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红外线CO2分析仪在室内空气污染治理中的应用

骆培成¹  唐青云²  焦  真¹  张志炳¹

（1. 南京大学化工系，南京，210093； 2. 北京市华云分析仪器研究所，北京，100091）

摘  要： 介绍了红外线CO₂分析仪在室内空气污染治理以及室内空气质量评价中的重要应用。

关键词： 室内空气污染，二氧化碳，红外线CO₂分析仪

1 前    言

工业化大发展带来了空气污染的加剧，严重威胁着人类的生存环境。在漫天肆虐的沙尘暴中，在满室的烟雾缭绕中，甚至在富丽堂皇、装修一新的居室中，空气中的污染物无处不在。世界银行已将空气污染列为四大环境问题之一。

科学研究表明，大部分人80%的时间是在室内度过的，而室内空气污染的程度要比室外大5~10倍，这主要是因为现代的建筑大都为封闭式的，空调的普及使得室内通风条件差，加上现代居室的豪华装修，家庭大量使用电器、家具等，加剧了室内环境的污染^[1]。室内空气中存在着各种各样的病毒、细菌、固体尘埃、有毒有害气体等。研究发现，68％的人体疾病与室内空气污染有关，而全球每年死于室内环境污染的人数多达280万。空气污染对体弱年幼的儿童危害尤其严重。北京的一项调查表明，某医院就诊的白血病患儿中，90％的患儿家庭半年之内曾进行过房屋装修^[2-3]。

凡此种种，无不令人忧心忡忡。净化空气，创造一个健康、洁净的生存空间已成为人们在社会经济发展的前提下，环保意识加强，对生活质量的要求提升的必然结果。因此，开发室内空气净化产品，对空气中的各种污染物进行及时、有效的清除，已经成为目前乃至以后人们研究的一个重要课题^[4-6]。

2 红外线CO₂分析仪在室内空气污染治理中的应用

    南京大学分离工程研究中心采用北京市华云分析仪器研究所生产的GXH-3010E型便携式红外线CO₂分析仪，对空气中各种污染物进行治理以及开发新型空气净化设备这一课题进行了研究。该课题的目的是开发一种新型、高效的空气净化设备，对室内空气中的各种污染物进行净化。

    GXH-3010E型便携式红外线CO₂分析仪是根据比尔定律和气体对红外线的选择性吸收原理设计而成的^[7]。采用时间双光束系统，气体滤波及半导体检测器。红外光源发出的红外线能量为I₀，它通过一个长度为L的气室之后，能量变为I₁，当气室中有CO₂存在时，CO₂能够吸收红外线能量，能量I₁满足下式：

    I₁＝I₀e^－KCL

式中，K是气体的红外线吸收系数，C是被测气体的浓度，L是气室的长度。

    K表示的是气体吸收特征的一个系数，当气体的种类一定时，K就确定。CO₂的特征吸收波长是4.26 微米，也就是说CO₂对4.26微米的红外线能量有强烈的吸收，选定3.9微米波长为参比波长，因为CO₂气体在这一区域不吸收红外线能量。当气室长度L一定时，从上式可以看出，I₁的大小仅与气体浓度有关，测量出I₁的大小就等于测量出气体浓度的变化。

    本仪器的测量范围为0～10000 PPM CO₂，线性度≤±2％ F.S，能够满足测量室内空气中CO₂的需要。

2.1 在CO₂污染物治理中的应用

CO₂是空气中的主要污染物之一，是导致“温室效应”的主要气体，它主要来源于煤、石油、天然气等燃料的燃烧以及工业废气的排放。空气中CO₂的本底浓度为400ppm左右，但近年来，空气中的CO₂含量有逐渐升高的趋势。据统计，从产业革命初期到20世纪90年代，空气中的CO₂含量增加了25%。空气中CO₂含量的增加对气候的影响主要是导致全球气候变暖。因此，对空气中的CO₂进行治理具有全球战略意义。

CO₂也是室内空气中的主要污染物之一，是室内和公共场所重要的检测指标之一。国家标准^[8]规定了室内空气中CO₂的浓度限值为0.10%（小时平均值）。清洁空气中一般含二氧化碳0.03% ~ 0.04% 。大城市空气中的二氧化碳可达0.04% ~ 0.05% 。

