甲醛气体传感器在室内体育场馆空气污染检测中的应用

李 野,刘艳丽

（1.湖南大学体育学院，湖南长沙410082）

（2.湖南大学材料科学与工程学院，湖南长沙410082）

甲醛气体传感器在室内体育场馆空气污染检测中的应用

李 野1,刘艳丽2*

（1.湖南大学体育学院，湖南长沙410082）

（2.湖南大学材料科学与工程学院，湖南长沙410082）

文章综合介绍了甲醛的危害以及室内体育场馆空气污染中甲醛的来源，分析探讨了甲醛的检测方法和基于半导体金属氧化物甲醛气体传感器的研究现状，提出了提高该类甲醛气体传感器综合性能的方法和建议。

甲醛；气体传感器；室内体育场馆；空气污染

0 引言

近年来，我国发生大范围持续雾霾天气，使普通百姓对空气污染有了更深刻的认识，与人们生活息息相关的室内空气污染问题也引起了人们的关注。有专家指出，继“煤烟型污染”和“光化学污染”之后，现代人已进入以“室内环境污染”为标志的第三污染时期[1]。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，大众对于“运动有益健康”的意识在逐步提升，城镇居民参加体育锻炼的人数呈现显著增长的趋势，不同类型的商业性体育健身场馆应运而生，成为城镇居民运动与健身锻炼的主要场所。然而，室内体育场馆的健身环境，特别是室内环境的空气质量，对人体机能会产生极大的影响。甲醛是目前室内空气主要污染物之一，室内甲醛超标对人体危害极大，尤其是在剧烈运动的情况下，空气质量下降使人们被动地吸入过多的有害物质，诱发或加重呼吸和心血管系统疾病，对人类的身体健康产生较大的危害[2-3]。为了使健身的人们达到预期的锻炼效果，有必要对室内体育场馆中甲醛气体进行实时监测，必要时需采取一定的措施降低空气中甲醛的含量，为人们拥有一个健康舒适的运动环境提供足够的保障。

1 甲醛的危害及室内体育场馆中甲醛的来源

1.1 甲醛的危害

甲醛对人体呼吸道粘膜和皮肤都有强烈的刺激作用，长期接触低浓度甲醛会引发眼炎、咳嗽、头痛、恶心和失眠等，甚至可以导致神经系统功能的丧失[4]。2004年6月世界卫生组织国际癌症 研 究 中 心 （IARC，International Agency for Research on Cancer）发表的报告中称高浓度的甲醛能导致耳、鼻和喉癌[5]。室内甲醛超标对儿童的身体健康影响尤为突出[6]。室内空气中甲醛浓度达到0.06～0.07 mg/m3时，儿童就会发生轻微气喘；达到0.1 mg/m3时，就有异味和不适感；达到0.5 mg/m3时，可刺激眼睛，引起流泪；达到0.6 mg/m3时，可引起咽喉不适或疼痛；浓度更高时，可引起恶心呕吐，咳嗽胸闷，气喘甚至肺水肿；达到30 mg/m3时，会立即致人死亡[7]。根据北京儿童医院血液科一位医生的调查数据显示，儿童医院接诊的白血病患儿中，90%小患者确诊前半年之内家中曾经进行过居室装修[8]。

1.2 室内体育场馆中甲醛的来源

1.2.1 室内体育场馆装修设计的不合理性

甲醛是一种良好的溶剂，具有较强的粘合性，同时还可以加强板材的硬度和防虫、防腐能力，被广泛用于生产酚醛树脂、甲醛树脂和脲醛树脂等，这些树脂用作粘合剂，在各种装潢材料及家具中大量使用。以脲醛树脂为原料的各种人造板（胶合板、纤维板、刨花板等）、脲醛树脂隔热材料（UFFI）、含醛类消毒防腐剂的水溶性材料会慢慢地释放甲醛，在夏季高温和高湿条件下脲醛树脂会加快水解，甲醛释放量会高出平时的20%～30%[9]。

