有毒有害氣體檢測器

在勞動安全和工業衛生中的應用(一)

在這里我們將著重討論其它無機有毒有害氣體檢測儀的原理和應用，但實際上，我們很難將有毒有害氣體簡單地分為有機、無機兩大類。因為在現實情況中，安全和衛生方面的遇到的氣體很多都是有機無機氣體的混合物。只是由于各種原因，目前我們對于有毒有害氣體的認識還更多地集中于可燃氣體、可以引起急性中毒的氣體（硫化氫、氰氫酸等）、以及某些常見的有毒氣體（一氧化碳）、氧氣等檢測儀上，因此，本文將首先著重介紹這類檢測儀，并綜合目前的情況對各類有毒有害（無機/有機）氣體檢測儀的應用提出建議。

有毒有害氣體檢測儀的分類和原理：

       氣體檢測儀的關鍵部件是氣體傳感器。氣體傳感器從原理上可以分為三大類：

A）利用物理化學性質的氣體傳感器：如半導體式（表面控制型、體積控制型、表面電位型）、

催化燃燒式、固體熱導式等。

B）利用物理性質的氣體傳感器：如熱傳導式、光干涉式、紅外吸收式等。

C）利用電化學性質的氣體傳感器：如定電位電解式、迦伐尼電池式、隔膜離子電很式、固定電解質式等。

      根據危害，我們將有毒有害氣體分為可燃氣體和有毒氣體兩大類。由于它們性質和危害不同，其檢測手段也有所不同。

      可燃氣體是石油化工等工業場合遇到很多的危險氣體，它主要是烷烴等有機氣體和某些無機氣體：如一氧化碳等。

      可燃氣體發生爆炸必須具備一定的條件，那就是：一定濃度的可燃氣體，一定量的氧氣以及足夠熱量點燃它們的火源，這就是爆炸三要素（如上左圖所示的爆炸三角形），缺一不可，也就是說，缺少其中任何一個條件都不會引起火災和爆炸。     當可燃氣體（蒸汽、粉塵）和氧氣混合并達到一定濃度時，遇具有一定溫度的火源就會發生爆炸。我們把可燃氣體遇火源發生爆炸的濃度稱為爆炸濃度很限，簡稱爆炸很限，一般用%表示。

      實際上，這種混合物也不是在任何混合比例上都會發生爆炸而要有一個濃度范圍。如上右圖所示的陰影部分。當可燃氣體濃度低于LEL（很低爆炸限度）時（可燃氣體濃度不足）和其濃度高于UEL（很高爆炸限度）時（氧氣不足）都不會發生爆炸。不同的可燃氣體的LEL和UEL都各不相同（參見第八期的介紹），這一點在標定儀器時要十分注意。

       為安全起見，一般我們應當在可燃氣體濃度在LEL的10%和20%時發出警報，這里，10%LEL稱作警告警報，而20%LEL稱作危險警報。這也就是我們將可燃氣體檢測儀又稱作LEL檢測儀的原因。需要說明的是，LEL檢測儀上顯示的100%不是可燃氣體的濃度達到氣體體積的100%，而是達到了LEL的100%，即相當于可燃氣體的很低爆炸下限，如果是甲烷，100%LEL=4%體積濃度（VOL）。

      在工作中，以LEL方式測量這些氣體的檢測儀是我們常見的催化燃燒式檢測儀。它的原理是一個雙路電橋（一般稱作惠斯通電橋）檢測單元。在這其中的一個鉑金絲電橋上涂有催化燃燒物質，不論何種易燃氣體，只要它能夠被電很引燃，鉑金絲電橋的電阻就會由于溫度變化發生改變，這種電阻變化同可燃氣體的濃度成一定比例，通過儀器的電路系統和微處理機可以計算出可燃氣體的濃度。

      直接測量可燃氣體的體積濃度的熱導式VOL檢測器也可以在市場上得到，同時，也已經有了LEL/VOL合二為一的檢測器。VOL可燃檢測器特別適合于在缺氧（氧氣不足）的環境中測量可燃氣體的體積（VOL）濃度。

      有毒氣體既可以存在于生產原料中，如大多數的有機化學物質（VOC），也可能存在于生產過程的各個環節的副產品中，如氨、一氧化碳、硫化氫等等。它們是對工作人員造成危害很大的危險因素。這種危害不僅包括立即的傷害，如身體不適、發病、死亡等等，而且包括對于人體長期的危害，如致殘、癌變等等。對于這些有毒有害氣體的檢測是我們發展中國家應當開始引起充分重視的問題。