在人群密集的公共场所，以及相对封闭的居家环境中，CO₂浓度往往较高。室内空气中的CO₂主要来源于人体的呼吸、燃料燃烧和生物发酵。室内CO₂的浓度水平受人均占有面积、吸烟和燃料燃烧等因素影响。正常情况下，室内CO₂的浓度较低（<0.07%），但是由于人群聚集、燃料燃烧等因素，可使室内CO₂的浓度增高。在我国北方，由于冬季燃煤、烹饪及分散式取暖，加上通风不良，室内二氧化碳浓度可达2.0%以上^[2]。二氧化碳属于呼吸中枢兴奋剂，为生理需要，但二氧化碳浓度超过一定范围时，可对人体产生危害，二氧化碳对人体的主要危害见表1^[3]。

表1 二氧化碳卫生学意义

CO2浓度，%	人体症状
0.07	人体感觉良好
0.10	个别敏感者有不舒适感
0.15	不舒适感明显
0.20	室内卫生状况明显恶化
0.30	人们出现明显头痛
4	出现头痛等神经症状
> 8	可引起死亡

如果人长期在高浓度的CO₂环境下工作、生活会使人精神不振，工作效率低下。因此，对室内环境中的CO₂治理显得十分重要。目前市场上出现了部分空气净化器产品，但是大部分采用过滤—吸附原理净化空气中的污染物，因而对空气中的CO₂基本上没有净化功能。

南京大学分离工程研究中心采用新型空气净化技术，能高效净化空气中的CO₂、SO₂、NO₂、H₂S等酸性气体污染物，净化流程图如图1所示^[9-10]。

图1  空气净化设备净化室内空气中CO₂流程图

1—CO₂ 气体钢瓶; 2—空气压缩机; 3—阀;

4—流量计; 5—混合器; 6—红外线CO₂分析仪;

7—净化单元主体; 8—贮槽; 9—泵

分别在空气净化设备的进风口、出风口用便携式红外线CO₂分析仪测量空气中CO₂的含量，分别为C_in和C_out，则空气净化设备对空气中微量CO₂污染物的一次性净化效率η为

η＝ （C_in－C_out）/ C_in

分别改变空气净化设备的结构参数和操作参数，用红外线CO₂分析仪测量各种情况下空气净化设备对CO₂污染物的一次性净化效率η，为合理设计空气净化设备、优化空气净化设备的操作参数提供理论依据。

2.2在室内空气质量评价体系中的应用

早在19世纪初，美国的Max von Pettenkofer教授就提出了用空气中CO₂的含量来衡量室内空气质量的好坏^[11]。Pettenkofer教授认为，空气中CO₂的浓度限值应保持在1000ppm以下，只有这样，才能保证人们摄入足够的新鲜空气，即每人25 m³/h。这一观点被广泛接受并普遍应用于影剧院、报告厅、礼堂、会议室、候车厅等公共场所的室内空气质量监测。一直到现在，CO₂仍被作为评价室内空气是否清洁的重要判据之一。许多国家也制定了室内空气中CO₂的卫生标准，并以次来判断室内空气质量的好坏。

我国的国家标准GB/T 17094－1997规定了室内空气中CO₂的浓度限值为0.10%（小时平均值）^[8]。日本制定了详细的CO₂卫生标准，用于评价室内空气的清洁程度。日本室内环境空气中CO₂的基准见表2 ^[12]。

    表2  日本室内环境CO₂浓度的基准

CO2浓度，%	室内空气清洁程度
0.07	良
0.07~0.10	可
0.10~0.20	尚可
0.20~0.50	不良
0.50以上	最不良
1.00以上	危险

美国加热、制冷及空调工程师协会(ASHRAE)标准62—1989的推荐值为：室内空气中CO₂的浓度等于1571.4 mg/m³ (800ppm)，这一标准在美国被普遍采用^[13-14]。澳大利亚国际健康建筑有限公司（HBI）经验认为：当室内CO₂浓度在785.7—1375 mg/m³ (400—700ppm) 时，空气质量为“好”；当CO₂浓度在1571.4—4910.7 mg/m³ (800—2500ppm) 时，空气质量为“差”^[15]。韩国卫生部实施的公共卫生法标准中规定CO₂浓度为1964.3 mg/m³ (1000ppm／8h)^[16]。