20世纪70年代以来，由于能源危机的影响，建筑节能成为建筑设计中的重要考虑因素。为了降低能耗，建筑设计师们一方面努力提高建筑物的气密性和热绝缘性，同时降低室内最小新风量标准[10]。带来的后果是使装饰、装修材料释放和人体排泄的有害物质在室内不断积累，劣化了室内环境空气质量。另外，有些体育场馆的装修可能会采用不符合国家质量标准的建材，没有达到绿色装修的指标，且在装修后没能在适当时间内进行通风来清除挥发性污染物，加大室内空气污染程度。

1.2.2 体育设备

甲醛是一种重要的有机溶剂和化工原料，是制造塑料、油漆、染料、橡胶等工业产品的重要原料。而一些室内体育场馆为了配合体育比赛，在场馆内部布置了许多专业设施，包括橡胶地板、塑胶跑道、海绵垫等，这些专业设施大都是塑胶制品，在生产制作、现场安装以及后期保养过程中，会释放出大量的甲醛，恶化了体育场馆室内空气质量。另外，甲醛作为消毒剂、防腐剂、熏蒸剂等也普遍存在于人们的身边，严重地威胁着人们的健康。

1.2.3 烟叶的燃烧及废气污染

人们吸烟产生的烟雾中也含有甲醛。吸烟时从主流烟雾和侧流烟雾中排放出大量有毒有害的化学物质，其中主流烟是指吸烟者自己吸入的烟雾，侧流烟是指排入空气中的烟雾。香烟主流烟雾中的甲醛平均浓度为212 μg/m3，侧流烟雾的为18～58 μg/m3。每一口烟雾容积约为40 mL，其中甲醛浓度可高达2.025 mg/m3。假设在30 m3的室内吸两支烟，则可使室内空气中的甲醛浓度高达0.1 mg/m3以上[11]。

另外，甲醛是碳氢燃料的氧化产物，工业废气、汽车尾气等在一定程度上均可排放或产生一定的甲醛[12]。 有些健身场馆为了保证充足的客源，常设在繁华闹市区或者交通较为便利的公路旁。在这些区域内，空气流通相对较差，汽车尾气则会通过建筑物的空调换气装置向室内渗透，引起室内空气污染。

2 甲醛的检测方法

我国室内空气质量标准 （GB/T18883-2002）中规定室内空气中的甲醛浓度限值是0.10 mg/m3（小时均值），给出了衡量室内环境是否符合健康人居环境的基本标准[13]。国家标准《公共场所空气中甲醛测定方法》GB/T18204-26及ISO16000-6：2004、GB/T11737-89和HJ/T400-2007等有关标准中关于甲醛和总VOC（挥发性有机化合物）的检测方法主要有分光光度法、色谱法、荧光法、极谱法等。这些方法基本上依赖于在被测环境中采样预浓缩，然后送至实验室进行光学分析或气

质联用（GC/MS）分析。这些方法的特点是检测精度高、下限低，但是存在采样复杂、检测仪器昂贵、测试周期长等缺点，不能满足人们及时了解污染信息并采取适当措施降低危害风险的要求。因此，对体育场馆室内甲醛气体进行实时、灵敏而准确的分析迫切需要操作简单、选择性好、携带方便的气体传感器。基于半导体金属氧化物的气体传感器具有操作简单、选择性好、携带方便等优点，恰好满足了室内空气中有毒有害气体检测的要求。

3 金属氧化物半导体甲醛气体传感器的研究概况

最被大家普遍认可的半导体金属氧化物气体传感器的敏感机理是被检测的气体分子与作为敏感材料的半导体金属氧化物表面接触后，与吸附在金属氧化物表面的氧负离子发生化学反应而导致氧化物的电导性发生变化，根据电导或电阻的变化及程度来确定被检测气体的种类和浓度[14]。所以说，气敏反应是发生在敏感材料固体表面、涉及气体吸附-脱附以及电子转移的物理化学反应，从某种意义上讲，半导体金属氧化物就是促使气敏反应发生的固体催化剂，其性能的优劣直接影响到气体传感器的实际应用检测。基于金属氧化物半导体的甲醛气体传感器敏感材料的主要制备方法包括静电纺丝法、溶胶-凝胶法和牺牲模板法等。另外，对气敏材料进行表面修饰，利用物理或化学的方法改变材料的表面结构和状态，以改善材料诸如分散性、表面活性、材料与其他物质之间的相容性等物理性能，最终可以达到提高材料的气敏性能的目的。

