CN101551351B - 基于光催化技术的VOCs检测系统和检测方法及自洁净方法 - Google Patents

Abstract

基于光催化技术的VOCs检测系统和检测方法及自洁净方法，属于VOCs检测方法和装置技术领域。由光源、气敏传感器、测控系统板配合构成基于光催化技术的VOCs检测系统，光源、气敏传感器分别与测控系统板控制连接，相对于光源1的照射位置配合设置气敏传感器3。由光源对气敏传感器进行有序的照射，测控系统板接收并处理气敏传感器频率响应信号，转化为对应气体的浓度信号输出即可实现VOCs检测，具有检测灵敏度高、结构简单、成本低、适用范围广、可实时在线检测等优点。将系统置于洁净环境中，光源以一定的光照强度对气敏传感器进行连续照射，即可便捷、安全地实施自洁净，且脱附干净、彻底，有效提高气敏传感器的使用效果和寿命。

Description

基于光催化技术的VOCs检测系统和检测方法及自洁净方法

技术领域

本发明属于VOCs检测方法和装置技术领域，具体涉及一种基于光催化技术的VOCs检测系统、应用该系统的VOCs检测方法、以及该VOCs检测系统的自洁净方法。

背景技术

随着工业的迅速发展，建筑物结构发生了较大变化，使得新型建材、保温材料及室内装演材料被广泛使用；同时各种化妆品、除臭剂、杀虫剂和品种繁多的洗涤剂也开始大量应用于家庭，它们大都可直接挥发出各种有机化合物(VOCs)。空气中VOCs浓度虽低，但大多数有毒性和致癌作用，对人体造成潜在威胁。所以，研究VOCs气体污染监测和控制方法是十分迫切的。

许多分析技术，如GC，GC-MS，HPLC，FTIR，荧光光谱法、离子色谱法、光声光谱法等等，都可以用来检测VOCs。但这些检测方法基本需经历采样、样品预处理和检测等过程，程序复杂、耗时且检测设备价格昂贵。因此，研究实用的VOCs检测技术不仅是必要的而且是迫切的，金属氧化物气敏传感器作为低成本、便携式的检测手段具有良好的发展前景。

现有的金属氧化物气敏传感器主要是利用了金属氧化物在一定温度条件下跟所接触的气体相互作用而导致电导率发生变化这一性质。金属氧化物气敏材料表面吸附的氧一般具有O₂ ^-，O^-，O^2-三种带负电荷的形式存在，具体为哪种形式是由环境温度决定的。实验研究表明：在低温下，氧化物表面吸附的氧是以“分子离子”O₂ ^-形式存在的，随着温度的升高就转变为“原子离子”O^-和O^2-，吸附氧在金属氧化物表面俘获大量电子，致使材料电导减小；接触周围环境中的还原性气体时，还原性气体即被O^-氧化并释放自由电子，金属氧化物的电导率也因此而增加，起到传感的作用。但该方法由于工作温度高，不仅功耗大，而且在浓度较大的场合，容易引发火灾及爆炸等危险。

此外，气敏传感器长期工作在过高浓度VOCs环境中，很容易使传感器灵敏度下降，传统金属半导体氧化物气敏传感器使用时，有时采用加热脱附的方法来去除这些过量吸附的气体，但从现有使用情况看，加热脱附一方面无法完全脱附，另外加热容易引发火灾甚至爆炸。

发明内容

本发明旨在利用石英晶体微天平原理提供一种基于光催化技术的VOCs检测系统、应用该系统的VOCs检测方法、以及该VOCs检测系统的自洁净方法，以克服现有技术中存在的问题。

所述的基于光催化技术的VOCs检测系统，其特征在于由光源、气敏传感器、测控系统板配合构成，光源、气敏传感器分别与测控系统板控制连接，相对于光源的照射位置配合设置气敏传感器。

