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對人體有毒害氣體的檢測原理及分類

2012-7-23 15:34:07

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一、生產(chǎn)過程中常見的有毒、有害氣體介紹
　　
　　在生產(chǎn)過程中對財產(chǎn)與人的健康、生命造成危害的因素大體上可以分為物理、化學與生物三方面。其中化學因素的影響危害性最大。而有毒有害氣體又是化學因素中最普遍、最常見的部分。所以本部分重點介紹有毒有害的氣體知識。
　　
　　根據(jù)危害我們將有毒有害氣體分為可燃氣體與有毒氣體兩大類。有毒氣體又根據(jù)他們對人體不同的作用機理分為刺激性氣體、窒息性氣體和急性中毒的有機氣體三大類。
　　
　　其中刺激性氣體包括氯氣、光氣、雙光氣、六氟化硫、二氧化硫、氮氧化物、甲醛、氨氣、臭氧等氣體。刺激性氣體對機體作用的特點是對皮膚、黏膜有強烈的刺激作用，其中一些同時具有強烈的腐蝕作用。刺激性氣體對機體的損傷程度與其在水中的溶解度與作用部位有關。一般來說，水溶性大的化學物，如氯氣、氨氣、二氧化硫等對眼和上呼吸道迅速產(chǎn)生刺激作用，很快出現(xiàn)眼和上呼吸道的刺激癥狀；水溶性較小的化學物，如光氣、二氧化氮等，對下呼吸道及肺泡的作用較明顯。刺激性氣體造成的病變的嚴重程度除化學物本身的性質(zhì)外，最重要的是與接觸化學物的濃度和時間密切相關。短期接觸高濃度刺激性氣體，可引起嚴重急性中毒，而長期接觸低濃度則可造成慢性損傷。急性刺激性氣體中毒通常先出現(xiàn)眼及上呼吸道刺激癥狀，如眼結膜充血、流淚、流涕、咽干、咳嗽、胸悶等癥狀，隨后這些癥狀可減輕或消失，經(jīng)過幾小時至3天不等的潛伏期后癥狀突然重現(xiàn)，很快加重，嚴重者可發(fā)生化學性支氣管肺炎、肺水腫，表現(xiàn)為劇烈咳嗽、咯白色或粉紅色泡沫痰、呼吸困難、發(fā)紺等，可因肺水腫或并發(fā)急性呼吸窘迫癥等導致殘廢。
　　
　　窒息性氣體包括一氧化碳、硫化氫、氰氫酸、二氧化碳等氣體。這些化合物進入機體后導致的組織細胞缺氧各不相同。一氧化碳進入體內(nèi)后主要與紅細胞的血紅蛋白結合，形成碳氧血紅蛋白，以致使紅細胞失去攜氧能力，從而組織細胞得不到足夠的氧氣。氰化氫進入機體后，氰離子直接作用于細胞色素氧化酶，使其失去傳遞電子能力，結果導致細胞不能攝取和利用氧，引起細胞內(nèi)窒息。甲烷本身對機體無明顯的毒害，其造成的組織細胞缺氧，實際是由于吸入氣中氧濃度降低所致的缺氧性窒息。硫化氫進入機體后的作用是多方面的。硫化氫與氧化型細胞色素氧化酶中的三價鐵結合，抑制細胞呼吸酶的活性，導致組織細胞缺氧硫化氫可與谷胱甘肽的巰基結合，使谷胱甘肽失活，加重了組織細胞的缺氧另外，高濃度硫化氫通過對嗅神經(jīng)、呼吸道黏膜神經(jīng)及頸動脈竇和主動脈體的化學感受器的強烈刺激，導致呼吸麻痹，甚至猝死。
　　
