濃度單位ppm與(yu) mg/m3的換算公式：

 
      質量濃度mg/m3=M氣體(ti) 分子量/22.4*ppm數值*[273/(273+T氣體(ti) 溫度)]*（Ba壓力/101325）

      人類文明的度發展造成的環境破壞是21世紀所麵臨(lin) 的個(ge) 嚴(yan) 肅而尖銳的問題。為(wei) 了自身的生存發展，對大氣環境中汙染物的排放進行嚴(yan) 格控製成為(wei) 全人民的共同呼聲。因此，開發有效的氣體(ti) 檢測設備已成為(wei) 當務之急。
      目前，人們(men) 對氣體(ti) 的檢測手段主要方法有以下幾種[1]：熱導分析（常用於(yu) 氣相色譜分析）、磁式氧分析、電子捕獲分析、紫外吸收分析、光纖傳(chuan) 感器、半導體(ti) 氣敏傳(chuan) 感器、化學發光式氣體(ti) 傳(chuan) 感器、化學分析、電化學式傳(chuan) 感器。在眾(zhong) 多的分析設備中，些設備，如化學發光式氣體(ti) 分析儀(yi) 等，雖然具有檢測靈敏度、準確性強等點，但由於(yu) 體(ti) 積龐大，不能用於(yu) 現場實時監測，而且價(jia) 格昂貴，超出般檢測用戶的承受能力，所以其應用受到很大限製；其它些分析設備，如半導體(ti) 氣敏傳(chuan) 感器（如SnO2，ZnO等）[2-4]，靈敏度雖然比較，但穩定性較差，工作溫度大數在300℃以上，需要加熱裝置，般隻能用作報警器。相對而言，電化學式傳(chuan) 感器既能滿足般檢測中對靈敏度和準確性的需要，又具有體(ti) 積小、操作簡單、攜帶方便、可用於(yu) 現場監測且價(jia) 格低廉等點，所以，在目前已有的各類氣體(ti) 檢測設備中，電化學傳(chuan) 感器占有很重要的地位。
       
      二、電化學式氣體(ti) 傳(chuan) 感器的分類
      電化學式氣體(ti) 傳(chuan) 感器是種化學傳(chuan) 感器，按照工作原理，般分為(wei) 下麵幾種類型：
          （1）在保持電和電解質溶液的界麵為(wei) 某恒電位時，將氣體(ti) 直接氧化或還原，並將流過外電路的電流作為(wei) 傳(chuan) 感器的輸出；
          （2）將溶解於(yu) 電解質溶液並離子化的氣態物質的離子作用於(yu) 離子電，把由此產(chan) 生的電動勢作為(wei) 傳(chuan) 感器輸出；
          （3）將氣體(ti) 與(yu) 電解質溶液反應而產(chan) 生的電解電流作為(wei) 傳(chuan) 感器輸出；
          （4）不用電解質溶液，而用有機電解質、有機凝膠電解質、固體(ti) 電解質、固體(ti) 聚合物電解質等材料製作傳(chuan) 感器。
          表1匯集了正在實用化的電化學氣體(ti) 傳(chuan) 感器的種類、檢測原理與(yu) 性能。
      三、各種傳(chuan) 感器的工作原理及研究進展
      （1）恒電位電解式氣體(ti) 傳(chuan) 感器
      恒電位電解式氣體(ti) 傳(chuan) 感器的原理是：使電與(yu) 電解質溶液的界麵保持定電位進行電解，通過改變其設定電位，有選擇的使氣體(ti) 進行氧化或還原，從(cong) 而能定量檢測各種氣體(ti) 。對特定氣體(ti) 來說，設定電位由其固有的氧化還原電位決(jue) 定，但又隨電解時作用電的材質、電解質的種類不同而變化。電解電流和氣體(ti) 濃度之間的關(guan) 係如下式表示：
      I=(nFADC)/δ                         （1）
         
