تاریخ مقــاله : ۱۳۹۷/۰۶/۲۴
تعدا بازدیـــد : ۱۳۱

پایش آلودگی هوا توسط حسگرهای قابل حمل و حساس

پایش آلایندگی های محیطی نانوحسگرها و نانوعملگرها

آلودگی هوا سبب ایجاد هزین­ه های سنگین در زمینه­ اقتصاد و سلامت است و تقریبا باعث مرگ 7 میلیون نفر در سال به ارزش 225 میلیون دلار در جهان در سال 2013 بنا بر گزارش سازمان جهانی سلامت(WHO) و بانک جهانی شده است. علیرغم چنین تاثیراتی، میزان آلودگی هوا همچنان رو به افزایش است و 92% از مردم جهان در محیط هایی زندگی می ­کنند که در آن­ها دستورالعمل کیفیت هوایی سازمان جهانی سلامت برآورده نمی­ شود. در آمریکا، آژانس حفاظت از محیط زیست (EPA)، شش معیار آلاینده هوا را تعیین می­ کند که یکی از آن­ها آلودگی ذرات معلق (PM) است. در حال حاضر حسگرهای قابل حمل برای ذرات با قطر زیر 2.5 میکرومتر که به عنوان ذرات PM2.5 شناخته می­ شوند، وجود دارد، در حالی­ که تا کنون پیشرفت قابل ملاحظه­ ای در حسگرهای فشرده برای آشکارسازی ذرات بسیار کوچک زیر 100 نانومتر وجود نداشته است. ذرات بسیار ریز، توسط آژانس حفاظت از محیط زیست آمریکا کنترل و طبقه ­بندی نشده­ ا ند و به دلیل سایز بسیار کمی که دارند می­ توانند به طور مستقیم وارد ریه­ ها و مغز شده و منجر به سرطان و آلزایمر شوند. منبع اصلی ذرات بسیار ریز مربوط به موتور وسایل نقلیه، احتراق و فرآیندهای صنعتی است. علیرغم تغییرات منطقه­ ای در سطح آلودگی هوا از نوع ذرات ریز و فوق ریز، سیستم­های پایش هوا برای شهرهایی با جمعیت 1000000 نفر یا حتی  بیشتر، بسیار کم و با فاصله از هم و در حدود 2 تا 3 ایستگاه است. مضاف بر این­که سیستم­های پایش کنونی، همان­طور که از قسمت (الف) شکل زیر نیز مشخص است بسیار بزرگ هستند و بنابراین هزینه­ های زیادی از 6000 تا 36000 دلار آمریکا برای نصب آن­ها وجود دارد. همچنین این سیستم­ ها می­ توانند تحت تاثیر فاکتورهای منطقه ­ای مانند نزدیکی به درختان قرار گیرند که در نتیجه اندازه­ گیری­های آن­ها ممکن است نشان دهنده کیفیت هوای آن منطقه نباشد. بنابراین نیاز به سیستم­های پایش کم ­هزینه، قابل حمل، حساس و کوچک که قابلیت پایش محیطی مداوم، طولانی مدت و واقعی را داشته باشند، کاملا حس می­ شود.

ایستگاه­های ثابت پایش هوا نسبت به سیستم­های قابل حمل، داده­ های تشخیصی دقیق­تری را ارائه می­کنند. همان­طور که از قسمت (ب) در شکل زیر مشخص است گروه Yun-Feng Xiao’s از دانشگاه  Peking، حسگرهای فیبر نوری مارپیچ حساس با ابعاد نانویی تولید کرده­ اند که در محیط باز کار می­ کند. این حسگر توانایی شمارش و اندازه­ گیری ذرات کوچکتر از 100 نانومتر را داراست. این قطر ذرات، در واقع آستانه­ تعیین ذرات بسیار ریز را بیان می ­کند. حسگر Xiao’s دارای قدرت تفکیک و وضوح اندازه گیری 10 نانومتر است که تایید کننده­ این حقیقت است که این رهیافت احتمالا می ­تواند برای حسگری ذرات کوچک­تر از 100 نانومتر استفاده شود. به دلیل میزان نوری  از نانو فیبرکه با ذره برهم­کنش می نماید، اندازه­ ذرات بزرگتری که توسط حسگر تشخیص داده می­ شوند حدود تقریبا 1 میکرومتر خواهد شد. این محدوده­ تشخیص، آشکارسازی گستره­ و  وسیعی از ذرات PM1.0 را شامل می­شود. این گروه نشان داده­اند که این تعداد، با غلظت ذرات PM2.5 در آزمایش­های تجربی در ارتباطند.