　　急性中毒的有機溶劑有正己烷、二氯甲烷等。上述有機揮發(fā)性化合物同以上無機有毒氣體一樣，也會對人體的呼吸系統(tǒng)與神經(jīng)系統(tǒng)造成危害，有的致癌，比如苯。由于有機化合物大多為可燃的物質(zhì)，所以對于有機化合物的檢測以前大多檢測他的爆炸性，但有機化合物的最低爆炸極限遠遠大于它的MAC(空間最大允許濃度)的值。也就是說，對有機化合物的毒性進行檢測是必要的，也是必須的。
　　
　　可燃性氣體的危害主要是氣體燃燒引起爆炸，從而對財產(chǎn)與人的生命造成危害。但可燃氣體發(fā)生爆炸必須具備一定的條件。一定量的可燃氣體、足夠的氧氣與點燃的火源。以上三個條件缺一不可。通常將可燃氣體發(fā)生爆炸的氣體濃度稱為最低爆炸極限，一般用LEL表示。不同的可燃氣體具有不同的LEL。所以對于可燃氣體的檢測一般檢測它的LEL。
　　
　　二、有毒有害氣體的檢測原理與分類
　　
　　氣體檢測器的關鍵的部件為傳感器。氣體傳感器從原理可以分為三大類：
　　
　　A)利用物理化學性質(zhì)的氣體傳感器：如半導體、催化燃燒、固體導熱、光離子化等。
　　
　　B)利用物理性質(zhì)的氣體傳感器：如熱導、光干涉、紅外吸收等。
　　
　　C)利用電化學性質(zhì)的氣體傳感器：電流型、電勢型等。
　　
　　下面將結合有毒有害氣體檢測常用的幾種檢測器來介紹他們的原理。
　　
　　對于常見的可燃氣LEL的檢測，現(xiàn)在一般用催化燃燒檢測器。它的原理如下，傳感器的核心為一惠通斯電橋，其中一橋臂上有催化劑，當與可燃氣體接觸時，可燃氣體在有催化劑的電橋上燃燒，該橋臂的電阻發(fā)生變化，其余橋臂的電阻不變化，從而引起整個電路的輸出發(fā)生變化，而該變化與可燃氣體的濃度成比例，從而實現(xiàn)對可燃氣體的檢測。從以上原理可知，通過該方法檢測可燃氣，它以催化燃燒為基礎，所以它的分辨率較低。該方法的分辨率一般為1%LEL，大約為100PPm左右。所以對于有機氣體毒性的檢測不能采用該檢測方法。
　　
　　對于常見有毒氣體的檢測，特別是無機毒氣，一般采用專用的傳感器進行檢測。既定性又定量進行檢測。該類傳感器大多為電化學傳感器。電化學傳感器一般為三電極的形式。其中目標氣體在工作電極上發(fā)生反應，產(chǎn)生的電流通過對電極構成回路，參比電極為工作電極提供合適的偏值。傳感器通過參比電極與工作電極的催化劑實現(xiàn)選擇性反應，即定性反應。回路產(chǎn)生的電流與氣體的濃度成正比，實現(xiàn)定量反應。而一般的氧氣傳感器為兩電極傳感器，他的檢測原理與三電極大致相似，只是采用三電極的傳感器的輸出更穩(wěn)定，壽命更長。
　　
　　對于有機揮發(fā)性氣體毒性的檢測，以前一般采用檢測管的方法，但由于檢測管的種類有限，且精度不高，操作麻煩，所以實際的應用受到影響。目前世界上比較先進的檢測方法為光離子化檢測方法，它的原理為，通過一紫外燈將目標氣體電離，離子通過一傳感器收集形成電流，該電流與目標氣體的濃度成正比，從而實現(xiàn)對有機揮發(fā)性氣體的定量檢測，由于是離子級別的檢測，所以該方法的分辨率高、響應時間快。該方法的分辨率達到0.1PPm,最高達到1PPb.從原理上可以知道,凡能被電離的有機物就能被儀器進行檢測,而不能被電離的物質(zhì)就不能被檢測.由于大多書常見的無機氣體的IE都很高,所以不會對檢測進行干擾.而大多數(shù)的有機氣體都能被電離,所以該檢測器對有機揮發(fā)性氣體來說,為寬帶檢測器.精度高、檢測范圍寬、響應時間短、易操作等特性決定了該儀器特別適于安全與工業(yè)衛(wèi)生領域的應用。

