一种工作场所内有毒气体监测与净化一体化装置的制作方法

本技术属于气体监测与净化领域，涉及一种监测与净化一体化装置，具体涉及一种工作场所内有毒气体监测与净化一体化装置。

背景技术：

1、我国制造业分布地区广、涵盖行业全、从业人员多、有机溶剂使用量大，由于工作场所封闭和通风不良，导致有毒气体(以苯为例)挥发在工作场所中，造成作业人员接触苯浓度超过职业接触限值。而苯是高毒物质，是已知的人类肯定致癌物，低浓度暴露便会造成血液中白细胞和血小板数量下降，长期暴露可引起多器官的肿瘤。因此，亟需研发高灵敏度的传感器来在线监测工作场所中苯的接触水平，预警苯的职业健康风险；同时还需研发高效苯的净化装备，有效降低苯的职业危害暴露水平，保护劳动者职业健康。

2、目前工作场所苯监测报警装置主要采用光离子式(pid)，检测的基本原理是利用惰性气体真空放电所产生的真空紫外线(vuv)，当待测有毒气体的电离能小于紫外灯的电离能时，待测有毒气体会发生电离反应，电离成可被检测器检测到的正负离子，在电离室中外加极板电压的作用下，电离出的离子与电子在极板中外加电场的作用下定向移动，电荷的移动产生微弱电流，通过对微弱电流信号处理分析得到待测气体的浓度。当待测有毒气体吸收高能量的紫外线时，有毒气体分子受紫外光的激发暂时失去电子成为带正电荷的离子，气体离子在检测器的电极上被检测后，很快会电子结合重新组成原来的有毒气体分子。这种设备有四种缺陷，一是该检测装置依赖于使有毒气体分子离子化的“电离电位”，苯分子的电离电位高达9.24ev，而甲苯分子(8.82ev)和二甲苯分子(8.56ev)的电离电位均低于苯分子，在工作场所中苯系物大都以混合物形式出现，使用氪灯(10.6ev)发出的真空紫外线能够将苯、甲苯和二甲苯都电离，检测出的电流强度为苯、甲苯和二甲苯电离后离子的混合值，进而造成苯的检测数据偏大，而苯的时间加权平均容许浓度(pc-twa)为3mg/m3，远低于甲苯和二甲苯的时间加权平均容许浓度(pc-twa)(均为50mg/m3)，这就意味着只要工作场所存在接触浓度≥10％oel(职业接触限值)的甲苯或二甲苯，就会触发报警装置产生误报，误报后按职业卫生管理相关规定劳动者须立即停止作业，进而影响企业正常生产工作，给企业造成较大损失；二是pid是一种非破坏性检测器，它不会“燃烧”或永久性改变待测的有毒气体分子，有毒气体被检测后，离子重新复合成原来的有毒气体分子，在此过程中，分子不会有任何损坏。因此，该设备只能起到监测报警作用，无法实现苯降解净化，进而达到保护劳动者职业健康的目的；三是该设备价格较为昂贵，目前市场价为2万元以上，其中电离光源有使用寿命(以国产氪灯为例，使用时间大约为300小时)，后期维护更换价格昂贵。四是该设备受环境(水汽、粉尘)影响较大，在高湿度和粉尘存在的环境中其气体检测精准性和灵敏性都会大大下降。南方典型的工企车间工作场所往往空气湿度较大，大多制造业工作场所都存在粉尘，该设备应用场景受限严重。