      式中，I—電解電流；n—每1mol氣體(ti) 產(chan) 生的電子數；F—法拉第常數；A—氣體(ti) 擴散麵積；D—擴散係數；C—電解質溶液中電解的氣體(ti) 濃度；δ—擴散層的厚度。
          在同傳(chuan) 感器中，n、F、A、D及δ是定的，所以電解電流與(yu) 氣體(ti) 濃度成正比。
      自50年代出現Clark電以來，控製電位電化學氣體(ti) 傳(chuan) 感器在結構、性能和用途等方麵都得到了很大的發展[5]。外有關(guan) 這方麵的報道大量出現在70年代，70年代初，市場上就有了SO2檢測儀(yi) 器。以後，又先後出現了CO、CH3COOH、NXOY(氮氧化物)、H2S檢測儀(yi) 器等產(chan) 品[6-10]
      。這些氣體(ti) 傳(chuan) 感器靈敏度是不同的，般是H2S>NO>NO2>SO2>CO，響應時間般為(wei) 幾秒至幾十秒，大多數小於(yu) １min[9、12]；它們(men) 的壽命相差很大，短的隻有半年，而美General
      Electric
      公司生產(chan) 的CO監測儀(yi) 實際壽命已近10年。影響這類傳(chuan) 感器壽命的主要因素為(wei) ：電受淹、電解質幹枯、電催化劑晶體(ti) 長大、催化劑中毒和傳(chuan) 感器使用方式等
      [13] 。　　
      以CO氣體(ti) 檢測為(wei) 例來說明這種傳(chuan) 感器的結構和工作原理。其基本結構如圖1所示[14]，在容器內(nei) 的相對兩(liang) 壁，安置作用電和對比電，其內(nei) 充滿電解質溶液構成密封結構，再在作用電和對比電之間加以恒定電位差而構成恒壓電路。透過隔膜（多孔聚四氟乙烯膜）的CO氣體(ti) ，在作用電上被氧化，而在對比電上O2被還原，於(yu) 是CO被氧化而形成CO2。此時，作用電和對比電之間的電流就是(1)式的I，根據此電流值就可知CO氣體(ti) 的濃度。這種方式的傳(chuan) 感器可用於(yu) 檢測各種可燃性氣體(ti) 和毒性氣體(ti) ，如H2S
      、NO、NO2、SO2、HCl、Cl2、PH3 等。
       （2）伽伐尼電池式氣體(ti) 傳(chuan) 感器
      伽伐尼電池式氣體(ti) 傳(chuan) 感器與(yu) 上述恒電位電解式樣，通過測量電解電流來檢測氣體(ti) 濃度。但由於(yu) 傳(chuan) 感器本身就是電池，所以不需要由外界施加電壓。這種傳(chuan) 感器主要是用於(yu) O2的檢測，檢測缺氧的儀(yi) 器幾乎都使用這種傳(chuan) 感器。適用於(yu) 恒電位電解式氣體(ti) 傳(chuan) 感器的電解電流與(yu) 氣體(ti) 濃度的關(guan) 係式(1)也適用於(yu) 這種傳(chuan) 感器。
      以O2檢測為(wei) 例來說明這種傳(chuan) 感器的構造和原理。其基本結構如圖2所示[15]，在塑料容器內(nei) 的側(ce) 安置厚10μm～30μm的透氧性好的PTFE（聚四氟乙烯）膜，靠近該膜的內(nei) 麵設置陰(Pt、Au、Ag等)，在容器中其它內(nei) 壁或容器內(nei) 空間設置陽(Pb、Cd等離子化傾(qing) 向大的賤金屬)，用KOH、KHCO3作為(wei) 電解質溶液。檢測較濃度（1～）的O2時，可以用PTFE膜；而檢測低濃度(數ppm～數百ppm)氣體(ti) ，則用多孔聚四氟乙烯。通過隔膜的O2，溶解於(yu) 隔膜與(yu) 陰之間的電解質溶液薄層中，當此傳(chuan) 感器的輸出端接上具有定電阻的負載電路時，在陰上發生氧氣的還原反應，在陽進行氧化反應，陽的鉛被氧化成氫氧化鉛(部分進而被氧化成氧化鉛)而消耗，因此，負載電路中有電流流動。此電流在負載電路的兩(liang) 端產(chan) 生電壓變化，將此電壓變化放大則可表示濃度。影響此類傳(chuan) 感器壽命的主要因素是Pb負的鈍化和電解液蒸發，日本的藤田雄耕和丁藤壽士在如何提伽伐尼電池氧傳(chuan) 感器的使用壽命方麵做了大量的工作[16-17]，關(guan) 貞道及小林長生也在傳(chuan) 感器的性能上進行詳細的研究[18-19]，檢測其它各種氣體(ti) 的伽伐尼電池式氣體(ti) 傳(chuan) 感器也正在實用化。

      （3）離子電式氣體(ti) 傳(chuan) 感器
      離子電式氣體(ti) 傳(chuan) 感器的工作原理是：氣態物質溶解於(yu) 電解質溶液並離解，離解生成的離子作用於(yu) 離子電產(chan) 生電動勢，將此電動勢取出以代表氣體(ti) 濃度。這種方式的傳(chuan) 感器是由作用電、對比電、內(nei) 部溶液和隔膜等構成的。
      現以檢測NH3傳(chuan) 感器為(wei) 例說明這種氣體(ti) 傳(chuan) 感器的工作原理,。其基本結構如圖3示，作用電是可測定pH值的玻璃電，參比電是Ag/AgCl電，內(nei) 部溶液是NH4Cl溶液。NH4Cl離解，產(chan) 生銨離子NH4+，同時水也微弱離解，生成氫離子H+，而NH4+與(yu) H+保持平衡。根據能斯特（Nernst）方程，H+濃度產(chan) 生的電動勢E可用下式表示：
      