所述的基于光催化技术的VOCs检测系统，其特征在于所述的测控系统板包括CPU处理模块及与其控制连接的光源控制模块、传感器驱动模块、传感器信号检测模块和通讯模块，光源控制模块与光源控制连接，传感器驱动模块、传感器信号检测模块分别与气敏传感器控制连接，通讯模块用于与外部设备建立通讯连接。

所述的基于光催化技术的VOCs检测系统，其特征在于所述的气敏传感器包括支架，支架上部设置晶体，晶体前后两端面上连接设置电极，电极通过引脚与测控系统板连接，前一端面的电极上复合设置敏感膜。

所述的基于光催化技术的VOCs检测系统，其特征在于光源、气敏传感器之间配合设置会聚镜。

所述的基于光催化技术的VOCs检测系统，其特征在于所述的光源采用紫外光、可见光、或红外光。

所述的基于光催化技术的VOCs检测系统，其特征在于所述的敏感膜采用半导体氧化物制作成型，所述的半导体氧化物为TiO₂或ZnO；所述的晶体为石英晶体。

所述的基于光催化技术的VOCs检测方法，其特征在于先由测控系统板控制光源对气敏传感器进行有序的照射；气敏传感器根据光照条件吸附和光催化降解有机物气体使平衡状态不断发生变化从而影响石英晶体微天平的频率；测控系统板接收并处理气敏传感器频率响应信号，转化为对应气体的浓度信号输出。

所述的基于光催化技术的VOCs检测方法，其特征在于测控系统板包括CPU处理模块及与其控制连接的光源控制模块、传感器驱动模块、传感器信号检测模块和通讯模块，测控系统板通过光源控制模块控制光源对气敏传感器进行有序的照射，传感器驱动模块驱动气敏传感器，气敏传感器根据光照条件吸附和光催化降解有机物气体使平衡状态不断发生变化从而影响石英晶体微天平的频率；传感器信号检测模块接收气敏传感器频率响应信号，由CPU处理模块处理所接收的频率响应信号并转化为对应气体的浓度信号通过输出通讯模块输出。

所述的基于光催化技术的VOCs检测方法，其特征在于所述的测控系统板对光源的控制包括调制波形、频率、和/或照射强度，使光源受测控系统板控制按预先设定的调制波形、频率、照射强度对气敏传感器进行有序的照射。

所述的基于光催化技术的VOCs检测系统的系统自洁净方法，其特征在于将该系统置于洁净环境中，由测控系统板控制光源以紫外光、可见光、或红外光，以不小于1mW/cm²的光照强度对气敏传感器进行连续照射直到气敏传感器输出频率稳定为止。

上述的基于光催化技术的VOCs检测系统构思新颖、应用灵活方便，在实施VOCs检测时不需要其他化学助剂；同时具有检测灵敏度高、结构简单、成本低、适用范围广，可实时在线检测等优点。另外该VOCs检测系统可便捷、安全地实施自洁净，且脱附干净、彻底，可有效提高气敏传感器的使用效果和寿命。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明电路方框图；

图3为本发明所述气敏传感器结构示意图。

图中：1-光源、2-会聚镜、3-气敏传感器、31-晶体、32-敏感膜、33-电极、34-支架、35-引脚、4-测控系统板、41-电源模块、42-通讯模块、43-CPU处理模块、44-光源控制模块、45-传感器驱动模块、46-传感器信号检测模块。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明进一步说明：