　　
　　工業(yè)環(huán)境的不同,選擇氣體檢測儀種類也不同。
　　
　　A)固定式氣體檢測議:
　　
　　這是在工業(yè)裝置上和生產(chǎn)過程中使用較多的檢測儀。它可以安裝在特定的檢測點上對特定的氣體泄漏進行檢測。固定式檢測器一般為兩體式,有傳感器和變送組成的檢測頭為一體安裝在檢測現(xiàn)場,有電路、電源和顯示報警裝置組成的二次儀表為一體安裝在安全場所,便于監(jiān)視。它的檢測原理同前節(jié)所述,只是在工藝和技術上更適合于固定檢測所要求的連續(xù)、長時間穩(wěn)定等特點。它們同樣要根據(jù)現(xiàn)場氣體的種類和濃度加以選擇,同時還要注意將它們安裝在特定氣體最可能泄漏的部位,比如要根據(jù)氣體的比重選擇傳感器安裝的最有效的高度等等。
　　
　　B)便攜式氣體檢測儀：
　　
　　由于便攜式儀器操作方便,體積小巧,可以攜帶至不同的生產(chǎn)部位,電化學檢測儀采用堿性電池供電,可連續(xù)使用1000小時;新型LEL檢測儀、PID和復合式儀器采用可充電池(有些已采用無記憶的鐮氫或鯉離子電池),使得它們一般可以連續(xù)工作近12小時,所以,作為這類儀器在各類工廠和衛(wèi)生部門的應用越來越廣。
　　
　　如果是在開放的場合,比如敞開的工作車間使用這類儀器作為安全報警,可以使用隨身佩戴的擴散式氣體檢測儀,因為它可以連續(xù)、實時、準確地顯示現(xiàn)場的有毒有害氣體的濃度。這類的新型儀器有的還配有振動警報附件以避免在嘈雜環(huán)境中聽不到聲音報警,并安裝計算機芯片來記錄峰值、STEL(15分鐘短期暴露水平)和TWA(8小時統(tǒng)計權重平均值)為工人健康和安全提供具體的指導。
　　
　　如果是進入密閉空間,比如反應罐、儲料罐或容器、下水道或其它地下管道、地下設施、農(nóng)業(yè)密閉糧倉、鐵路罐車、船運貨艙、隧道等工作場合,在人員進入之前,就必須進行檢測,而且要在密閉空間外進行檢測。此時,就必須選擇帶有內(nèi)置采樣泵的多氣體檢測儀。因為密閉空間中不同部位(上、中、下)的氣體分布和氣體種類有很大的不同。比如:一般意義上的可燃氣體的比重較輕,它們大部分分布于密閉空間的上訊一氧化碳和空氣的比重差不多,一般分布于密閉空間的中慨而象硫化氫等較重氣體則存在于密閉空間的下部(如圖所示)。同時,氧氣濃度也是必須要檢測的種類之一。另外,如果考慮到罐內(nèi)可能的有機物質(zhì)的揮發(fā)和泄漏,一個可以檢測有機氣體的檢測儀也是需要的。因此一個完整的密閉空間氣體檢測儀應當是一個具有內(nèi)置泵吸功能以便可以非接觸、分部位檢測具有多氣體檢測功能以檢測不同空間分布的危險氣體,包括無機氣體和有機氣儂具有氧檢測功能防止缺氧或富輒體積小巧,不影響工人工作的便攜式儀器。只有這樣才能保證進入密閉空間的工作人員的絕對安全。
　　
　　另外,進入密閉空間后,還要對其中的氣體成分進行連續(xù)不斷的檢測,以避免由于人員進入、突發(fā)泄漏、溫度等變化引起揮發(fā)性有機物或其它有毒有害氣體的濃度變化。
　　
