氨氣的來源及RBT-6000-ZLGM氨氣氣體探測器的應用

  現在空氣中的氨氣除了部分來源于自然界,另外有很多來源于人工制造,例如:人類新陳代謝過程,化學工業中的化肥生產和冷卻系統。通過和這些不同領域氨氣濃度程度有關的總結調查了應用于不同領域的氣態氨分析儀。討論了應用在農業、化學工業、環境、汽車、醫學行業中的氨氣傳感器裝置。

1氨氣的來源

  氨氣是現在大氣層中普遍存在的一種氣體?，F在空氣中的氨氣濃度相對較低,低于1ng/kg,而史前的氨氣濃度相對比較高,4.5億年前,當星際塵埃形成太陽、太陽系乃至整個銀河系時,較大的行星有足夠大的引力將剩余的氣云拉向自己,形成了帶有大量氣體的星球,像地球這樣較小的星球形成了帶有少量氣體的巖石星球。在3.8到4.1億年前,早期的地球形成了由帶有較高濃度的甲烷、氨氣、氫氣和氦氣組成的化學還原性大氣層。隨著時間的流逝,早期大氣層的大部分成分消失在太空中,剩余的部分被新形成的大氣沖淡,形成新的大氣層。這個新的大氣層主要是由下列揮發性的物質組成:氮氣、水蒸氣、二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氨氣、氯化氫和地球表面的火山噴發出來的氣態硫。

  地球表面變冷、穩定,形成帶有巖石地形的固體表面。地球中的水蒸汽開始變冷產生大量的雨水形成了早期的海洋?；瘜W還原性大氣層和大量的液態水混合起來產生了地球上生命產生的條件。氨氣可能是這個過程中非常重要的成分?，F在大氣層中的氨氣大部分是由人類的活動直接或間接釋放出來的。1980年,根據歐盟環境和生活質量委員會監測,全球的氨氣排放量為每年20～30t。

本文總結了現代三種主要氨氣來源。雖然地球的大氣中幾乎80%都是氮氣,但是大部分氮氣是無法被植物吸收和利用的。大氣中的氮氣通過兩種自然途徑進入生態系統,這兩種途徑被稱之為硝化作用。第一個途徑是銨鹽和硝酸鹽的直接沉積,這些微塵在雨水中以可溶物或微塵的形式進入到土壤中。在農業方面,大量的銨鹽以化肥的形式加入到農田里。當過量的銨鹽加入到土壤中時會導致土壤酸化、富養化,改變了植被,并提高了大氣層中的氨氣含量。第二個途徑是細菌固氮作用。很多種細菌都可以固氮,他們將多余的氨氣釋放到環境中。由于大部分土壤是輕微酸性,這種大部分氨氣轉化為銨離子。這種固氮作用使世界上氨氣釋放量大約每年增加1t。整個氮循環中的大部分氮來源于氨化和動植物的一系列新陳代謝活動,釋放出來的銨離子和氣態氨再一次被細菌轉化為亞硝酸鹽和硝酸鹽。

氨的第三種來源是燃燒、化學工業和汽車的使用。生產化肥的化學工業和制冷系統的應用都產生氨。燃燒產生的全部氨每年大約2.1～8.1t。還有較小數量的氨來源于海洋。通常海洋接受氨,但有時又釋放氨。海洋釋放氨是由于以銨離子形式存在的氨在堿性雨水存在下轉化成氣態的氨。

2、RBT-6000-ZLGM氨氣氣體探測器的應用

  有很多種方法可以檢測氨氣。因為氨氣有很刺鼻的氣味,所以檢測高濃度的氨氣很容易。在接近施肥完畢的農田時,氨氣很難聞。而且,高濃度氨氣對健康是一種嚴重的威脅。相對于其他刺鼻性氣體,人類的鼻子對氨氣很敏感。對于定量的測定氨氣的濃度或測定較低濃度的氨氣,人類的鼻子就無能為力了。然而在很多情況下還是要檢測氨氣的濃度,即使空氣中存在低于1ng/kg的濃度。本章節主要集中在與測量氨氣濃度有關的四個重要方面:環境、自動化、化學工業和醫學診斷。銨鹽溶膠的形成。硫酸和硝酸在空氣中與氨氣反應生成硫酸銨和硝酸銨。這些鹽凝結成核形成幾納米大小的塵埃顆粒。因此,氨氣可以減小空氣中酸的濃度。這些氨氣凝膠具有反光的作用,在大城市或工業區上方會經?？吹侥z。這些煙霧具有降低溫度的作用,但是由于溫室效應引起的全球變暖,降低溫度的效果影響很弱。

