說起大氣監(jiān)測，公眾首先想起的是PM2.5，環(huán)境監(jiān)測從業(yè)人員可能會想到二氧化硫、氮氧化物、臭氧、一氧化碳、揮發(fā)性有機物等等，但是關注惡臭監(jiān)測的人員還相對較少。而據(jù)不完全統(tǒng)計，在我國環(huán)境投訴中，惡臭投訴約占30%~40%，其數(shù)量僅次于噪聲居第二位。

　　在投訴率如此高的情況下，為什么惡臭監(jiān)測沒有得到大家的重視?我國的惡臭監(jiān)測現(xiàn)狀如何?惡臭監(jiān)測的未來需求在哪?還有哪些工作需要開展?近日，儀器信息網(wǎng)編輯專門采訪了河北工業(yè)大學張思祥教授，張教授是國家重大科學儀器設備開發(fā)專項“惡臭自動在線監(jiān)測預警儀器開發(fā)及應用示范”中儀器研發(fā)的主要負責人，主要開發(fā)基于傳感器原理的在線惡臭監(jiān)測儀器。

河北工業(yè)大學 張思祥教授

　　發(fā)現(xiàn)需求 專注于惡臭在線儀器開發(fā)

　　談到為什么選擇了做惡臭監(jiān)測儀器開發(fā)，張教授如是說：“求學期間，我學習的是光學儀器和分析儀器專業(yè)。1999年在河北工業(yè)大學參加工作，接到的第一個任務就是研發(fā)水質(zhì)COD分析儀，研發(fā)的儀器后來成功地實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。自此以后開始關注環(huán)境監(jiān)測類儀器，我們與天津環(huán)科院國家環(huán)境保護惡臭污染控制重點實驗室一直有合作，后來發(fā)現(xiàn)我國的惡臭氣體檢測還有很多薄弱環(huán)節(jié)，因此開始計劃對此領域進行系統(tǒng)研究。”

　　目前，我國的惡臭檢測主要依賴人工嗅辨，需要人員多、耗時長、對測試環(huán)境條件要求高。而我國惡臭投訴在不斷增多，人工嗅辨技術已遠遠不能滿足實際應用的需求。除人工嗅辨外，基于傳感器陣列的惡臭在線監(jiān)測系統(tǒng)是國際上比較成熟的一種惡臭在線監(jiān)測技術。但在我國，這種技術的發(fā)展還不能滿足實際應用。

　　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、電化學傳感器和PID傳感器三種，單一傳感器只能檢測特定類的氣體且對氣體的選擇性都較差。而惡臭氣體含硫化氫、氨氣、揮發(fā)性有機物等4000多種成分，單一傳感器無法滿足檢測需求，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模塊上或者在一個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)測儀器開發(fā)的首要任務就是開發(fā)出合適我國的傳感器組合，滿足惡臭氣體種類和濃度的檢測需求。雖然氣體傳感器種類眾多，在食品、醫(yī)藥、安全等領域應用廣泛，但惡臭氣體的一大特點是氣體組分未知，這就對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題。傳感器對氣體的選擇性較差，在混合氣檢測中，很難檢測出氣體組分。張教授就想到了色譜分離，將惡臭氣體先進行分離再檢測。經(jīng)過慎重考慮，張教授最終選擇了微流控技術，一是微流控技術可以做成固態(tài)元件，二是可以與熱導檢測器、PID檢測器或電化學傳感器等集成到一個芯片上，從而便于將來進行在線和小型化設計。

　　微流控芯片大部分是做液體分離，為了實現(xiàn)氣體分離，張教授團隊主要進行了兩種設計。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)過修飾處理的硅藻土，利用吸附脫附原理實現(xiàn)氣體分離。另外一種是表面涂覆，涂覆之后利用毛細原理對氣體進行溶解和析出的分離。目前已經(jīng)可以實現(xiàn)100ppb范圍內(nèi)的氣體分離，基本達到當初預期的指標。

　　不斷深入 建立惡臭在線監(jiān)測預警系統(tǒng)

　　雖然微流控芯片與傳感器陣列的組合可以實現(xiàn)惡臭氣體成分和濃度的檢測，但是張教授認為惡臭在線檢測系統(tǒng)要想滿足實際應用需求，如與現(xiàn)行的國家標準方法相對應、接到投訴后如何快速鎖定污染源等，還需要進一步的研究。

　　首先是低嗅閾值氣體傳感器的開發(fā)。有些惡臭氣體的嗅閾值非常低，達到亞ppb級別，但目前氣相色譜上常用傳感器對此類的檢測還存在問題。由于張教授所在單位河北工業(yè)大學在新材料方面有很多研究，故張教授想在此基礎上，對傳感器材質(zhì)進行一些研究。如碳化硼材料對氣體的吸附、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)過了前端的分離，但是由于氣體組分過于復雜， 傳感器對特定惡臭氣體的檢測，仍可能會受到其它氣體的干擾。此時就需要增加一種傳感器，通過信息融合和數(shù)據(jù)分析(如模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡分析等)來排除干擾，即通過建立模型來實現(xiàn)氣體辨別。