　　如果用于應急事故、檢漏和巡視，應當使用泵吸式、響應時間短、靈敏度和分辨率較高的儀器，這樣可以很容易判斷泄漏點的方位。在進行工業(yè)衛(wèi)生檢測和健康調(diào)查的情況時，具有數(shù)據(jù)記錄和統(tǒng)計計算以及可以聯(lián)接計算機等功能的儀器應用起來就非常方便。
　　
　　目前，隨著制造技術的發(fā)展，便攜式多氣體(復合式)檢測儀也是我們的一個新的選擇。由于這種檢測儀可以在一臺主機上配備所需的多個氣體(無機/有機)檢測傳感器，所以它具有體積小、重量輕、相應快、同時多氣體濃度顯示的特點。更重要的是，泵吸式復合式氣體檢測儀的價格要比多個單一擴散式氣體檢測儀便宜一些，使用起來也更加方便。需要注意的是在選擇這類檢測儀時，最好選擇具有單獨開關各個傳感器功能的儀器，以防止由于一個傳感器損害影響其它傳感器使用。同時，為了避免由于進水等堵塞吸氣泵情況發(fā)生，選擇具有停泵警報的智能泵設計的儀器也要安全一些。
　　

確認所要檢測氣體種類和濃度范圍:
　　
　　每一個生產(chǎn)部門所遇到的氣體種類都是不同的。在選擇氣體檢測儀時就要考慮到所有可能發(fā)生的情況。如果甲烷和其它毒性較小的烷烴類居多,選擇LEL檢測儀無疑是最為合適的。這不僅是因為LEL檢測儀原理簡單,應用較廣,同時它還具有維修、校準方便的特點。如果存在一氧化碳、硫化氫等有毒氣體,就要優(yōu)先選擇一個特定氣體檢測儀才能保證工人的安全。如果更多的是有機有毒有害氣體,考慮到其可能引起人員中毒的濃度較低,比如芳香烴、鹵代烴、氨(胺)、醚、醇、脂等等,就應當選擇前章介紹的光離子化檢測儀,而絕對不要使用LEL檢測器應付,因為這可能會導致人員傷亡。
　　
　　　　
　　有毒有害氣體的檢測原理和應用
　　
　　電化學傳感器
　　
　　電化學傳感器可以檢測進入密閉空間和在其間工作時遇到的各類有毒污染物。目前，對于干擾組份的響應較小的特定物質(zhì)傳感器的數(shù)目還不是很多，大約為20種左右。另外一些是寬帶的污染物傳感器。電化學傳感器的特點是體積小、耗電小、線性和重復性較好、壽命較長。
　　
　　市場上不僅可以見到安裝特定電化學傳感器的單一氣體檢測儀，還可以見到包含了氧氣、易燃易爆氣體和一個到三個電化學傳感器的復合式密閉空間檢測儀。
　　
　　特定氣體電化學傳感器包括下面幾部分：可以滲過氣體但不能滲過液體的擴散式隔膜；酸性電解液槽(一般為硫酸或磷酸)；傳感電極；測量電極；參比電極(三電極設計)；有些傳感器還包括一個可以濾除干擾組份的濾膜。
　　
　　傳感電極可以催化一些特殊的反應。隨傳感器不同，待測物質(zhì)將在電極上發(fā)生氧化或者還原反應，并相對于測量電極產(chǎn)生正或負的電位差。雙電極系統(tǒng)意味著測量電極的電位要保持恒定，而實際上，由于在兩個電極上發(fā)生的反應都會使電極極化，因而也限制了它們可以檢測的濃度范圍。
　　
　　三電極設計則有所不同，儀器測量的是在參考電極和傳感電極之間的電位變化，由于參考電極不參與反應，它保持著恒電位，此時電位的變化就同濃度的變化直接有關。傳感器產(chǎn)生的電流直接同氣體的濃度成正比，并且有很寬的線性測量范圍。

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