3、自从1962年半导体金属氧化物气体传感器问世以来，半导体气体传感器已经成为当前应用最普遍、最具有实用价值的一类气体传感器。它具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低、电路简单以及对苯具有较高灵敏度等优点而备受关注，它的主要原理是：在一定温度下，苯与气敏材料表面的氧物种反应，引起气敏材料电阻值变化，进而实现实时检测苯浓度的目的。不足之处是必须在高温下工作、功率能耗高等。电阻型传感器主要是表面电阻型，对于表面电阻控制机理而言，目前主要有以下两种气敏机理模型：氧离子化模型与氧空位模型。其中n型半导体材料遵循氧离子化模型，正常情况下金属氧化物表面存在氧吸附特性，吸附在气敏材料表面上的氧分子将从导带中捕获电子变成吸附氧而导致材料的电阻增大，这些吸附氧主要分为由工作温度决定的物理吸附氧分子(o2-)与化学吸附氧离子(o-与o-2)。其中，当温度较低时(<150℃)，吸附氧大多是o2-，随着温度升高(>150℃)，o2-转变为o-与o-2。当材料接触到还原性气氛如甲醛，甲醛气体就会与吸附氧发生还原反应，顺便将捕获的电子再次返回到半导体的导带，而使材料的电阻降低；当接触到氧化性气体如o3时发生负离子吸附，这些氧化性气体从导带中捕获电子而被离解成负离子(o3-)，导致材料中载流子浓度减小，电阻增大。p型半导体材料遵循氧空位模型，空气中的氧分子首先从导带中捕获电子填充氧空位，导致电阻增大。当气敏材料接触到co等还原性气体时，co的作用主要是将捕获晶格氧而生成co2，相应地产生了氧空位；随后氧空位被离子化，而使电子进入导带，相应地也使电阻降低。当接触到氧化性气体时，这些氧化性气体就会填充氧空位，同时捕获导带中的电子，导致气敏材料的电阻增大。根据上述两种机理，可以看出材料表面氧空位和吸附的氧物种对传感器气敏性能影响较大，理论上来说我们可以通过不同的工艺制备具有不同表面缺陷的气敏材料，可以改善材料的气敏性能或者提高传感器的选择性；通过在气敏材料中添加掺杂物也可以改变其很多参数如载流子浓度、金属氧化物的化学和物理特性、金属氧化物材料表面的电子和物理化学性能、表面势和晶粒间势垒、相组成、晶粒尺寸等等，进而可以改变金属氧化物的催化活性，稳定原子价态，促使活性相的形成，增加电子交换率，从而可以改善材料的气敏性能或者提高传感器的选择性。

4、目前针对有毒气体的净化技术主要分为回收和销毁两大类。通常情况下，对于高浓度的有毒气体(例如石化厂储罐区、加油站等)应首先采用冷凝吸收、吸附浓缩和膜分离等技术进行回收利用，然后再辅之以销毁技术进行处理以达标排放。对于中低浓度的不具备回收价值的有毒气体可以采用燃烧法(蓄热燃烧和催化燃烧)、等离子体法和生物技术净化后达标排放。在众多的处理手段中，燃烧法，尤其是催化氧化技术具有处理效率高、占地小和二次污染少等优点，被认为是一种高效的室内有毒气体净化技术，基于该技术研发的净化设备可以有效降低工作场所内有毒气体浓度。在催化燃烧技术中，最核心的问题是如何制备高性能催化剂。金属氧化物因其价格低廉而且储量丰富，易于调控表面氧空位甚至可以定向调控形貌，同时其对有毒气体具有良好的催化活性等特性而被广泛应用于室内有毒气体催化净化中。我们可通过调控金属催化剂的形貌、比表面积、孔容孔径、晶粒大小、表面酸性、氧缺陷、氧化还原性、表面元素分布以及晶面的选择性暴露等或掺杂其他金属以提高其催化性能以制备高性能催化剂，从而降低催化反应的能耗，提升技术手段的经济性，进而助力于保护劳动者职业健康。

5、如果将两种技术整合到一种装置中，既能起到有毒气体实时监测报警作用，预警有毒气体的职业健康风险；又可以实现有毒气体催化净化，有效降低工作场所内有毒气体的职业危害接触水平，保护劳动者职业健康。

