為此可以得出結(jié)論，吸附質(zhì)的脫附溫度與其沸點(diǎn)沒有直接關(guān)系，而是和它的飽和蒸汽壓有關(guān)。這個(gè)結(jié)論可以用脫附原理來說明。

我們都知道，要想使吸附質(zhì)分子從吸附劑表面脫附下來必須給它能量或推動(dòng)力，使其能夠從吸附劑表面“蒸發(fā)”到吸附劑孔道中，從而進(jìn)入氣相主體。而在通常采用的脫附方法中〔2〕，加熱脫附是給它提供能量，以增加分子的動(dòng)能；吹掃脫附和降壓（真空）脫附，都是為了降低吸附劑孔道中廢氣分子的分壓，也就是蒸汽壓，給廢氣造成一個(gè)濃度差，從而給廢氣分子由吸附劑表面向氣相轉(zhuǎn)移提供一個(gè)推動(dòng)力，這個(gè)推動(dòng)力越大，廢氣分子的脫附速度就越快。所以，從這個(gè)理論出發(fā)就不難理解，吸附質(zhì)的脫附溫度是與其飽和蒸汽壓直接相關(guān)的，而與它的沸點(diǎn)無關(guān)。

5、關(guān)于注重高濃度揮發(fā)性有機(jī)廢氣回收的建議

在我國的不少行業(yè)存在著高濃度揮發(fā)性有機(jī)廢氣排放的問題。比如：PVC行業(yè)的氯乙烯單體、化學(xué)纖維行業(yè)的H2S和CS2、石油化工行業(yè)的石腦油和干氣等。這些VOCs排放濃度很高，對大氣中TVOCs的貢獻(xiàn)不可忽略，同時(shí)也是很好的資源。另外也希望關(guān)注一下變壓吸附在回收不凝氣方面的應(yīng)用。

防治大氣污染，ISweek工采網(wǎng)目前提供英國Alphasense公司的PID傳感器，可以檢測VOC氣體:

英國alphasense PID光離子氣體傳感器 - PID-AH

光離子氣體傳感器PID-AH最低可以檢測1ppb的VOC氣體，可以檢測2000多種不同的VOC氣體,許多有害物質(zhì)原料都含有VOC，PID由于其對VOC的高靈敏度，成為有害物質(zhì)早期危險(xiǎn)報(bào)警、泄漏監(jiān)測等不可缺少的實(shí)用工具。非常適合環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)和儀器。

英國alphasense 大量程光離子PID氣體傳感器 - PID-A1

PID氣體傳感器PID-A1是大量程的PID傳感器，是VOC檢測專用氣體傳感器，最高可以檢測6000ppm的VOC氣體，4系大小，非常適合化工、石油等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

取樣氣體被暴露在PID中的紫外燈發(fā)出的紫外線中。發(fā)出的紫外線電離目標(biāo)氣體，此電離的信號由PID中的電路部分檢測和計(jì)算出氣體的濃度（ppb或者ppm）。

PIDs能檢測濃度非常低的VOC氣體（揮發(fā)性的有機(jī)物）?？紤]到VOC測試的標(biāo)準(zhǔn)測量，Alphasense的PIDs是體積合適的和低功耗，并且有不斷改善的電路部分和長壽命的紫外燈泡。拓展的燈泡包括更好的BTEX和含氯元素的VOC檢測。這些傳感器的引腳是和4P90的一模一樣的。

Alphasense公司的PID傳感器提供2種型號：PID-A12和PID-AH2。他們不受濕度變化的影響，在各種應(yīng)用領(lǐng)域擁有優(yōu)越的性能。

PID-A12的線性量程是50ppb~6000ppm(測試氣體：異丁烯)

PID~AH2的線性量程是1ppb~50ppm(測試氣體：異丁烯)

PID傳感器包括紫外燈泡的驅(qū)動(dòng)電路，放大電路和用戶可自行更換的電子柵極，10.6eV燈泡和顆粒過濾膜。