氢气泄漏检测新技术研究论文

浅谈重金属检测传感器技术的应用论文

摘要： 随着经济的迅猛发展和社会的日新月异, 人们对重金属的开采及加工越来越频繁, 这使得不少重金属存在于大气水以及土壤中, 在很大程度上加重了环境污染, 科学技术的迅猛发展为重金属检测传感器技术的研究提供了很好的途径。针对上述背景下, 对重金属检测传感器技术研究与应用进行合理性阐述, 以促进重金属检测传感器技术的进一步发展。

关键词： 重金属检测; 传感器技术; 环境污染;

重金属污染是环境污染的一个重要组成部分, 重金属在自然界中广泛存在, 随着人类的开采、冶炼、加工活动而使得重金属转变成化学状态或化学形态广泛分布于大气、水、土壤中, 随着时间的积累而不断留存、迁移, 从而引发严重的环境污染问题;重金属甚至还会随着废水的排出而流入海洋中, 对鱼和贝类造成严重的危害;重金属还会附着在人类的鼻腔和食物上, 造成人类呼吸道感染和重金属中毒[1]。重金属具有沉积性和不可降解性, 是一种非常危险的污染源, 因此对于重金属的研究与检测是十分关键的。通过调查与研究, 发现重金属检测传感器技术主要分为离子选择性电极传感器技术、光纤化学传感器技术、生物传感器技术以及微电极矩阵传感器技术四个方面, 本文通过对这四种传感器技术在重金属检测中的研究与应用作简要分析, 以推动重金属检测传感器技术的发展。

1 离子选择性电极传感器技术。

离子选择性电极传感器技术是一种操作简单、性价比高、准确有效的重金属检测传感器技术。离子选择性电极传感器技术因为不需要提前对样品进行操作而被广泛应用于重金属的在线检测中。目前, 国内外学者对离子选择性电极传感器技术进行了大量的研究, 发现选择性高、经济简单的离子选择性电极主要分为基于聚氯乙烯膜的离子选择性电极和基于流系玻璃膜的离子选择性电极两种[2]。

基于聚氯乙烯膜的离子选择性电极。

目前在对基于聚氯乙烯膜的离子选择性电极的研究中, 主要是对离子选择性电极的重金属离子的识别以及聚氯乙烯膜的结构和性能进行研究, 同时, 对不同的载体和膜增塑剂对离子选择性电极性能的影响作简要分析, 从而提高对重金属的识别能力。

基于流系玻璃膜的离子选择性电极。

基于硫系玻璃膜的离子选择性电极良好的红外线透过性是其他离子选择性电极无法相提并论的。许多发达国家都通过购买硫系玻璃膜的离子选择性电极来用于重金属检测工作。

2 光纤化学传感器技术。

对于光纤化学传感器技术的研究比离子选择性电极传感器技术的研究还要早, 光纤化学传感器技术的研究始于美国研究所, 从那以后, 许多国家都在实验室中对光纤化学传感器技术进行研究, 并应用到重金属检测中。陈雷等人对基于聚氯乙烯膜的光纤传感器进行研究并应用到铜离子的检测中, 取得了良好的效果[3]。李学强等人将注册分析法和激光激发荧光光谱技术应用到对金属离子传感器的研制中, 使我国饮用水中的重金属检测工作取得了很大的进展。

3 生物传感器技术。

第一个生物传感器始于Red String仪器公司。之后, 又在多个公司相继推出, 这些生物传感器主要是对人类血糖和尿糖中的重金属物质进行检测。重金属物质在人体中的留存和迁移会对人体的健康造成极大的威胁, 生物传感器可以与人体生物识别因素相互影响, 以达到对人体中的重金属含量进行检测, 从而预防重金属中毒的目的。通过研究发现, 生物传感器主要分为蛋白质为基础的'生物传感器以及整个细胞为基础的重金属传感器两种。

蛋白质为基础的生物传感器。

生物识别因素主要是促进消化的酶、防止病毒入侵的抗体、增强体质的金属键键合蛋白以及脱辅基酶蛋白质。以这几种生物识别因素为基础制作蛋白质为基础的生物传感器, 用来检测铜离子、锌离子、汞离子以及铅离子等金属离子。传统的生物传感器存在灵敏度低、选择性差等一系列缺点, 因此必须研制出选择性高的新型传感器来实现对重金属离子的检测, 这种新型传感器被称为蛋白质为基础的生物传感器。

