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談?wù)勲y聞液體檢查:主動(dòng)進(jìn)攻 認(rèn)清主導(dǎo)權(quán)——拜會(huì)山西工業(yè)生產(chǎn)所大學(xué)張思祥系主任

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放大字體  縮小字體    發(fā)布日期:2021-08-06  來(lái)源:儀器網(wǎng)  作者:Mr liao  瀏覽次數(shù):46
核心提示:說(shuō)起大氣監(jiān)測(cè),公眾首先想起的是PM2.5,環(huán)境監(jiān)測(cè)從業(yè)人員可能會(huì)想到二氧化硫、氮氧化物、臭氧、一氧化碳、揮發(fā)性有機(jī)物等等,但是關(guān)注惡臭監(jiān)測(cè)的人員還相對(duì)較少。而據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),在我國(guó)環(huán)境投訴中,惡臭投訴約占30%~40%,其數(shù)量?jī)H次于噪聲居

  說(shuō)起大氣監(jiān)測(cè),公眾首先想起的是PM2.5,環(huán)境監(jiān)測(cè)從業(yè)人員可能會(huì)想到二氧化硫、氮氧化物、臭氧、一氧化碳、揮發(fā)性有機(jī)物等等,但是關(guān)注惡臭監(jiān)測(cè)的人員還相對(duì)較少。而據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),在我國(guó)環(huán)境投訴中,惡臭投訴約占30%~40%,其數(shù)量?jī)H次于噪聲居第二位。

  在投訴率如此高的情況下,為什么惡臭監(jiān)測(cè)沒(méi)有得到大家的重視?我國(guó)的惡臭監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀如何?惡臭監(jiān)測(cè)的未來(lái)需求在哪?還有哪些工作需要開(kāi)展?近日,儀器信息網(wǎng)編輯專門采訪了河北工業(yè)大學(xué)張思祥教授,張教授是國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)“惡臭自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)預(yù)警儀器開(kāi)發(fā)及應(yīng)用示范”中儀器研發(fā)的主要負(fù)責(zé)人,主要開(kāi)發(fā)基于傳感器原理的在線惡臭監(jiān)測(cè)儀器。

河北工業(yè)大學(xué) 張思祥教授

  發(fā)現(xiàn)需求 專注于惡臭在線儀器開(kāi)發(fā)

  談到為什么選擇了做惡臭監(jiān)測(cè)儀器開(kāi)發(fā),張教授如是說(shuō):“求學(xué)期間,我學(xué)習(xí)的是光學(xué)儀器和分析儀器專業(yè)。1999年在河北工業(yè)大學(xué)參加工作,接到的第一個(gè)任務(wù)就是研發(fā)水質(zhì)COD分析儀,研發(fā)的儀器后來(lái)成功地實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。自此以后開(kāi)始關(guān)注環(huán)境監(jiān)測(cè)類儀器,我們與天津環(huán)科院國(guó)家環(huán)境保護(hù)惡臭污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室一直有合作,后來(lái)發(fā)現(xiàn)我國(guó)的惡臭氣體檢測(cè)還有很多薄弱環(huán)節(jié),因此開(kāi)始計(jì)劃對(duì)此領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)研究?!?p>  目前,我國(guó)的惡臭檢測(cè)主要依賴人工嗅辨,需要人員多、耗時(shí)長(zhǎng)、對(duì)測(cè)試環(huán)境條件要求高。而我國(guó)惡臭投訴在不斷增多,人工嗅辨技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。除人工嗅辨外,基于傳感器陣列的惡臭在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是國(guó)際上比較成熟的一種惡臭在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。但在我國(guó),這種技術(shù)的發(fā)展還不能滿足實(shí)際應(yīng)用。

  首先是傳感器的選擇。氣體傳感器主要有金屬氧化物傳感器、電化學(xué)傳感器和PID傳感器三種,單一傳感器只能檢測(cè)特定類的氣體且對(duì)氣體的選擇性都較差。而惡臭氣體含硫化氫、氨氣、揮發(fā)性有機(jī)物等4000多種成分,單一傳感器無(wú)法滿足檢測(cè)需求,故一般都采取傳感器陣列。

  傳感器陣列采取的是將不同傳感器集成到一個(gè)模塊上或者在一個(gè)芯片上沉積不同的傳感器材料,故基于傳感器陣列的惡臭在線監(jiān)測(cè)儀器開(kāi)發(fā)的首要任務(wù)就是開(kāi)發(fā)出合適我國(guó)的傳感器組合,滿足惡臭氣體種類和濃度的檢測(cè)需求。雖然氣體傳感器種類眾多,在食品、醫(yī)藥、安全等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,但惡臭氣體的一大特點(diǎn)是氣體組分未知,這就對(duì)傳感器的選擇和組合造成了很大困難。