zpn9_article2.png

(الف) تصویری از یک ایستگاه پایش هوا در توسان آریزونا. (ب) یک نانوفیبر مارپیچی فشرده که قادر به آشکارسازی ذرات زیر 100 نانومتر در یک دوره­ یک ماهه است. (ج) سیستم پایش آلودگی هوای پوشیدنی که  می ­تواند قسمتی از بازو یا ساعت هوشمند باشد.

 

حسگر نانو فیبر نوری مارپیچی، غلظت ذرات را با پایش کردن مرحله به مرحله­ توان اپتیکی ذرات ورودی­ ای که از فیبر عبور می­ کنند، اندازه می­ گیرد. تغییرات در توان می­ تواند به سایز ذرات ورودی به فیبر با استفاده از تئوری پراکندگی ریلی-گنز مربوط باشد. این پیکربندی مارپیچی نانوفیبر به افزایش ناحیه­ گیراندازی حسگر کمک می­کند. همچنین، حسگر Xiao’s جهت آشکارسازی و شمارش تعداد ذرات با گستره­ سایز داده شده (PM2.5, PM1.0 و غیره) قادر خواهد بود اطلاعاتی با سایز بسیار دقیق ذرات ارائه نماید که م ی­تواند ارتباط بین ترکیبات آلودگی و خطرات بهداشتی را ارتقا داده و مقررات زیست محیطی آینده را اطلاع دهد.

این حسگر برای پایش ذرات معلق در یک دوره­ یک ماهه در پکن مورد استفاده قرار گرفته است که داده­ های آن منطبق بر داده­ های رسمی مرکز پایش محیط زیست شهری پکن است. این موضوع بیان کننده­ این است که این حسگر می­ تواند در پایش­ های دراز مدت و واقعی استفاده شود. در این آزمایشات، اندازه­ گیری­ها هر چند ساعت یکبار انجام شده است. برخلاف سایر سیستم­های حسگری ذرات، حسگر Xiao’s به لیزر قابل تنظیم نیازی ندارد و بنابراین این سیستم را به یک سیستم ارزان­ تر و قابل حمل­ تر تبدیل می­ کند. تکنولوژی پایش آلودگی هوا در آینده شامل آرایه های حسگری ارزان­، حساس، با قابلیت تشخیص نمونه­ های شیمیایی خاص و قابل حمل خواهد بود که یا پوشیدنی هستند و یا قابلیت اتصال به زیرساخت­های موجود را دارا می­باشند (قسمت ج شکل). زمانی­ که چنین حسگرهایی با هم استفاده شوند، می ­توانند یک شبکه­ هشدار اولیه را از طریق نقشه "انباشت جمعیت" از سطح آلودگی در فضای باز ایجاد کنند. این حسگرها مصرف توان پایینی دارند و قادرند پایش­ های پیوسته، طولانی مدت و زنده­ ای از اندازه­ گیری آلودگی­ها را در محیط­ انجام دهند. همچنین ملاحظاتی مانند ذخیره ­سازی اطلاعات، مدیریت، انتشار و حریم خصوصی نیز باید در نظر گرفته شود. این حسگرها می ­توانند اطلاعات فراوانی در مورد کیفیت هوای محلی مانند اطلاعاتی درباره­ استفاده­ مواد شیمیایی خانگی یا آلودگی هوای داخل کابین­ های مسافربری در اختیار قرار دهند. اطلاعات به دست آمده می­ توانند به شاخص­ های سلامت، متصل شده و به سرعت برای اطلاع ­رسانی به عموم در مورد خطر ابتلا به بیماری­ هایی مانند آسم، برونشیت، سرطان و آلزایمر به کار گرفته شوند.   







نظرات

نـام و نام خانوادگی
پست الکترونیک
نظر شما
کد امنیتی (حروف بزرگ)