氨气的来源及RBT-6000-ZLGM氨气气体探测器的应用

  现在空气中的氨气除了部分来源于自然界,另外有很多来源于人工制造,例如:人类新陈代谢过程,化学工业中的化肥生产和冷却系统。通过和这些不同领域氨气浓度程度有关的总结调查了应用于不同领域的气态氨分析仪。讨论了应用在农业、化学工业、环境、汽车、医学行业中的氨气传感器装置。

1氨气的来源

  氨气是现在大气层中普遍存在的一种气体。现在空气中的氨气浓度相对较低,低于1ng/kg,而史前的氨气浓度相对比较高,4.5亿年前,当星际尘埃形成太阳、太阳系乃至整个银河系时,较大的行星有足够大的引力将剩余的气云拉向自己,形成了带有大量气体的星球,像地球这样较小的星球形成了带有少量气体的岩石星球。在3.8到4.1亿年前,早期的地球形成了由带有较高浓度的甲烷、氨气、氢气和氦气组成的化学还原性大气层。随着时间的流逝,早期大气层的大部分成分消失在太空中,剩余的部分被新形成的大气冲淡,形成新的大气层。这个新的大气层主要是由下列挥发性的物质组成:氮气、水蒸气、二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氨气、氯化氢和地球表面的火山喷发出来的气态硫。

  地球表面变冷、稳定,形成带有岩石地形的固体表面。地球中的水蒸汽开始变冷产生大量的雨水形成了早期的海洋。化学还原性大气层和大量的液态水混合起来产生了地球上生命产生的条件。氨气可能是这个过程中非常重要的成分。现在大气层中的氨气大部分是由人类的活动直接或间接释放出来的。1980年,根据欧盟环境和生活质量委员会监测,全球的氨气排放量为每年20～30t。

本文总结了现代三种主要氨气来源。虽然地球的大气中几乎80%都是氮气,但是大部分氮气是无法被植物吸收和利用的。大气中的氮气通过两种自然途径进入生态系统,这两种途径被称之为硝化作用。第一个途径是铵盐和硝酸盐的直接沉积,这些微尘在雨水中以可溶物或微尘的形式进入到土壤中。在农业方面,大量的铵盐以化肥的形式加入到农田里。当过量的铵盐加入到土壤中时会导致土壤酸化、富养化,改变了植被,并提高了大气层中的氨气含量。第二个途径是细菌固氮作用。很多种细菌都可以固氮,他们将多余的氨气释放到环境中。由于大部分土壤是轻微酸性,这种大部分氨气转化为铵离子。这种固氮作用使世界上氨气释放量大约每年增加1t。整个氮循环中的大部分氮来源于氨化和动植物的一系列新陈代谢活动,释放出来的铵离子和气态氨再一次被细菌转化为亚硝酸盐和硝酸盐。

氨的第三种来源是燃烧、化学工业和汽车的使用。生产化肥的化学工业和制冷系统的应用都产生氨。燃烧产生的全部氨每年大约2.1～8.1t。还有较小数量的氨来源于海洋。通常海洋接受氨,但有时又释放氨。海洋释放氨是由于以铵离子形式存在的氨在碱性雨水存在下转化成气态的氨。

2、RBT-6000-ZLGM氨气气体探测器的应用

  有很多种方法可以检测氨气。因为氨气有很刺鼻的气味,所以检测高浓度的氨气很容易。在接近施肥完毕的农田时,氨气很难闻。而且,高浓度氨气对健康是一种严重的威胁。相对于其他刺鼻性气体,人类的鼻子对氨气很敏感。对于定量的测定氨气的浓度或测定较低浓度的氨气,人类的鼻子就无能为力了。然而在很多情况下还是要检测氨气的浓度,即使空气中存在低于1ng/kg的浓度。本章节主要集中在与测量氨气浓度有关的四个重要方面:环境、自动化、化学工业和医学诊断。铵盐溶胶的形成。硫酸和硝酸在空气中与氨气反应生成硫酸铵和硝酸铵。这些盐凝结成核形成几纳米大小的尘埃颗粒。因此,氨气可以减小空气中酸的浓度。这些氨气凝胶具有反光的作用,在大城市或工业区上方会经常看到凝胶。这些烟雾具有降低温度的作用,但是由于温室效应引起的全球变暖,降低温度的效果影响很弱。

  在农田里氨气的浓度比较高,达到10mg/kg。大气层中氨气的浓度很低,在海洋上空甚至低到1μg/kg的浓度。为了检测这些低浓度氨气就需要检测限为1μg/kg或更低浓度的很精确地氨气传感器。

2.1RBT-6000-ZLGM氨气气体探测器汽车工业中的应用

   在汽车工业中有三个原因要检测大气污染。第一,监测废气是因为汽车尾气是城市污染的重要组成部分。例如,氨废气和继发性空气中的颗粒污染有关,如在前面提到过的硝酸铵和硫酸铵悬浮微粒。铵溶胶达到微粒浓度的17%,小于2.5μm。测出氨废气在排出的废气中为20mg/s。汽车工业对像氨气这样的空气污染感兴趣的第二个原因是控制乘客隔间里的空气质量。现代的汽车都装有空气控制系统,这个系统控制着汽车内的空气温度和湿度。新鲜的空气可以从车外进入或者由车内的空气循环制成。当车外的空气质量很差时,像在火堆或者工厂附近带有烟的空气,系统就很难从车外接收新鲜空气。对于室内空气质量监测装置,检测限应该低于约50mg/kg。此外,对于这个应用主要是传感器反应要快。在质量差的空气进入车内时进气阀应关闭,要求响应时间为1s。氨气传感器应用的第三个原因是柴油机内氮氧化合物的减少。现代柴油机有着很高的气油比,这导致了在废气中还有过量的氧气,大量的一氧化氮和二氧化氮。根据等式(1),因此,将氨气注入到废气系统,在传输接口转换器使用选择性催化可以非常明显的减少使氮氧化合物浓度。4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O(1)注入过多的氨气会被排放到空气中增加污染,这被称为滑氨。当注入氨气的浓度非常精确时,注入的氨气量可充分被消耗。现在使用的传感器检测限<10mg/kg[19],响应时间约为1min。由于检测是在排气管中,所以RBT-6000-ZLGM氨气气体探测器应该能承受较高的温度。