　　檢測結(jié)果與國家標準的對接也是一個值得研究的課題。按照現(xiàn)行國家標準，惡臭檢測的最終結(jié)果應該為惡臭等級，而此系統(tǒng)的分析結(jié)果為惡臭成分和濃度。因此需要建立一個惡臭成分濃度與惡臭等級對應的模型，包括單一物質(zhì)，物質(zhì)濃度與惡臭等級的關系;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的關系。最終的目標是需要建立一個儀器檢測代替人工方法的標準來進行惡臭評價。

　　還有一個工作就是惡臭的溯源。一個是惡臭來源區(qū)域判斷，如果檢測到惡臭濃度超標，需要能根據(jù)風力、風向、大氣壓以及惡臭濃度的梯度變化等相關參數(shù)，來推斷惡臭可能的排放來源。另一個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，當檢測到惡臭氣體時，根據(jù)氣體成分可以快速初判出污染源。

　　把握時機 促進國產(chǎn)儀器發(fā)展

　　儀器開發(fā)的最終目的是實現(xiàn)應用，對于惡臭儀器的產(chǎn)業(yè)化和我國惡臭監(jiān)測市場發(fā)展，張教授也談了自己的看法。

　　惡臭儀器產(chǎn)業(yè)化應盡早。我國PM2.5監(jiān)測最初受到關注是某國公布了監(jiān)測結(jié)果，之后我國政府公布的監(jiān)測數(shù)據(jù)受到很多的質(zhì)疑，這是因為先入為主。因此我國應該盡早發(fā)展自己的比較權威的儀器，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)布，從而掌握主動權。而且從儀器使用上來說，用戶習慣一種儀器之后，再接受新的儀器就需要一個過程，這也需要我國廠商應盡早推出有自主知識產(chǎn)權的儀器。

　　從國產(chǎn)儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度來看，目前我國的惡臭監(jiān)測還不適宜大規(guī)模推廣。全球范圍內(nèi)，法國和韓國的惡臭監(jiān)測技術發(fā)展較早，而我國的惡臭監(jiān)測儀器還不成熟。如果國家現(xiàn)在推廣惡臭監(jiān)測的話，那么市場上的儀器肯定是國外廠商為主，對國產(chǎn)儀器發(fā)展將是一個很大的打擊。

　　從推廣形式來看，惡臭監(jiān)測可以考慮與揮發(fā)性有機物監(jiān)測結(jié)合來推廣。目前VOCs監(jiān)測已經(jīng)受到了國家的重視并開始布局，而惡臭氣體包括氨氣、硫化氫和多種VOCs，因此可以在某些應用上將惡臭監(jiān)測和VOCs監(jiān)測統(tǒng)籌考慮。而且可以根據(jù)不同的應用場合開發(fā)特定的惡臭監(jiān)測儀器，如用于公共衛(wèi)生間的以硫化氫和氨氣檢測為主的惡臭監(jiān)測儀。

　　在采訪最后，張教授表示，非常愿意與企業(yè)合作，實現(xiàn)惡臭在線監(jiān)測預警儀器的產(chǎn)業(yè)化，為我國的惡臭監(jiān)測盡一份力。

　　后記：以前我國的環(huán)境治理以減少污染物的排放為約束性指標，而環(huán)保“十三五”規(guī)劃以改善環(huán)境質(zhì)量為核心，更加注重公眾認同感，從霧霾、黑臭水體等詞語的頻繁出現(xiàn)即可略見一二。就譬如惡臭問題是與公眾感受直接相關的環(huán)境問題，可能因其局域性、瞬時性和陣發(fā)性而沒有受到廣泛關注，但是在特定區(qū)域已成為困擾居民的嚴重環(huán)境問題。

　　隨著環(huán)境治理的不斷深入，惡臭受到關注僅是一個早晚的問題，而惡臭監(jiān)測預警系統(tǒng)可以為惡臭治理提供很好的監(jiān)管依據(jù)。故我國惡臭監(jiān)測系統(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，加強技術儲備，從而在未來的惡臭問題中把握先機，掌握主動權。

　　采訪編輯：李學雷

　　附錄：張思祥教授個人簡介

　　河北工業(yè)大學機械工程學院教授，機械工程學科博士生導師，河北工業(yè)大學國家大學科技園管理中心主任，全國高?；Q性委員會常務理事， 中國儀器儀表學會分析儀器學會常務理事。主要教育經(jīng)歷：1993/09-1996/06，天津大學，精密儀器與光電子工程學院，獲得博士學位;2010/10—2011/05，美國克萊姆森大學 訪問學者;1990/09-1993/06，浙江大學，光學與電子科學儀器系，獲得碩士學位;1978/09-1982/06，天津大學，精密儀器系，獲得學士學位

　　主要從事機械幾何量測量理論與技術、光電檢測方法、計算機圖象處理技術研究。主持和完成國家重大科學儀器設備開發(fā)專項、國家自然科學基金重點項目、河北省自然科學基金、天津市自然科學基金、河北省高教委博士科研資助基金、國家“十五”科技攻關重大項目子項、總裝備部預研項目等國家、省部級縱向課題。完成“污水COD在線檢測設備開發(fā)研制”等十余項企事業(yè)委托的橫向課題。在國際、國內(nèi)重要學術會議和學術刊物上發(fā)表學術論文100多篇。獲得河北省科技進步二等獎、天津市科技進步三等獎各一項，各項專利30余項。目前有國家重大科學儀器設備開發(fā)專項、總裝備部預研項目、企業(yè)委托項目在研。