Zastosowanie półprzewodnikowych czujników chemicznych do kontroli stężenia benzenu w powietrzu

• Autorzy: Pyta H. , Pawłowski M.

Warianty tytułu

EN

Application of semiconductive chemical sensors to control the concentration of benzene in the air

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przedstawiono wyniki eksperymentu polowego z użyciem aparatu ETL2000 (wielokomponentowy monitor powietrza; TJniTec - Ferrara, Italy) do monitoringu benzenu. ETL2000 jest układem opartym na nowej technologii stałych czujników grubowarstwowych, która zapewnia odpowiednią selektywność i dokładność w pomiarach zanieczyszczeń powietrza, występujących w stężeniach rzędu ppb. Technologia czujników grubowarstwowych wykorzystuje zjawiska przewodnictwa elektrycznego, zachodzące w określonej temperaturze (200+400°C) ponad warstwą nanostrukturalnych półprzewodników w postaci tlenków metali. Elektryczna odpowiedź półprzewodnika jest proporcjonalna do stężenia określonego gazu. Do przetworzenia sygnału w stężenie danego gazu służy odpowiednio dopasowana krzywa kalibracji. Czujnik benzenowy jest najnowszym sensorem w układzie ETL, dla którego brak dostatecznej ilości danych operacyjnych. Stężenia benzenu, jako średnie 15-min., były rejestrowane w sposób ciągły od S kwietnia do 25 maja 2006 r. w Zabrzu, w stacji monitoringu powietrza ŚWIOŚ. W tym samym czasie prowadzono pomiary 15-min. stężenia benzenu z użyciem referencyjnego analizatora AirmoBTX1000 (chromatograf gazowy z detektorem płomieniowo-jonizacyjnym). Dla oceny zakresu stosowalności ETL2000 z czujnikiem benzenu w warunkach miejskich przeprowadzono analizę porównawczą otrzymanych wyników z użyciem technik regresji nieliniowej. Stwierdzono, że zastosowanie układu ETL2000 z czujnikiem benzenu w warunkach miejskich jest ograniczone do miejsc bezpośrednio narażonych na emisję tego zanieczyszczenia - sąsiedztwo ruchliwych ciągów komunikacyjnych lub instalacji przemysłowych. Czujnik dobrze odwzorowuje zmiany wyższych stężeń, w tym epizody bardzo wysokich stężeń. W zakresie stężeń do ok. 3 qg/m3 odnotowano spadek czułości i selektywności, co objawia się zawyżonym udziałem bardzo niskich stężeń. Niedoszacowanie stężenia średniorocznego ogranicza przydatność czujnika do monitoringu benzenu w miejskich i podmiejskich stacjach tła.

EN

Benzene is an air pollutant especially harmful for human health, because of its carcinogenic and mutagenic properties. Although it has low acute toxicity the repeated exposure to high concentrations can cause the effects on the blood and blood forming organs. The most convincing evidences are found for the development of leukemia as a result of benzene exposure. This compound commonly occurs in the air of urban areas and comes mainly from combustion of liquid fuels in car engines and (in Poland) hard coal in domestic furnaces. There are also industrial sources of benzene emission, such as refineries, cookeries and power plants. Monitoring of benzene and its alkyl derivatives (BTX) is obligatory in urban areas, according to the Directive 2000/69/EC. The paper presents results of the field experiment with the use of ETL2000 (multi-component air quality monitor; UniTec - Ferrara, Italy) for benzene monitoring. The ETL2000 is the system based on a new solid-state thick-film sensor technology, which provides appropriate selectivity and accuracy for measuring airborne pollutants, occurring in ppb concentrations. Thick-film sensors technology exploits electric conduction phenomena that happen above the layer of nanostructured semiconducting metal oxides at the fixed temperature (200+400°C). An electrical response from semiconductor is proportional to particular gas concentration. The signal is turned into given gas concentration using a suitable fitting calibration curve. Benzene sensor is the newest device in the ETL system and there aren't enough operating data. Benzene concentrations were recorded continuously as 15-min averages from 5th April to 25th May 2006 in Zabrze, at the air monitoring station of the Silesian Regional Inspectorate of Environmental Protection (SRIEP). At the same time the measurements of 15-min benzene concentrations were performed using the reference analyzer AirmoBTX1000 (gas chromatograph with the flame ionization detector). The comparative analysis of obtained results was performed, with the use of nonlinear regression techniques, to determine the range of application of ETL2000 with benzene sensor in the urban conditions. It was stated that the application of the ETL2000 with benzene sensor in urban conditions is limited to the places directly vulnerable to the emission of this pollutant - in the neighborhood of the busy traffic routes or industrial installations. The sensor is presenting properly the changes of higher concentrations, including the peaks of concentrations. The decrease of sensitivity and selectivity of the concentrations up to 3 ug/m3 was observed, which is manifested with the overstated participation of very low concentrations. The underestimated aver-age annual concentration reduced the sensor usability to monitor benzene in urban and sub-urban background stations.