2.2RBT-6000-ZLGM氨气气体探测器化工业中的应用

  化学生产氨的主要方法是哈伯法。德国科学家弗里茨哈伯在1904年开始研究生产氨。氨气是由氮气和氢气在高温500℃和约300kPa的压力下使用多孔金属催化剂合成的。卡尔.博施把这个过程按照比例增大到工业比例水平,这个方法通常被称为弗里茨哈伯法。氨气的生产最初是来生产昂贵的硝酸。现在,人工制造的氨气大部分用来制造化肥和化学工业品。其他大部分氨气使用在冷却系统内。第一个冰箱内使用的就是氨气。几乎所有用于食品加工的冷却设备都使用氨气,因为它可以使冷却到零度以下[23-24]。第一个实用型的冰箱产于1834年,并在1860年商业化。它的工作原理是蒸汽压缩,基本原理是:汽化、压缩、冷凝、膨胀,现在仍然使用这个原理。由于化学工业、化肥工业和冷却系统使用的是纯氨,所以一旦氨气泄露就会造成致命的威胁。所有使用氨气的工厂都应该装有氨气浓度监测和警报系统,特别是在生产氨气工厂的生产车间内,RBT-6000-ZLGM氨气气体探测器在整个生产过程中应该能经受得住500℃的高温。生产车间允许的最高氨气浓度是20mg/kg。监测不需要很快的反应速度,几分钟的响应时间就已经足够了。

2.3RBT-6000-ZLGM氨气气体探测器的医学应用

   较高浓度的氨气对人体健康是一个威胁。人类嗅觉所能感知到的氨气最低浓度为约50mg/kg,相当于约每立方米40g。但是,低于这个浓度,氨气对于呼吸系统、皮肤和眼睛仍然具有刺激性。很多文献中认为人们可以工作的环境中氨气浓度为20mg/kg。当氨气浓度为500mg/kg时会立即对鼻子和喉咙造成严重的刺激。暴露在1000mg/kg或更高浓度的氨气中可能导致肺水肿,这个症状会持续24h直到症状严重:呼吸困难,胸闷。短时间暴露在高浓度氨气中会导致非常严重的、致命的长时间的呼吸系统和肺部疾病[29]。特别是高浓度的氨气:5000～10000mg/kg,致死时间为5～10min。长时间暴露在低浓度的氨气中不会引起长时间的健康问题。氨气在人体中不会积聚,因为它是人体自身产生的物质,来源于蛋白质和核酸的新陈代谢。胺以尿素和铵盐的形式通过尿液从人体中排泄出来,一部分胺通过汗腺离开人体。例如,医学机构对氨气的分析非常感兴趣,因为氨气分析可以用来检测人们呼出气体中的氨气量来进行病情诊断[30]。检测呼出气体中的氨气量能够很快的诊断肾病和幽门螺旋杆菌引起的胃溃疡。像这类应用,通常只需要几毫升的的气体就足够了,但是现在还没有合适的氨气呼吸分析仪。感染以后,细菌会穿透用来保护胃不受酸性胃液侵蚀的胃粘膜。细菌最显著地特点是产生尿素酶,它将尿素转化为胺和碳酸氢盐形成局部中性环境。免疫系统释放出抗体来对付这种感染。由于幽门螺旋杆菌隐藏在胃的保护层里面,所以它就不受这些因感染带来的免疫系统释放出来的抗体影响。将尿素转化为氨气和碳酸氢盐可以诊断幽门螺旋杆菌的感染。第一个方法是基于胃内二氧化碳的测量,可直接检测碳酸氢盐的浓度。不侵害式的方法是基于废气中二氧化碳和氨气浓度的测量。因为普通废气中二氧化碳的浓度相对较高,所以使用同位素标记的尿素。接下来,测量标记的二氧化碳浓度。结果非常好,但是这个测试费用太高,而且还需要放射性元素,这样就限制了它的应用。使用呼吸氨气分析仪会是一个比较合适的方法。很早的氨气分析仪能够测量废气中浓度为50ng/kg的氨气,包含二氧化碳浓度为3%。当测量废气时,使用的分析仪器的响应时间最多为几分钟,而且只需要很少量的待测气体。运动医学对人体血液内的氨气浓度也感兴趣。在活动中,人体产生氨气。当血液中的氨气浓度大于空气中的浓度时,氨气会从血液进入到肺中。氨气的浓度会随着活动量的增加而积聚。当测量积聚的氨气时,氨气浓度水平在0.1～10mg/kg之间[15]。

3结论

    通过对地球上气体中氨气的来源进行了总结,讨论了在人类新陈代谢过程、汽车工业、环境、医学行业、化学工业中的化肥生产和冷却系统中等都会产生了一定量的氨气排放到空气中。通过和这些不同领域氨气浓度程度有关的总结,调查了应用于不同领域的氨气分析仪。讨论了应用在农业、化学工业、环境、汽车、医学行业中的氨气传感器装置及其反应时间和最低测量浓度。