表常見有毒有害氣體的TWA（8小時統計權重平均值）、STEL（15分鐘短期暴露水平）、IDLH（立即致死量）（ppm）和MAC（車間很大允許濃度）mg/m3。

有毒氣體 TWA STEL IDLH MAC

氨氣 (NH3) 25 35 500 30

一氧化碳(CO) 25 -- 1500 30

氯氣 (Cl2) 0.5 1 30 1

氰化氫 (HCN) 10 4.7 50 0.3

硫化氫(H2S) 10 15 300 10

一氧化氮 (NO) 25 -- 100 --

二氧化硫(SO2) 2 5 100 15

VOC* 50 100 -- --

*隨氣體種類不同，其TWA、STEL、IDLH、MAC等值會有一定的不同

     目前，對于特定的有毒氣體的檢測，我們使用很多的是專用氣體傳感器。它可以包括上面所列的所有氣體傳感器，也包括前兩章所介紹的光離子化檢測儀。其中，檢測無機氣體很為普遍、技術相對成熟、綜合指標很好的方法是定電位電解式方法，也就是我們常說的電化學傳感器。

     電化學傳感器的構成是：將兩個反應電很--工作電很和對電很以及一個參比電很放置在特定電解液中（如上圖如示），然后在反應電很之間加上足夠的電壓，使透過涂有重金屬催化劑薄膜的待測氣體進行氧化還原反應，再通過儀器中的電路系統測量氣體電解時產生的電流，然后由其中的微處理器計算出氣體的濃度。

     目前，可以檢測到特定氣體的電化學傳感器包括：一氧化碳、硫化氫、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、氨氣、氯氣、氰氫酸、環氧乙烷、氯化氫等等。

     檢測VOC檢測器可以使用前章介紹的光離子化檢測器。

     氧氣也是在工業環境中，尤其是密閉環境中需要十分注意因素。一般我們將氧氣含量超過23.5%稱為氧氣過量(富氧)，此時很容易發生爆炸的危險；而氧氣含量低于19.5%為氧氣不足（缺氧），此時很容易發生工人窒息、昏迷以至死亡的危險。正常的氧氣含量應當在20.9%左右。氧氣檢測儀也是電化學傳感器的一種。

目前在選擇有毒有害氣體檢測儀時的問題：

     在我國，由于歷史和認識上的原因，我們在選用各類檢測儀時存在的問題還比較多，具體體現在：

1）對可燃氣體的檢測重于對有毒氣體的檢測。

2）對可能引起急性中毒氣體的檢測重于對可能引起慢性中毒的氣體的檢測。

     由于眾多可燃氣體泄漏所引起的爆炸事故的血的教訓，使人們對于可燃氣體檢測十分重視，可以講，任何一個石化、化工廠，絕大多數的危險氣體檢測儀都是LEL檢測儀。但僅配備LEL檢測儀對于真正保護工人的安全和健康還是遠遠不夠的。

     不可否認的是，大多數的揮發性危險氣體都是可燃氣體，但是，催化燃燒式的可燃氣體檢測儀（LEL）并不是對所有的可燃氣體檢測都是很佳選擇。它是專門為檢測甲烷設計的，而對其它物質的檢測性能比較差。所以，它們可以檢測出的除甲烷以外的可燃氣體的下限濃度要遠遠高于它們的允許濃度。比如：對于苯、氨氣等危險有毒氣體，單純使用可燃氣體檢測儀就是一個十分危險的做法。比如，苯的爆炸下限是1.2%，它在LEL檢測儀上的校正系數是2.51，也就是說，苯在一個用甲烷標定的LEL檢測儀上的顯示的濃度只是其實際濃度的40%！！這樣，用LEL可以檢測到的苯的很低警報濃度是10%LEL=10%*1.2%*2.51=3.0*10-3，這個濃度同苯的允許濃度5*10-6相比要高近600倍!!。同樣，氨在LEL檢測儀上得到的警報濃度1.5*10-2也要比其允許濃度2.5*10-5高大約600倍。因此根據所檢測氣體的不同，選擇特定有毒氣體檢測儀要比單純選擇LEL檢測儀更加安全可靠得多。

     另外，目前我們對于可以引起急性中毒的氣體，比如硫化氫、氰氫酸等的檢測較為重視，但對于可以引起慢性中毒的氣體，比如芳香烴、醇類等的檢測重視不夠，其實后者對于工人健康和安全的危害絲毫不遜于可以引起急性中毒的氣體！它們可能引起癌變和其它的隱形病癥，影響工人的壽命和健康。這種現象的出現，除了認識上的原因以外，以前市場上缺乏合適的、可以檢測較低濃度的有機氣體檢測儀也是一個重要的原因。

     隨著科學技術水平的發展和人們健康認識的提高，人們已經不滿足于僅僅"高高興興上班來，平平安安回家去"，而是追求著更高的生活質量和生活條件。人們不僅關心著今日的工作，更關心著明天----退休以后的生活。因此在工業衛生和工業安全工作中要不斷地引入新觀念、新思路才能不僅要避免眼前的危險發生，而更要注意避免日后悲劇的發生，所有這些，都需要通過法規制定和人們素質的提高得到不斷地改善和提高。

     我們將在下節內容中探討如何選擇和維護各類有毒有害氣體傳感器。
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