图1、图2所示为基于光催化技术的VOCs检测系统，由光源1、气敏传感器3、测控系统板4配合构成，光源1、气敏传感器3分别与测控系统板4控制连接，相对于光源1的照射位置配合设置气敏传感器3，为增加照射效果，光源1、气敏传感器3之间配合设置会聚镜2。测控系统板4由电源模块41供电，CPU处理模块43分别与光源控制模块44、传感器驱动模块45、传感器信号检测模块46和通讯模块42控制连接；光源控制模块44与光源1控制连接，可控制光源1的频率、照射强度、和/或脉冲宽度；传感器驱动模块45、传感器信号检测模块46分别与气敏传感器3控制连接，传感器驱动模块45控制气敏传感器3的驱动，传感器信号检测模块46用于对气敏传感器3进行检测，接收气敏传感器3的频率响应信号；CPU处理模块43同时处理所接收的频率响应信号并转化为对应气体的浓度信号，通过输出通讯模块42输出，通讯模块42用于与外部设备建立通讯连接。光源1采用采用紫外光、可见光、或红外光。气敏传感器3包括支架34，支架34上部设置晶体31，晶体31前后两端面上连接设置电极33，电极33通过引脚35与测控系统板4连接，前一端面的电极33上复合设置敏感膜32。晶体31采用采用石英晶体，敏感膜32采用TiO₂或ZnO或其它半导体氧化物制作成型。气敏传感器3在光源1有序的照射下，敏感膜32吸附和光催化降解有机物气体的平衡状态不断发生变化，影响晶体31微天平的频率通过检测此频率变化可测定有机物气体浓度，同时通过改变平衡条件可达到传感器自洁净，该检测系统具有便携、稳定、安全的特点。

气敏传感器3的敏感膜32的光催化基本原理，以敏感膜32采用TiO₂制作为例进行说明：TiO₂在一定波长的光激发后，导带上的电子受到激发而跃迁产生激发电子，同时在价带上就产生空穴。这些电子和空穴带有一定的能量，而且可以自由迁移，当它们迁移到催化剂表面时则可与被吸附在催化剂表面的化学物质发生化学反应，并产生大量的具有高活性的自由基。在半导体TiO₂中，这些光生电子和空穴具有较长的寿命(大约为250ns)，有足够的时间让电子和空穴转移到晶体的表面。没有被复合的光生空穴迁移到颗粒表面后，被表面吸附的水或羟基(D)所俘获，使它们给出电子形成强氧化性自由基-OH(D+)，而催化剂表面的吸附氧(A)得到迁移到表面的光生电子形成O₂ ^-阴离子自由基(A)。-OH有很高的反应活性，几乎无选择地将吸附在催化剂表面的有机物氧化，并最终降解为H₂O和CO₂。TiO₂本身既是VOCs气敏材料，能吸附VOCs，又是很好的光催化剂，对VOCs进行降解，因此在光照射条件下，该敏感层中既存在VOCs又存在光催化降解VOCs的过程，该动态平衡能反应VOCs的浓度。

应用上述的基于光催化技术的VOCs检测方法，先由测控系统板4控制光源1对气敏传感器3进行有序的照射；气敏传感器3根据光照条件吸附和光催化降解有机物气体使平衡状态不断发生变化从而影响石英晶体微天平的频率；测控系统板4接收并处理气敏传感器3频率响应信号，转化为对应气体的浓度信号输出。测控系统板4包括CPU处理模块43及与其控制连接的光源控制模块44、传感器驱动模块45、传感器信号检测模块46和通讯模块42，测控系统板4通过光源控制模块44控制光源1对气敏传感器3进行有序的照射，对光源1的控制包括调制波形、频率、和/或照射强度，使光源1受测控系统板4控制按预先设定的调制波形、频率、照射强度对气敏传感器3进行有序的照射。传感器驱动模块45驱动气敏传感器3，气敏传感器3根据光照条件吸附和光催化降解有机物气体使平衡状态不断发生变化从而影响石英晶体微天平的频率；传感器信号检测模块46接收气敏传感器3频率响应信号，由CPU处理模块43处理所接收的频率响应信号并转化为对应气体的浓度信号通过输出通讯模块42输出。