技术实现思路

1、本实用新型公开一种工作场所内有毒气体监测与净化一体化装置。该装置具有监测与净化一体化的特点，既起到有毒气体实时监测报警作用，又可以实现有毒气体催化净化。

2、本实用新型的目的至少通过如下技术方案之一实现。

3、一种工作场所内有毒气体监测与净化一体化装置，包括石英外管、热电偶和石英内管；所述石英外管半套设于石英内管外部，且石英内管位于石英外管内部的一端开口与石英外管连通；所述石英内管设置有热电偶；所述石英外管的一端设置有橡胶塞；所述石英外管上开设有进气口，所述石英内管上开设有出气口；所述石英内管装有有毒气体监测与净化一体化装置。

4、进一步地，所述有毒气体监测与净化一体化装置包括有毒气体监测和有毒气体净化装置。

5、进一步地，所述有毒气体监测由检测电位装置、叉指电极和传感器涂层组成；所述叉指电极与检测电阻值装置连接，所述叉指电极外部涂覆有传感器涂层。

6、进一步地，所述有毒气体净化装置由加热装置、催化剂与石英砂床层和石英棉组成，所述催化剂与石英砂床层设置于石英内管的开口处，且两端设置有石英棉；所述加热装置设置于催化剂与石英砂床层所在位置的石英内管外部。

7、进一步地，所述加热装置由氧化铝陶瓷加热管和直流电源组成，所述氧化铝陶瓷加热管和直流电源连接。

8、进一步地，所述检测电阻值装置为7位半数字万用表。

9、进一步地，所述催化剂与石英砂床层中催化剂与石英砂的质量比为1:4。

10、进一步地，所述传感器涂层为co3o4/zno(摩尔比为1:1、1:5或5:1)传感器涂层。

11、进一步地，所述催化剂为co3o4-h或co3o4-t。

12、进一步地，所述叉指电极和传感器涂层均为丝网印刷技术制成。

13、进一步地，所述由a口进气、b口出气可以实现先检测工作场所有毒气体浓度，后经催化剂床层降解净化，进而同时实现工作场所有毒气体的监测报警与催化净化。如果由b口进气、a口出气可以实现有毒气体先经过催化剂催化降解，后检测降解后气体浓度，进而实现评估催化剂催化性能的目的。

14、与现有技术相比，本实用新型的优势在于：

15、①金属氧化物半导体传感器可以通过传感器涂层材料对目标气体混合物中某种气体进行选择性传感，目前有文献报道co3o4/zno传感器涂层在240℃下能对50ppm的三甲胺有特异性传感性能(li y,li k,luo y,et al.synthesis of co3o4/zno nano-heterojunctions by one-off processing zif-8@zif-67and their gas-sensingperformances for trimethylamine[j].sensors and actuators b:chemical,2020,308:127657)。因此，使用金属氧化物半导体传感器可以通过材料创新对苯系物混合物中苯检测具有选择性，可以较目前技术更为准确检测苯系物混合物中苯的浓度，不会产生误报。

16、②金属氧化物半导体传感器是一种有损检测，通过传感器涂层中氧物种与有毒气体产生催化降解反应，引起传感器涂层电阻值的变化，进而通过检测电阻值变化实现检测有毒气体浓度的目的，这种装置可以降解部分工作场所内存在的有毒气体。

17、③该装置可以通过在氧化铝陶瓷管内部填充催化剂，进而对工作场所内的有毒气体实现催化净化。

18、④传感器需要24小时不断电来实时检测有毒气体浓度，本装置可以利用半导体传感器运行时陶瓷管产生的热量，实现对工作场所中有毒气体的热催化降解，同时实现节能(电能)与减排(有毒气体大多是温室气体，且温室效应平均质量效率是co2的数十倍)，具有较强的应用价值。

19、⑤金属氧化物半导体传感器价格低廉，成本价不足百元，本发明的氧化铝陶瓷加热管拆卸简单，叉指电极和传感器涂层丝网印刷技术成熟，易于制作，后期维护更换方便、便宜。

20、⑥金属氧化物半导体传感器抗环境干扰能力强(粉尘、水汽等)，可在比较亟需职业健康保护、相对恶劣的工企车间下稳定使用，本发明装置具有较强的应用价值。