整个细胞为基础的重金属传感器。

整个细胞为基础的重金属传感器可以实现对微型有机体生物标识的检测, 它具有所受干扰因素少、反应速度快等一系列优点, 可以实现对苔藓、海藻、酵母等海洋生物中的重金属的检测。随着生物医学和环境工程的蓬勃发展, 可以通过改进主传感器的途径来解决重金属检测过程中的干扰问题, 即在基因层次上设计细胞器。

4 结语。

综上所述, 本文通过对重金属检测传感器技术研究与应用进行分析, 主要从离子选择性电极传感器技术、光纤化学传感器技术、生物传感器技术以及微电极矩阵传感器技术这四个方面作简要分析, 为传感器检测技术在重金属中的研究与应用提供理论支持, 以减少重金属污染现象的发生。

参考文献

[1]张涛, 苏倡, 刘艳, 等.泥蚶 (Tegillarca granosa) 重组铁蛋白富集重金属离子的特性及化学传感器的研究[J].海洋与湖沼, 2017, 48 (4) :870-876.

[2]吕攀攀, 肖芳兰, 严锡娟, 等.构建一种基于双启动子模型的特异性检测镉离子的大肠杆菌传感器[J].生物工程学报, 2015, 31 (11) :1601-1611.

[3]贾朔.边超, 佟建华, 等.基于纳米金Core-satellites等离子体耦合增强效应的汞离子光纤传感器的研究[J].分析化学, 2017, 45 (6) :785-790.

氢气医学研究到现在已经有10多年历史，专家学者发现氢气对近200种疾病有治疗作用，发表科学研究报道1200多篇，申请国家自然基金70多项，人群研究报道50多篇，有六位院士专家参与氢医学研究并发表论文。据研究，氢气对疾病的治疗作用虽然被认识时间不长，但氢气的生物安全性是早就被广泛研究的内容，几十年前潜水医学研究就证明，连续多日呼吸高压氢气对潜水员不会造成任何毒性损伤。迄今为止，几乎所有氢氧潜水研究的课题均涉及氢气安全性这一问题。特别是瑞典、法国等成功进行的系列人体氢氧潜水实验，如1988-1989年间，法国进行人体氢氧潜水的时间就长达7200小时，进一步说明，人体呼吸氢和氢氧潜水是安全的。既然呼吸高压氢气是无毒，那么常压下的氢气摄入就更加安全。随着氢气生物学研究的不断增加，关于氢气的临床研究也逐渐增多，到目前为止，没有任何证据表明氢气对人体存在危害性。欧盟和美国政府出版的关于氢气生物安全性资料显示，常压下氢气对人体没有任何急性或慢性毒性。国家卫健委于2014年12月发布了氢气作为食品添加剂的国家标准，GB31633-2014《食品安全国家标准食品添加剂氢气》。

放心，氢气本身没有毒，但是很容易燃烧，所以玩的时候要注意不要接触到明火或其他高温物体，一旦碰到很可能发生爆炸的危险，是很容易爆炸，避开这些就不存在什么危险了。 氢气是一种无色、无嗅、无毒、易燃易爆的气体，和氟气、氯气、氧气、一氧化碳以及空气混合均有爆炸的危险，氢气虽无毒，在生理上对人体是惰性的，但若空气中氢气含量增高，将引起缺氧性窒息。与所有低温液体一样，直接接触液氢将引起冻伤。液氢外溢并突然大面积蒸发还会造成环境缺氧，并有可能和空气一起形成爆炸混合物，引发燃烧爆炸事故。与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热或明火即会发生爆炸。气体比空气轻，在室内使用和储存时，漏气上升滞留屋顶不易排出，遇火星会引起爆炸。氢气与氟、氯、溴等卤素会剧烈反应。因此，无论是在工业生产中还是在生活中，我们都需要对使用场所的氢气泄漏进行防范。 我们知道氢气广泛用于农业，化工、冶金、食品、电力、煤矿等多个行业，由于氢气气的大量使用，就会有氢气气泄漏的危险，员工的健康安全受到威胁，及公司财产安全也会受到威胁。为了保障员工能在一个安全放心的环境下工作，也为了减少因为氢气泄露给企业造成的损失，配备专业的氢气检测仪变得十分重要。