基于光催化技术的VOCs检测系统的系统自洁净方法，将该系统置于洁净环境中，光源1可采用紫外光、可见光、或红外光，由测控系统板4控制光源1以不小于1mW/cm²的光照强度对气敏传感器3进行连续照射直到气敏传感器3输出频率稳定为止，使气敏传感器3表面的吸附和降解达到新的平衡，恢复气敏传感器3对一定浓度VOCs最初的敏感性，达到自身完成传感器的洁净工作。

Claims (10)

1.基于光催化技术的VOCs检测系统，其特征在于由光源(1)、气敏传感器(3)、测控系统板(4)配合构成，光源(1)、气敏传感器(3)分别与测控系统板(4)控制连接，相对于光源(1)的照射位置配合设置气敏传感器(3)。

2.如权利要求1所述的基于光催化技术的VOCs检测系统，其特征在于所述的测控系统板(4)包括CPU处理模块(43)及与其控制连接的光源控制模块(44)、传感器驱动模块(45)、传感器信号检测模块(46)和通讯模块(42)，光源控制模块(44)与光源(1)控制连接，传感器驱动模块(45)、传感器信号检测模块(46)分别与气敏传感器(3)控制连接，通讯模块(42)用于与外部设备建立通讯连接。

3.如权利要求1所述的基于光催化技术的VOCs检测系统，其特征在于所述的气敏传感器(3)包括支架(34)，支架(34)上部设置晶体(31)，晶体(31)前后两端面上连接设置电极(33)，电极(33)通过引脚(35)与测控系统板(4)连接，前一端面的电极(33)上复合设置敏感膜(32)。

4.如权利要求1所述的基于光催化技术的VOCs检测系统，其特征在于光源(1)、气敏传感器(3)之间配合设置会聚镜(2)。

5.如权利要求1所述的基于光催化技术的VOCs检测系统，其特征在于所述的光源(1)采用紫外光、可见光、或红外光。

6.如权利要求3所述的基于光催化技术的VOCs检测系统，其特征在于所述的敏感膜(32)采用半导体氧化物制作成型，所述的半导体氧化物为TiO₂或ZnO；所述的晶体(31)为石英晶体。

7.应用权利要求1所述的基于光催化技术的VOCs检测方法，其特征在于先由测控系统板(4)控制光源(1)对气敏传感器(3)进行有序的照射；气敏传感器 (3)根据光照条件吸附和光催化降解有机物气体使平衡状态不断发生变化从而影响石英晶体微天平的频率；测控系统板(4)接收并处理气敏传感器(3)频率响应信号，转化为对应气体的浓度信号输出。

8.如权利要求7所述的基于光催化技术的VOCs检测方法，其特征在于测控系统板(4)包括CPU处理模块(43)及与其控制连接的光源控制模块(44)、传感器驱动模块(45)、传感器信号检测模块(46)和通讯模块(42)，测控系统板(4)通过光源控制模块(44)控制光源(1)对气敏传感器(3)进行有序的照射，传感器驱动模块(45)驱动气敏传感器(3)，气敏传感器(3)根据光照条件吸附和光催化降解有机物气体使平衡状态不断发生变化从而影响石英晶体微天平的频率；传感器信号检测模块(46)接收气敏传感器(3)频率响应信号，由CPU处理模块(43)处理所接收的频率响应信号并转化为对应气体的浓度信号通过输出通讯模块(42)输出。

9.如权利要求7所述的基于光催化技术的VOCs检测方法，其特征在于所述的测控系统板(4)对光源(1)的控制包括调制波形、频率、和/或照射强度，使光源(1)受测控系统板(4)控制按预先设定的调制波形、频率、照射强度对气敏传感器(3)进行有序的照射。

10.权利要求1所述的基于光催化技术的VOCs检测系统的系统自洁净方法，其特征在于将该系统置于洁净环境中，由测控系统板(4)控制光源(1)以紫外光、可见光、或红外光，以不小于1mW/cm²的光照强度对气敏传感器(3)进行连续照射直到气敏传感器(3)输出频率稳定为止。 

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