:::

產業技術評析

偵測PM2.5與空氣污染的關鍵之鑰-氣體感測器
發表日期:2015-12-09
作者:謝孟玹 (工研院IEK ITIS)
摘要:
時序進入秋冬季節轉換期,由東北季風帶來之中國大陸PM2.5細懸浮微粒及源自各工業區排放之汙染物同時發威下,已使近來天空逐漸蒙上一層灰色面紗,為免將來...

全文:
一、PM2.5細懸浮微粒發威、空氣汙染威脅加劇

時序進入秋冬季節轉換期,由東北季風帶來之中國大陸PM2.5細懸浮微粒及源自各工業區排放之汙染物同時發威下,已使近來天空逐漸蒙上一層灰色面紗,為免將來呼吸新鮮空氣成為一種奢望,目前氣象環保單位與科技業界皆已積極致力投入氣體感測技術研發,以期透過隨時隨地偵測身處環境空氣汙染狀態,進而即時展開應變措施,藉此確保自身健康與人身安全。

二、環境汙染來源VOCs無所不在

PM2.5係指空氣中氣動粒徑等於或小於2.5微米(μm)的粒狀污物,其形成可分為原生性(primary)及衍生性(secondary),型態有固態與液態,PM2.5之前趨物主要由碳、硫氧化物、氮氧化物、氨、VOCs(固定汙染源揮發性有機物)構成,其中VCOs被認為是導致室內空氣品質不佳的主要微量化學組成成份,相關有機物對人體健康容易造成慢性、長期的不利影響,產生喉嚨/眼睛刺激過敏、頭昏眼花、頭痛與倦怠感,且長期曝露在VOCs (如甲醛) 下,更可能傷害神經系統、助長癌症發展與肝腎毒素累積。

整體而言,VOCs環境汙染源可說無所不在,且多以無色無味狀態存在於環境週遭,使人們無意間不斷吸入而不自知。除遍布於居家之建材、清潔用品、家俱附帶之黏著劑、地毯塵蟎、地板材料之外;廠房與汽車之器具設備與引擎/發動機,也常掩藏諸多燃燒物、氧化物等發射源與各種碳氫化合物。更有甚者,包括人們每日上班的辦公室,及其所擺置之PC與多功能事務機,也多蘊含許多苯、苯乙烯、石碳酸…等有毒物質,一旦吸入過多VOCs,將明顯影響人體新陳代謝,導致膽固醇過高、肝臟運作狀態異常、並衍生糖尿病等慢性疾病,而由肺泡所吸吐之有毒氣體,也往往容易長久停留在肺部甚至滲入呼吸系統,對人體造成永久的傷害。

因應此一環境汙染對人體健康產生的潛在威脅,也使偵測各種化學成份濃度的氣體感測器應運而生,希望針對各種有毒物質進行有效偵測,使人們得以及早因應並進行各項防範措施。

圖1、氣體感測器-開啟消費者健康安全應用大未來
圖1、氣體感測器-開啟消費者健康安全應用大未來
資料來源:工研院IEK整理(2015/11)

三、氣體感測器-空汙防治新利器、開啟消費者健康安全應用大未來

舉例而言,未來家中如有過敏體質嬰幼兒,可透過加裝氣體感測器於嬰兒房,偵測過敏源與塵蟎,一旦偵測到濃度異常,則自行啟動空氣清淨機進行空氣有毒物質過濾(見圖1)。而對於常需於浴廁廚房烹飪灑掃之家庭主婦,也可透過手持式或嵌入式氣體感測器,偵測潛藏於廚具、浴廁、天花板/地板之甲醛、甲苯、丙酮,進而在成份過濃或異常時展開應急處理。如家中有獨居老人時,也可安裝CO/CO2感測器於浴廁週遭,在其衛浴過程中因一氧化碳/二氧化碳過濃導致身體不適時,自動開啟全熱交換機進行空氣調節與通風設備控制。而對於常需開車上班的家中成員,也可藉由加裝氣體感測器於車內椅背,偵測不易察覺的內燃機損壞衍生之有毒氣體外洩,以及早處理避免可能的行車安全疑慮。除此之外,目前也已有業者開發出以docking連接器插入智慧手機方式的酒精偵測器,透過對手機呼氣方式於4秒內完成酒精濃度檢測,並由專屬APP提供低/中/高層次的警告指標。

而在預防醫學與自主建康管理觀念日益普及的年代,未來透過加裝氣體感測器於智慧手機或穿戴裝置,以偵測新陳代謝率變化並持續追蹤後續改善狀況,同時藉由量測皮膚丙酮計算燃燒脂肪,或搭配流量計進行呼吸鑑定,皆是氣體感測器協助運動紀錄/健康管理的可能應用情境。

除了居家安全健康偵測之外,氣體感測器更可進一步將觸角延伸至工安、食安與醫療領域;將小型氣體質譜分析系統應用於半導體化學製程控制,偵測廠區有毒氣體/製冷劑是否外洩,或將氣體感測器嵌入RFID標籤,偵測腐敗肉品產生的腐胺和屍胺。更有甚者,由於人類呼吸包含1,000種以上化學成份,因此未來透過氣體感測器可有效擷取粒子數量,以偵測呼吸中微量化學成份濃度,藉此分析生命體徵與疾病徵兆;如偵測氨濃度以判斷肺部疾病、腎衰竭徵兆,偵測異戌二烯濃度判斷疲勞或睡眠呼吸中止症徵兆,偵測丙酮濃度監控糖尿病患者病情變化,偵測呼氣及體味進行癌症診斷。

凡此種種,皆顯示出氣體感測器可觀的發展前景,及未來有效對抗環境汙染確保人類健康安全的無限潛力。

四、結論

在物聯網即將來臨的時代,如何透過遍佈各處的感測器,隨時隨地偵測環境異常狀態,藉由感測器彼此連動與應急處理,以達到充份保障人類生活安全無虞,已成為IoT應用最主要的精神所在。回顧過往,量測各種物理量變化的力學Sensor與磁學Sensor,已在3C/智慧手持裝置發展鼎盛的年代開創一波空前的市場商機,環顧手邊的智慧手機、遊戲機,無不可見透過人機介面感測操控使娛樂生活更便利的成功案例。

而展望未來,人類面對的將是更多環境安全、食品安全、醫療安全等社會層面的艱鉅挑戰,特別對於無處不在的空氣汙染威脅,更需仰賴更多精密的感測技術來進行有效防範,而具備化學成份濃度偵測特性的氣體感測器,正好符合此一市場的急切需求,可以預見在不久的將來,此一技術也將扮演開啟汙染防治的關鍵之鑰,透過更多多重氣體感測技術的交互運用,使人們得以及早因應處理,藉此重新找回潔淨環境,享受人人皆有健康安全的美麗未來。

(本文作者為工研院IEK ITIS計畫產業分析師)

* 點閱數6151
更新日期:2020-04-08

回上一頁 回首頁