  其次是惡臭氣體組分分析問(wèn)題。傳感器對(duì)氣體的選擇性較差,在混合氣檢測(cè)中,很難檢測(cè)出氣體組分。張教授就想到了色譜分離,將惡臭氣體先進(jìn)行分離再檢測(cè)。經(jīng)過(guò)慎重考慮,張教授最終選擇了微流控技術(shù),一是微流控技術(shù)可以做成固態(tài)元件,二是可以與熱導(dǎo)檢測(cè)器、PID檢測(cè)器或電化學(xué)傳感器等集成到一個(gè)芯片上,從而便于將來(lái)進(jìn)行在線和小型化設(shè)計(jì)。

  微流控芯片大部分是做液體分離,為了實(shí)現(xiàn)氣體分離,張教授團(tuán)隊(duì)主要進(jìn)行了兩種設(shè)計(jì)。一種是填充式,即在微流控芯片的溝道里填充吸附性物質(zhì),如經(jīng)過(guò)修飾處理的硅藻土,利用吸附脫附原理實(shí)現(xiàn)氣體分離。另外一種是表面涂覆,涂覆之后利用毛細(xì)原理對(duì)氣體進(jìn)行溶解和析出的分離。目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)100ppb范圍內(nèi)的氣體分離,基本達(dá)到當(dāng)初預(yù)期的指標(biāo)。

  不斷深入 建立惡臭在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

  雖然微流控芯片與傳感器陣列的組合可以實(shí)現(xiàn)惡臭氣體成分和濃度的檢測(cè),但是張教授認(rèn)為惡臭在線檢測(cè)系統(tǒng)要想滿足實(shí)際應(yīng)用需求,如與現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法相對(duì)應(yīng)、接到投訴后如何快速鎖定污染源等,還需要進(jìn)一步的研究。

  首先是低嗅閾值氣體傳感器的開(kāi)發(fā)。有些惡臭氣體的嗅閾值非常低,達(dá)到亞ppb級(jí)別,但目前氣相色譜上常用傳感器對(duì)此類的檢測(cè)還存在問(wèn)題。由于張教授所在單位河北工業(yè)大學(xué)在新材料方面有很多研究,故張教授想在此基礎(chǔ)上,對(duì)傳感器材質(zhì)進(jìn)行一些研究。如碳化硼材料對(duì)氣體的吸附、富集和析出性能良好,可以考慮其在惡臭氣體的吸附和富集方面的應(yīng)用;石墨烯也是一種新型材料,可以研究一下其在提高氣體傳感器的氣敏性和精度方面的作用。

  其次是氣體辨別模型的建立。雖然經(jīng)過(guò)了前端的分離,但是由于氣體組分過(guò)于復(fù)雜, 傳感器對(duì)特定惡臭氣體的檢測(cè),仍可能會(huì)受到其它氣體的干擾。此時(shí)就需要增加一種傳感器,通過(guò)信息融合和數(shù)據(jù)分析(如模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析等)來(lái)排除干擾,即通過(guò)建立模型來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體辨別。

  檢測(cè)結(jié)果與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)接也是一個(gè)值得研究的課題。按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),惡臭檢測(cè)的最終結(jié)果應(yīng)該為惡臭等級(jí),而此系統(tǒng)的分析結(jié)果為惡臭成分和濃度。因此需要建立一個(gè)惡臭成分濃度與惡臭等級(jí)對(duì)應(yīng)的模型,包括單一物質(zhì),物質(zhì)濃度與惡臭等級(jí)的關(guān)系;兩種或者多種物質(zhì)混合之后,物質(zhì)濃度和混合比例與惡臭等級(jí)的關(guān)系。最終的目標(biāo)是需要建立一個(gè)儀器檢測(cè)代替人工方法的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行惡臭評(píng)價(jià)。

  還有一個(gè)工作就是惡臭的溯源。一個(gè)是惡臭來(lái)源區(qū)域判斷,如果檢測(cè)到惡臭濃度超標(biāo),需要能根據(jù)風(fēng)力、風(fēng)向、大氣壓以及惡臭濃度的梯度變化等相關(guān)參數(shù),來(lái)推斷惡臭可能的排放來(lái)源。另一個(gè)就是建立惡臭氣體指紋,根據(jù)工廠的生產(chǎn)情況調(diào)查其惡臭氣體的基本組分,當(dāng)檢測(cè)到惡臭氣體時(shí),根據(jù)氣體成分可以快速初判出污染源。

  把握時(shí)機(jī) 促進(jìn)國(guó)產(chǎn)儀器發(fā)展

  儀器開(kāi)發(fā)的最終目的是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用,對(duì)于惡臭儀器的產(chǎn)業(yè)化和我國(guó)惡臭監(jiān)測(cè)市場(chǎng)發(fā)展,張教授也談了自己的看法。

  惡臭儀器產(chǎn)業(yè)化應(yīng)盡早。我國(guó)PM2.5監(jiān)測(cè)最初受到關(guān)注是某國(guó)公布了監(jiān)測(cè)結(jié)果,之后我國(guó)政府公布的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)受到很多的質(zhì)疑,這是因?yàn)橄热霝橹?。因此我?guó)應(yīng)該盡早發(fā)展自己的比較權(quán)威的儀器,并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)布,從而掌握主動(dòng)權(quán)。而且從儀器使用上來(lái)說(shuō),用戶習(xí)慣一種儀器之后,再接受新的儀器就需要一個(gè)過(guò)程,這也需要我國(guó)廠商應(yīng)盡早推出有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的儀器。