  在農田里氨氣的濃度比較高,達到10mg/kg。大氣層中氨氣的濃度很低,在海洋上空甚至低到1μg/kg的濃度。為了檢測這些低濃度氨氣就需要檢測限為1μg/kg或更低濃度的很精確地氨氣傳感器。

2.1RBT-6000-ZLGM氨氣氣體探測器汽車工業中的應用

   在汽車工業中有三個原因要檢測大氣污染。第一,監測廢氣是因為汽車尾氣是城市污染的重要組成部分。例如,氨廢氣和繼發性空氣中的顆粒污染有關,如在前面提到過的硝酸銨和硫酸銨懸浮微粒。銨溶膠達到微粒濃度的17%,小于2.5μm。測出氨廢氣在排出的廢氣中為20mg/s。汽車工業對像氨氣這樣的空氣污染感興趣的第二個原因是控制乘客隔間里的空氣質量?，F代的汽車都裝有空氣控制系統,這個系統控制著汽車內的空氣溫度和濕度。新鮮的空氣可以從車外進入或者由車內的空氣循環制成。當車外的空氣質量很差時,像在火堆或者工廠附近帶有煙的空氣,系統就很難從車外接收新鮮空氣。對于室內空氣質量監測裝置,檢測限應該低于約50mg/kg。此外,對于這個應用主要是傳感器反應要快。在質量差的空氣進入車內時進氣閥應關閉,要求響應時間為1s。氨氣傳感器應用的第三個原因是柴油機內氮氧化合物的減少?，F代柴油機有著很高的氣油比,這導致了在廢氣中還有過量的氧氣,大量的一氧化氮和二氧化氮。根據等式(1),因此,將氨氣注入到廢氣系統,在傳輸接口轉換器使用選擇性催化可以非常明顯的減少使氮氧化合物濃度。4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O(1)注入過多的氨氣會被排放到空氣中增加污染,這被稱為滑氨。當注入氨氣的濃度非常精確時,注入的氨氣量可充分被消耗?，F在使用的傳感器檢測限<10mg/kg[19],響應時間約為1min。由于檢測是在排氣管中,所以RBT-6000-ZLGM氨氣氣體探測器應該能承受較高的溫度。

2.2RBT-6000-ZLGM氨氣氣體探測器化工業中的應用

  化學生產氨的主要方法是哈伯法。德國科學家弗里茨哈伯在1904年開始研究生產氨。氨氣是由氮氣和氫氣在高溫500℃和約300kPa的壓力下使用多孔金屬催化劑合成的?？?博施把這個過程按照比例增大到工業比例水平,這個方法通常被稱為弗里茨哈伯法。氨氣的生產最初是來生產昂貴的硝酸?，F在,人工制造的氨氣大部分用來制造化肥和化學工業品。其他大部分氨氣使用在冷卻系統內。第一個冰箱內使用的就是氨氣。幾乎所有用于食品加工的冷卻設備都使用氨氣,因為它可以使冷卻到零度以下[23-24]。第一個實用型的冰箱產于1834年,并在1860年商業化。它的工作原理是蒸汽壓縮,基本原理是:汽化、壓縮、冷凝、膨脹,現在仍然使用這個原理。由于化學工業、化肥工業和冷卻系統使用的是純氨,所以一旦氨氣泄露就會造成致命的威脅。所有使用氨氣的工廠都應該裝有氨氣濃度監測和警報系統,特別是在生產氨氣工廠的生產車間內,RBT-6000-ZLGM氨氣氣體探測器在整個生產過程中應該能經受得住500℃的高溫。生產車間允許的最高氨氣濃度是20mg/kg。監測不需要很快的反應速度,幾分鐘的響應時間就已經足夠了。

