台灣過濾與分離學會電子報2023年第12期

市場趨勢

◎ 室內空氣品質 (IAQ) 應用之感測器

        國人每人每天約有80~90%的時間處於室內環境中(包括在住家、辦公室或其他建築物內)，商業和住宅建築內的空氣受到數百種氣態汙染物和顆粒物的混合物汙染。這些汙染物的濃度可能足以對居民的健康產生不利影響。除了可能存在高濃度的室內汙染物外，商業建築和住宅的室內暴露時間可能分別為每天大約 8 小時到 16-24 小時不等。室內空氣品質的良窳，直接影響工作品質及效率，因此室內空氣汙染物對人體健康影響應當受到重視。有效改善室內空氣品質，方能維護人體健康。

        商業和機構建築通常配備自動控制通風系統，可以透過用汙染較少的室外空氣稀釋室內空氣來降低汙染物濃度。在住宅建築中，空氣交換透過自然通風 (打開門窗) 和滲透進行。只有一小部分家庭配備能量回收系統 (新風系統)，可以持續供應新鮮空氣。為了避免通風過度 (浪費能源) 和通風不足 (可能導致空氣品質不佳)，需要經濟高效的通風控制策略，例如需求控制通風 (demand-controlled ventilation, DCV)。

        室內 CO₂ 濃度的測量和控制已被廣泛用作與人類相關的汙染物源的指標來控制DCV系統，然而，這種方法存在一些挑戰，因其缺乏室內氣相汙染物和顆粒物 (PM) 濃度的數據，無法檢測建築材料、家具、地毯以及人類活動 (例如烹飪、清潔或吸煙) 中釋放的揮發性有機化合物 (VOC) 的持續排放。為了解決上述挑戰，可以使用氣體和顆粒物感測器來測量室內汙染物的濃度並控制通風率。

應該測量哪些汙染物？

        在室內環境中，可以發現數百種化合物 (揮發性有機化合物和無機物)、生物氣溶膠和顆粒物，應鑑別已知對人類健康有不利影響的汙染物，並選擇合適的感測器。世界衛生組織 (WHO) 已確定以下汙染物為最受關注的汙染物：苯、一氧化碳、甲醛、萘、二氧化氮、PM2.5、多環芳烴 (PAH)、氡氣和三氯乙烯。根據對美國住宅室內汙染物濃度的測量和相關健康危害的評估，以下九種汙染物：乙醛、丙烯醛、苯、1,3-丁二烯、1,4-二氯苯、甲醛、萘、二氧化氮和 PM2.5 危害較大。其中最受關注的前五名汙染物包括：PM2.5、SHS (二手煙)、氡氣、甲醛和丙烯醛。

低成本感測器

        在過去的十年中，現有顆粒物和氣體感測器技術的進步促成各種類型的低成本感測器得以用於空氣汙染監測。大多數商業低成本感測器都基於以下工作原理：

＊ PM 感測器 – 光散射

＊ 光離子化 (PID) – 紫外線

＊ 電化學感測器 – 電流型或電位型

＊ 金屬氧化物感測器 (MOx) – 電阻率變化

選定汙染物的暴露限值。

        關鍵的感測器參數之一是低濃度檢測極限值，應低於特定汙染物的暴露限值 (ELV)。例如，甲醛的長期 ELV 為 9 µg/m³，PM2.5 的長期 ELV 為 10 µg/m³，感測器應該能夠測量這些濃度水平。苯是最重要的人類致癌汙染物之一，根據美國指南，其長期 ELV = 3 µg/m3，這對低成本感測器來說是一個重大挑戰，建議盡可能降低室內苯的暴露濃度。

        至於顆粒物感測器，文獻中報導的低成本顆粒感測器的性能有些參差不齊，主要取決於顆粒感測器的類型和評估方法。有多種採用光散射技術的商用低成本顆粒物感測器，通常可以檢測空氣動力學直徑範圍為 0.3 µm 至 10 µm 的顆粒，並將測量到的訊號轉換為質量濃度。低成本 PM 感測器的檢測極限通常在 5 至 10 µg/m³ 之間，主要缺點是數據可信度容易受環境條件的干擾、再現性不佳、隨時間的漂移和對顆粒成分敏感。如果被測量的氣溶膠與用於校準的氣溶膠表現出不同的折射率、密度、形狀因子或尺寸分佈，則測量的濃度可能會受到這些差異的影響。下圖顯示兩個感測器測量的香煙煙霧濃度，一個用香煙煙霧校正，另一個用不同的氣溶膠校正，產生明顯的測試偏差。

校準氣溶膠對測量的香煙煙霧濃度的影響。

        用於測量甲醛濃度的感測器可以採用多種原理，但是，最流行和可行的是電化學感測器，利用與標的氣體發生反應 (氧化-還原) 並產生與氣體濃度成正比的電訊號來工作。由於在此過程中會產生電流，因此電化學感測器通常也被稱為安培型感測器。典型的電化學感測器由疏水膜、工作電極、對電極和電解質層組成，檢測極限值取決於感測器的結構，通常在 30 – 50 µg/m³ 範圍內，溫度和濕度依賴性以及交叉靈敏度是影響感測器精度的主要挑戰，下圖顯示兩種不同電化學感測器在不同濕度下對甲醛的響應產生差異。

不同相對濕度下的甲醛感測器。

        揮發性有機化合物感測器常採用電化學和半導體方法的氣體傳感機制。金屬氧化物半導體 (MOS) 感測器是電阻式感測器，因為電阻會隨著與目標氣體的相互作用而變化，為了增強感測器的反應性，使用局部加熱器來提高傳感材料的溫度，透過測量 MOS 氣體感測器的電阻來檢測氣體濃度。最常用的 (MOS) 氣體感測器採用 ZnO 和 SnO₂，其氣體響應良好、尺寸小且成本低。溫度和濕度對感測器精度以及交叉靈敏度的影響是主要缺點，環境空氣中硫化氫、氨和酒精的存在也會嚴重影響 MOS 感測器的精度，下圖說明相對濕度對 VOC 測量的不良影響。

不同相對濕度下的 MOS 感測器。

        低成本顆粒和氣體感測器是需求控制通風系統的重要零組件，未來可能用於住宅新風系統和/或抽油煙機排氣。儘管存在交叉敏感性問題、檢測極限不足或環境條件影響等限制，但低成本感測器可以在 IAQ 應用中發揮重要作用。低成本的空氣汙染感測器還可以整合到更複雜的監測器中，為用戶提供關於空氣汙染物濃度的有用資訊，並可以幫助他們採取因應行動來改善室內空氣品質。

資料來源：

1. https://www.filtnews.com/sensors-for-iaq-application/

台灣過濾與分離學會 Taiwan Filtration and Separations Society