氢气有毒的。氢气，化学式为H2，分子量为，常温常压下，是一种极易燃烧。无色透明、无臭无味且难溶于水的气体。氢气是世界上已知的密度最小的气体，氢气的密度只有空气的1/14，即在1标准大气压和0℃，氢气的密度为。所以氢气可作为飞艇、氢气球的填充气体（由于氢气具有可燃性，安全性不高，飞艇现多用氦气填充）。氢气是相对分子质量最小的物质，还原性较强，常作为还原剂参与化学反应。氢气 （H2） 最早于16世纪初被人工制备，当时使用的方法是将金属置于强酸中。1766–1781年，亨利·卡文迪许发现氢元素，氢气燃烧生成水（2H2+O2点燃=2H2O），拉瓦锡根据这一性质将该元素命名为 “hydrogenium”（“生成水的物质”之意，“hydro”是“水”，“gen”是“生成”，”ium"是元素通用后缀）。19 世纪50 年代英国医生合信（）编写《博物新编》（1855 年）时，把“hydrogen”翻译为“轻气”，意为最轻气体。工业上一般从天然气或水煤气制氢气，而不采用高耗能的电解水的方法。制得的氢气大量用于石化行业的裂化反应和生产氨气。氢气分子可以进入许多金属的晶格中，造成“氢脆”现象，使得氢气的存储罐和管道需要使用特殊材料（如蒙耐尔合金），设计也更加复杂。

近期，苏州大学材料与化学化工学部的汪胜教授在国际重量级学术期刊Advanced Materials上发表了题为“Ultrastrong and Tough Graphene Aerogel Fibers with Hierarchical Architecture”的论文。该论文报道了一种新型石墨烯气凝胶纤维，该纤维具有超强和韧性的特点，并且具有分层结构。这种新型石墨烯气凝胶纤维的制备方法简单易行，所得纤维具有超高的拉伸强度和韧性，并且具有显著的储能能力和超高的导电性能，因此在柔性电子、高强度材料和先进能源储存等领域有着广泛的应用前景。这项研究成果的发表不仅提高了我国在新型高性能材料领域中的国际影响力，而且也为石墨烯气凝胶纤维的制备和应用提供了新的思路。

燃烧法：将氢气燃烧后，观察颜色为淡蓝色，并在上侧放置一个烧杯看是否有水珠生成，有则为氢气。还原法：在试管中加少许黑色CuO(氧化铜)，加热通入氢气，氧化铜会变为紫红色金属。燃烧后将气体通入无水硫酸铜，如果变蓝，可以判定为氢气。燃爆法：将氢气收集在试管中，用拇指堵住试管口。管口向下靠近酒精灯火焰，松开拇指，此时会听到爆鸣声。氢气纯净状态会听到轻微响声。