  從國(guó)產(chǎn)儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度來(lái)看,目前我國(guó)的惡臭監(jiān)測(cè)還不適宜大規(guī)模推廣。全球范圍內(nèi),法國(guó)和韓國(guó)的惡臭監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展較早,而我國(guó)的惡臭監(jiān)測(cè)儀器還不成熟。如果國(guó)家現(xiàn)在推廣惡臭監(jiān)測(cè)的話,那么市場(chǎng)上的儀器肯定是國(guó)外廠商為主,對(duì)國(guó)產(chǎn)儀器發(fā)展將是一個(gè)很大的打擊。

  從推廣形式來(lái)看,惡臭監(jiān)測(cè)可以考慮與揮發(fā)性有機(jī)物監(jiān)測(cè)結(jié)合來(lái)推廣。目前VOCs監(jiān)測(cè)已經(jīng)受到了國(guó)家的重視并開(kāi)始布局,而惡臭氣體包括氨氣、硫化氫和多種VOCs,因此可以在某些應(yīng)用上將惡臭監(jiān)測(cè)和VOCs監(jiān)測(cè)統(tǒng)籌考慮。而且可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合開(kāi)發(fā)特定的惡臭監(jiān)測(cè)儀器,如用于公共衛(wèi)生間的以硫化氫和氨氣檢測(cè)為主的惡臭監(jiān)測(cè)儀。

  在采訪最后,張教授表示,非常愿意與企業(yè)合作,實(shí)現(xiàn)惡臭在線監(jiān)測(cè)預(yù)警儀器的產(chǎn)業(yè)化,為我國(guó)的惡臭監(jiān)測(cè)盡一份力。

  后記:以前我國(guó)的環(huán)境治理以減少污染物的排放為約束性指標(biāo),而環(huán)?!笆濉币?guī)劃以改善環(huán)境質(zhì)量為核心,更加注重公眾認(rèn)同感,從霧霾、黑臭水體等詞語(yǔ)的頻繁出現(xiàn)即可略見(jiàn)一二。就譬如惡臭問(wèn)題是與公眾感受直接相關(guān)的環(huán)境問(wèn)題,可能因其局域性、瞬時(shí)性和陣發(fā)性而沒(méi)有受到廣泛關(guān)注,但是在特定區(qū)域已成為困擾居民的嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題。

  隨著環(huán)境治理的不斷深入,惡臭受到關(guān)注僅是一個(gè)早晚的問(wèn)題,而惡臭監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)可以為惡臭治理提供很好的監(jiān)管依據(jù)。故我國(guó)惡臭監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要更多像張思祥教授這樣的專家以及儀器廠商的努力,加強(qiáng)技術(shù)儲(chǔ)備,從而在未來(lái)的惡臭問(wèn)題中把握先機(jī),掌握主動(dòng)權(quán)。

  采訪編輯:李學(xué)雷

  附錄:張思祥教授個(gè)人簡(jiǎn)介

  河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授,機(jī)械工程學(xué)科博士生導(dǎo)師,河北工業(yè)大學(xué)國(guó)家大學(xué)科技園管理中心主任,全國(guó)高?;Q性委員會(huì)常務(wù)理事, 中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)分析儀器學(xué)會(huì)常務(wù)理事。主要教育經(jīng)歷:1993/09-1996/06,天津大學(xué),精密儀器與光電子工程學(xué)院,獲得博士學(xué)位;2010/10—2011/05,美國(guó)克萊姆森大學(xué) 訪問(wèn)學(xué)者;1990/09-1993/06,浙江大學(xué),光學(xué)與電子科學(xué)儀器系,獲得碩士學(xué)位;1978/09-1982/06,天津大學(xué),精密儀器系,獲得學(xué)士學(xué)位

  主要從事機(jī)械幾何量測(cè)量理論與技術(shù)、光電檢測(cè)方法、計(jì)算機(jī)圖象處理技術(shù)研究。主持和完成國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、河北省自然科學(xué)基金、天津市自然科學(xué)基金、河北省高教委博士科研資助基金、國(guó)家“十五”科技攻關(guān)重大項(xiàng)目子項(xiàng)、總裝備部預(yù)研項(xiàng)目等國(guó)家、省部級(jí)縱向課題。完成“污水COD在線檢測(cè)設(shè)備開(kāi)發(fā)研制”等十余項(xiàng)企事業(yè)委托的橫向課題。在國(guó)際、國(guó)內(nèi)重要學(xué)術(shù)會(huì)議和學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文100多篇。獲得河北省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、天津市科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)各一項(xiàng),各項(xiàng)專利30余項(xiàng)。目前有國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)、總裝備部預(yù)研項(xiàng)目、企業(yè)委托項(xiàng)目在研。

 
 
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