文献[15-16]采用溶胶-凝胶工艺制备了纳米SnO2纳米纤维，并通过TiO2对基底材料SnO2进行表面修饰，得到了具有高选择性及高灵敏度的甲醛传感器。胡明江等[17]采用静电纺丝技术制备SnO2-In2O3复合纳米纤维，在350℃时对甲醛有较好的敏感响应，为内燃机排气中甲醛浓度的准确监测和控制提供了较为理想的器件。Wang等[18]采用静电纺丝技术合成了Ag掺杂In2O3的纳米纤维材料，当Ag掺杂比例为ω=8%时，所得复合材料对甲醛表现出很好的响应恢复特性和较好的稳定性。

微纳米分级结构兼备微米尺度和纳米尺度效应，也是改善气敏性能的一条有效途径。Liu等[19]制备的ZnO纳米棒表面生长了大量密集的针状分枝，呈明显的分级结构。将此分级结构制成气敏元件，以典型的室内空气污染物甲醛为目标气体，对材料的气敏性能进行了系统研究。在相同的测试条件下，发现对比光滑的纳米棒结构，对相同浓度的被测气体甲醛，基于分级结构ZnO纳米棒的气体传感器不但灵敏度更高，且响应和恢复时间更短。

4 甲醛气体传感器的研究发展方向

1.高质量半导体气体传感器的灵敏度和选择性主要取决于敏感材料的性质与器件结构。因此，可以从材料的角度入手，利用材料设计思想和信息处理技术的融合研制灵敏度高、选择性好、稳定可靠的便携式、高性能半导体气体传感器，实现室内体育场馆空气质量的实时监控。

2.基于简单金属氧化物的气体传感器很难满足作为完美的气体传感器的要求。一般来说，一种简单金属氧化物可以对很多种气体都有响应，那么造成的结果就是传感器具有较差的选择性。目前改善传感器选择性的主要方法为选择性修饰半导体气敏材料。对半导体金属氧化物进行表面修饰，可以改变其能带结构，同时增大载流子浓度，降低工作温度最终提高材料气敏性能。

3.贵金属纳米颗粒可作为电子捕获和气体吸附的活性位点，将其修饰在气敏材料的表面，能够提高载流子的传输、加快气体吸附-脱附速率。使用贵金属对敏感材料进行表面修饰能够有效提高材料的选择性和灵敏度。

5 结语

室内体育场馆是人们运动和健身的主要场所，其空气质量直接影响着人们的健康和健身的效果。基于金属氧化物半导体的气体传感器能够实现对室内体育场馆空气污染物甲醛的检测。而且随着纳米技术、敏感薄膜形成技术等新材料技术的成功应用，灵敏度、精确度、稳定性更高的气体传感器会促使室内体育场馆空气监测系统向更精准、更全面的方向发展。

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Application of gas sensors in the detection of formaldehyde in indoor gymnasium

Li Ye1,Liu Yan-li2*
（1.College of Physical Education,Hunan University,Changsha 410082,China）
（2.College of Materials Science and Engineering,Hunan University,Changsha 400082,China）

Base on analyzing the infraction to people health and main source of formaldehyde pollution in indoor gymnasium,this paper discussed the methods to detect formaldehyde and summarized the current research status of the gas sensors based on metal oxide semiconductors.Some suggestions to improve the comprehensive performance of the sensors were also given.This research has very important reference value for the gas sensors to be used in the detection of formaldehyde in indoor gymnasium.

formaldehyde;gas sensor;indoor gymnasium;air pollution

国家自然科学基金资助项目(61404046)；湖南省科技计划项目（2014GK3093）；湖南大学中央高校基本科研业务费专项基金（531107040415）

*通信联系人，E-mail:yanliliu@hnu.edu.cn