中华人民共和国国家标准 GB 7445-87本标准适用于氢气的检验，规定了氢气含量及氧、氮、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、水分等杂质含量的测定方法。1 氢含量的测定氢气的体积百分含量(c)用差减法计算求得，按式(1)计算：式中：c1--氧气的体积含量，ppm；c2--氮气的体积含量；ppm；c3--一氧化碳的体积含量，ppm；c4--二氧化碳的体积含量，ppm；c5--甲烷的体积含量，ppm。2 氧和氮含量的测定采用变温浓缩色谱技术，以热导检测器检测。首先使被测组分在液氮温度下的浓缩柱上定量吸附，然后升温定量脱附，再经色谱柱分离后检测。被测组分进入热导检测器引起桥路阻值的变化与氧、氮含量成比例，由此可定氧、氮含量。 气相色谱仪及配套的浓缩进样装置，其示意流程图如图所示。要求仪器对氧、氮的最低检测浓度分别不高于4ppm、8ppm。色谱仪的安装和调试及浓缩操作按规定要求进行。1、便携式氢气检测仪便携式氢气泄漏检测仪可连续检测作业环境中氢气浓度。氢气泄漏检测仪为自然扩散方式检测气体浓度，采用进口电化学传感器，具有极好的灵敏度和出色的重复性；氢气检测仪采用嵌入式微控制技术，菜单操作简单，功能齐全，可靠性高，整机性能居国内领先水平。检测仪外壳采用高强度工程材料、复合弹性橡胶材料精制而成，强度高、手感好。2、泵吸式氢气检测仪泵吸式氢气检测仪采用内置吸气泵，可快速检测工作环境中氢气浓度。泵吸式氢气检测仪采用进口电化学传感器，具有非常清晰的大液晶显示屏，声光报警提示，保证在非常不利的工作环境下也可以检测危险气体并及时提示操作人员预防。3、在线式氢气检测报警器在线式氢气检测报警器由气体检测报警控制器和固定式氢气检测器组成，气体检测报警控制器可放置于值班室内，对各监测点进行监测控制，氢气检测器安装于气体最易泄露的地点，其核心部件为气体传感器。氢气检测器将传感器检测到的氢气浓度转换成电信号，通过线缆传输到气体检测报警控制器，气体浓度越高，电信号越强，当气体浓度达到或超过报警控制器设置的报警点时，气体检测报警控制器发出报警信号，并可启动电磁阀、排气扇等外联设备，自动排除隐患。在线式氢气检测报警器广泛应用于石油、化工、冶金、电力、煤矿、水厂等环境，有效防止爆炸事故的发生。 a. 检测器：热导池；b. 桥路电流：150～200 mA;c. 载气纯度：不低于的高纯氢，应符合GB 7445-87《氢气》要求；d. 载气流速：40～60 ml/mine. 浓缩时样品流速：～ ml/min；f. 色谱柱：长2500px，内径3 mm，内装活化后的40～60目5分子筛，柱温为室温；g. 浓缩柱：长750px，内径4 mm，内装活化后的40～60目5分子筛，吸附温度为-196 ℃(液氮浴)，脱附温度为室温(水浴)。 1.色普仪启动按气相色谱仪使用说明书启动仪器。开启载气，充分置换色谱系统，纯化载气，调整流速至规定值，接通热导池电源，调整仪器各部位达测定条件，待仪器工作稳定。2.测定空白：关闭浓缩柱，套上液氮浴5min后，取下液氨浴，在室温下浴下令载气通过浓缩柱，以记录仪上无色谱峰出现为正常：再令载气通过浓缩，在小心严防空气倒吸的情况下，浓缩载气5min，测定色谱系统空白值符合条c项要求为正常。置换：将样品气钢瓶经采样阀及管道与仪器相连，然后3次升降压并用约20倍以上管道体积的样品气充分置换进入浓缩柱前的连接管和阀体，使所取样品具有代表性。浓缩：令样品气以～流速通过浓缩柱，置换2～3min后关闭浓缩柱出口，然后将浓缩柱缓慢套上液氮浴，待垫气结束后打开浓缩柱出口，样品气流经湿式流量计后放空。样品气的浓缩体积数积数由被测组分含量和仪器灵敏度决定。进样：浓缩完毕，关闭浓缩柱入口，取下液氨浴后在室温下浴下放掉解吸的氢，关闭浓缩柱出口，迅速转动六通阀。令载气通过浓缩柱将被测组分带入色谱柱，在湿式流量计上读到样品体积数。测量：记录各被测组分的色谱流出曲线，分别测量各组分峰面积A1。定标用指数稀释法配制的标准气定标。定标方法见GB4815-84《氦气检验方法》附录C。将标准气直接进样测定出标准气中氧和氮的色谱峰面积A2。标准气是以的氢为底气，用空气经稀释配制而成的，定标时各组分的已知浓度应与样品气浓缩后各相尖组分浓度相近。 纯氢中氮的测定，无需进行浓缩操作，其他步骤同上。采用1～5ml定体积量管接进样即可计算方法式(2)中的V1和V2分别代表样品气和标准气的进样体积，氧的测定按GB 6285-86《气体中微量氧的测定电化学法》进行。结果处理以两次平行测定的算术平均值为测定结果，平行测定的相对偏差：超纯氢、高纯氢、纯氢分别不大于50%、20%、10%。氢中被测组分的含量按式(2)计算：式中：C1--样品气中被测组分的含量，ppm；C2--标准气中被测组分的含量，ppm；A1--样品气中被测组分的峰面积，mm2；A2--标准气中被测组分的峰面积，mm2；V1--样品气浓缩体积，ml；V2--标准气进样体积，ml。