Słowa kluczowe

PL

monitoring powietrza; benzen; czujniki gazowe; nanotechnologia; grube warstwy półprzewodnikowe

EN

air monitoring; benzene; gas sensor; nanotechnology; thick semiconducting layers

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2007
• Tom: T. 10, nr 2
• Strony: 105--116
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz.

Twórcy

autor

Pyta H.

autor

Pawłowski M.

• Polska Akademia Nauk, Instytut Podstaw Inżynierii Środowiska, ul. M. Skłodowskiej-Curie 34, 41-819 Zabrze

Bibliografia

• [1] Siemiński M., Środowiskowe zagrożenie zdrowia, WN PWN, Warszawa 2001.
• [2] Snyder R., Witz G., Goldstein B.D., The toxicology of benzene, Environ. Health Perspec. 1993, 100, 2, 293-306.
• [3] Snyder R., Hedli CC, An overview of benzene metabolism, Environ. Health Perspec. 1996, 104,6, 1165-1171.
• [4] Council Directive on Ambient Air Quality Assessment and Management Working Group on Benzene: Position Paper on Benzene, Commission of European Communities, Instituto sull' Inquinamento Atmosferico del C.N.R., Monterotondo Scalo, Italy 1998.
• [5] Bono R., Bugliosi E.H., Schiliro T., Gilli G., The Lagrange Street story: the prevention of aromatics air pollution during the last nine years in a European city, Atm. Environ. 2001, 35 Supplement No. 1, S107-S113.
• [6] Pilidis G. et al., BTX measurements in a medium-sized European city, Atm. Environ. 2005, 39, 6051-6065.
• [7] Pyta H. et al., Określenie metodyki badań porównawczych pomiarów stężenia benzenu w powietrzu atmosferycznym. Report for GIOŚ Warszawa No C2-243/2003/NP-I (niepub.), IPIŚ PAN, Zabrze 2003.
• [8] EN 14662-3:2005, Ambient Air Quality - Standard method for the measurement of benzene concentrations - Part 3: Automated pumped sampling with in situ gas chromatography, European Committee for Standardization, 2005-05-18.
• [9J Teterycz H., Grubowarstwowe chemiczne czujniki gazów na bazie dwutlenku cyny, Oficyna Wyd. Polit. Wroc, Wrocław 2005.
• [10] Pummakarnchana O., Tripathi N., Dutta J., Air pollution monitoring and GIS modeling: a new use of nanotechnology based solid state gas sensors, Science and Technology of Advanced Materials 2005, 6, 251-255.
• [11] Capone S. et al., Solid state gas sensors: state of the art and future activities, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials 2005, 5, 1335-1348.
• [12] ETL2000 Multicomponent Air Quality Monitor, Operation and Sendce Manual, UniTec Srl, Ferrara 2002.
• [13] Norusis M.J., SPSS Professional Statistics. SPSS Inc., Chicago 1997.
• [14] SPSS Base 8.0 Applications Guide. SPSS Inc., Chicago 1998.