2.3RBT-6000-ZLGM氨氣氣體探測器的醫學應用

   較高濃度的氨氣對人體健康是一個威脅。人類嗅覺所能感知到的氨氣最低濃度為約50mg/kg,相當于約每立方米40g。但是,低于這個濃度,氨氣對于呼吸系統、皮膚和眼睛仍然具有刺激性。很多文獻中認為人們可以工作的環境中氨氣濃度為20mg/kg。當氨氣濃度為500mg/kg時會立即對鼻子和喉嚨造成嚴重的刺激。暴露在1000mg/kg或更高濃度的氨氣中可能導致肺水腫,這個癥狀會持續24h直到癥狀嚴重:呼吸困難,胸悶。短時間暴露在高濃度氨氣中會導致非常嚴重的、致命的長時間的呼吸系統和肺部疾病[29]。特別是高濃度的氨氣:5000～10000mg/kg,致死時間為5～10min。長時間暴露在低濃度的氨氣中不會引起長時間的健康問題。氨氣在人體中不會積聚,因為它是人體自身產生的物質,來源于蛋白質和核酸的新陳代謝。胺以尿素和銨鹽的形式通過尿液從人體中排泄出來,一部分胺通過汗腺離開人體。例如,醫學機構對氨氣的分析非常感興趣,因為氨氣分析可以用來檢測人們呼出氣體中的氨氣量來進行病情診斷[30]。檢測呼出氣體中的氨氣量能夠很快的診斷腎病和幽門螺旋桿菌引起的胃潰瘍。像這類應用,通常只需要幾毫升的的氣體就足夠了,但是現在還沒有合適的氨氣呼吸分析儀。感染以后,細菌會穿透用來保護胃不受酸性胃液侵蝕的胃粘膜。細菌最顯著地特點是產生尿素酶,它將尿素轉化為胺和碳酸氫鹽形成局部中性環境。免疫系統釋放出抗體來對付這種感染。由于幽門螺旋桿菌隱藏在胃的保護層里面,所以它就不受這些因感染帶來的免疫系統釋放出來的抗體影響。將尿素轉化為氨氣和碳酸氫鹽可以診斷幽門螺旋桿菌的感染。第一個方法是基于胃內二氧化碳的測量,可直接檢測碳酸氫鹽的濃度。不侵害式的方法是基于廢氣中二氧化碳和氨氣濃度的測量。因為普通廢氣中二氧化碳的濃度相對較高,所以使用同位素標記的尿素。接下來,測量標記的二氧化碳濃度。結果非常好,但是這個測試費用太高,而且還需要放射性元素,這樣就限制了它的應用。使用呼吸氨氣分析儀會是一個比較合適的方法。很早的氨氣分析儀能夠測量廢氣中濃度為50ng/kg的氨氣,包含二氧化碳濃度為3%。當測量廢氣時,使用的分析儀器的響應時間最多為幾分鐘,而且只需要很少量的待測氣體。運動醫學對人體血液內的氨氣濃度也感興趣。在活動中,人體產生氨氣。當血液中的氨氣濃度大于空氣中的濃度時,氨氣會從血液進入到肺中。氨氣的濃度會隨著活動量的增加而積聚。當測量積聚的氨氣時,氨氣濃度水平在0.1～10mg/kg之間[15]。

3結論

    通過對地球上氣體中氨氣的來源進行了總結,討論了在人類新陳代謝過程、汽車工業、環境、醫學行業、化學工業中的化肥生產和冷卻系統中等都會產生了一定量的氨氣排放到空氣中。通過和這些不同領域氨氣濃度程度有關的總結,調查了應用于不同領域的氨氣分析儀。討論了應用在農業、化學工業、環境、汽車、醫學行業中的氨氣傳感器裝置及其反應時間和最低測量濃度。