3 结    论

近年来，随着物质生活水平的不断提高，人们对室内空气的品质也越来越关注，而室内空气的清洁度是室内空气品质的重要内容，因而人们治理室内空气污染的意识也不断增强，用于改善室内空气清洁度的空气净化器行业已成为目前乃至今后的一个新兴的、充满商机的行业。而CO₂作为室内的主要空气污染物之一，空气净化器对CO₂的净化效率也将成为衡量空气净化器质量的一个重要指标。

另外，各个国家也在制定室内空气污染以及治理方面的相关标准，CO₂因为其检测简单、快速，且室内空气中CO₂的水平能够基本反应室内空气的污染程度，因而，红外线CO₂分析仪也必将在室内空气污染治理、开发新型室内空气净化设备以及室内空气质量评价方面发挥重要的作用。

参考文献

1? The Inside Story: A Guide to Indoor Air Quality. Document No: 402-K-93-007. Environmental Protection Agency, U.S. Government Printing Office: Pittsburgh, PA, 1995.

2? 刘天齐, 黄小林, 邢连壁, 耿其博. 三废处理工程技术手册（废气卷）, 北京：化学工业出版社, 1999

3? 夏玉亮. 空气中有害物质手册, 北京：机械工业出版社，1989

4? 袁中山, 张金昌, 吴迪镛, 王树东. 室内环境污染研究进展. 环境污染治理技术与设备, 2001, 2(1): 9-16

5? 唐启明, 石闻洲, 王异. 我国室内空气污染及净化产品市场调查和预测. 环境保护, 2001, 11: 31-32

6? 尹维东, 刘来红, 乔惠贤, 刘锦华. 室内空气污染物的净化. 环境污染治理技术与设备, 2002, 3(2): 53-55

7? 曲建翘, 薛丰松, 蒙滨. 室内空气质量检验方法指南, 北京：中国标准出版社, 2002

8? GB/T 17094－1997, 室内空气中二氧化碳卫生标准

9? Pei-Cheng Luo, Zhi-Bing Zhang, Zhen Jiao and Zhi-Xiang Wang, Investigation in the Design of a CO₂ Cleaner System by Using Aqueous Solutions of Monoethanolamine and Diethanolamine. Ind. Eng. Chem. Res., 2003, 42 (20)

10? 骆培成，焦真，王志祥，张志炳. 填料塔中碱性水溶液对空气中微量CO₂的净化，化工学报, 2003, 56（6）：824-829

11? Jokl, M. V. Evaluation of Indoor Air Quality Using the Decibel Concept Based on Carbon Dioxide and TVOC. Building and Environ. 2000, 35: 677-697

12? 刘昶, 钱华, 李德, 上海地铁车站空气中CO₂浓度调查. 上海环境科学, 1999, 18(7): 306-308

13? 可接受的室内空气质量的通风．ASHRAE标准62—1989

14? Persily, A. K.. 通风、二氧化碳和ASHRAE标准62—1989. ASHRAE期刊，1993: 40—44

15? Joe Roberison等. 室内空气质量—普通分析法, 1997．

16? 白成珏. 韩国住宅、办公室及餐馆室内空气质量研究, 1997

Application of Infrared CO₂ Analyzer in the control of indoor air pollution. LUO Pei-cheng¹, Tang Qing-yun², JIAO Zhen¹, ZHANG Zhi-bing¹ (1.Department of Chemical Engineering, Nanjing University, Nanjing, 210093, China; 2.Beijing Municipal Huayun Analytical Instrument Institute, Beijing, 100091, China)

The applications of Infrared CO₂ Analyzer in the field of control of indoor air pollution are described. It could be used to develop a CO₂ cleaner system, as well as to evaluate indoor air quality.



作者简介：骆培成，男，1977生，在读博士研究生，主要从事气液传质与分离研究工作以及室内空气污染物的净化研究工作。

产品配置单：

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便携式红外线二化碳分析仪（北京市华云分析仪器研究所有限公司）

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