       [H+]                （2）
          式中，E0—電池的標準電動勢；R—熱力學參數；T—溫度；[H+]—氫離子濃度。
         
      將傳(chuan) 感器放入NH3中，NH3將透過隔膜向內(nei) 部浸透，[NH3]增加，而[H+]減少，即pH值增加。通過玻璃電檢測此pH值的變化，就能知道NH3濃度。除NH3外，這種傳(chuan) 感器還能檢測HCN(氰化氫)、H2S、SO2
      、CO2等氣體(ti) [20-21]。
      （4）電量式氣體(ti) 傳(chuan) 感器
      電量式氣體(ti) 傳(chuan) 感器的原理是：被測氣體(ti) 與(yu) 電解質溶液反應生成電解電流，將此電流作為(wei) 傳(chuan) 感器輸出來檢測氣體(ti) 濃度，其作用電、對比電都是Pt電。
      現以檢測Cl2為(wei) 例來說明這種傳(chuan) 感器的工作原理。將溴化物MBr（M是價(jia) 金屬）水溶液介於(yu) 兩(liang) 個(ge) 鉑電之間，其離解成Br-，同時水也微弱地離解成H+，在兩(liang) 鉑電間加上適當電壓，電流開始流動，後因H+反應產(chan) 生了H2，電間發生化，電流停止流動。此時若將傳(chuan) 感器與(yu) Cl2接觸，Br-被氧化成Br2，而Br2與(yu) 化而產(chan) 生的H2發生反應，其結果，電部分的H2被化解除，從(cong) 而產(chan) 生電流。該電流與(yu) Cl2濃度成正比，所以測量該電流就能檢測Cl2濃度。除Cl2外，這種方式的傳(chuan) 感器還可以檢測NH3、H2S等氣體(ti) [21-22]。
      日本近開發出電量式Cl2傳(chuan) 感器，通過試驗證明，該產(chan) 品測定範圍為(wei) 0mg/m3～30mg/m3，且有應答速度快，穩定性和再現性好等點[23]。
       （5）濃差電池式氣體(ti) 傳(chuan) 感器
      濃差電池式氣體(ti) 傳(chuan) 感器是基於(yu) 固體(ti) 電解質產(chan) 生的濃差電勢來進行測量的，其基本結構如圖4所示[15]。利用能斯特公式可得其濃差電勢大小為(wei) ：
                            （3）
      式中，E—傳(chuan) 感器濃差電勢； Po2(I)—氣體(ti) 參比氧分壓值；Po2(II)—氣體(ti) 被測氧分壓值。
      濃差式ZrO2氧傳(chuan) 感器是比較成熟的產(chan) 品，已被廣泛應用於(yu) 許多域，特別是汽車發動機的空燃比控製中[24]。
        
      四、發展方向
      上述的傳(chuan) 感器大都是以水溶液作為(wei) 電解質溶液的，它存在以下幾點問題：
          （1）、電解液的蒸發或汙染常會(hui) 導致傳(chuan) 感器信號衰降，使用壽命短（般來說，電化學傳(chuan) 感器的壽命隻有年左右，長不過兩(liang) 年）；
          （2）、催化劑長期與(yu) 電解液直接接觸，反應的有效區域，即氣、液、固三相界麵容易發生移動，會(hui) 使催化活性降低；
          （3）、在幹燥的氣氛中，特別是在通氣條件下，傳(chuan) 感器中的電解液很容易失水而幹涸，致使傳(chuan) 感器失效；
          （4）、存在漏液、腐蝕電子線路等問題；
          （5）、為(wei) 了保證傳(chuan) 感器有定的使用壽命，電解液的用量不能太少，因此限製了該類傳(chuan) 感器的微型化。
      為(wei) 了避免由於(yu) 水溶液電解液引起的上述問題，人們(men) 將注意力轉向固體(ti) 電解質。目前已有有機凝膠電解質氣體(ti) 傳(chuan) 感器、固體(ti) 聚合物電解質氣體(ti) 傳(chuan) 感器等產(chan) 品問世。
      有機凝膠是在有機電解質中摻雜無機鹽類，使電導率得到改善的類電解質。用其製作的傳(chuan) 感器可在常溫下工作，但氣體(ti) 在電的吸附脫附速度較慢，達90%響應的響應時間需數分鍾，而且還存在著與(yu) 濃度氣體(ti) 接觸次，輸出需長時間才能回零等缺點。這種傳(chuan) 感器除能檢測硫化氫外，還能檢測HCN、NO2、COCl2（光氣）等氣體(ti) 。
      固體(ti) 電解質即為(wei) 固體(ti) 聚物電解質（SPE）[1]，近20年來，在際範圍內(nei) 對該類電解質進行了廣泛的研究，並且在化學工業(ye) 電解、化學電源、化學修飾電、電化學傳(chuan) 感器等不同的域得到了廣泛的應用。其中美杜邦公司生產(chan) 的Nafion膜（全氟磺酸離子交換膜），被普遍認為(wei) 是好的種H+離子導電膜。但初，利用Nafion膜製成的這類傳(chuan) 感器的性能很不穩定，並且Nafion膜在電流流過和溫度變化等條件下會(hui) 產(chan) 生膨脹或收縮，逐漸受到破壞，膜上的催化劑發生脫落，可薄層固體(ti) 電解質的加入，使這類傳(chuan) 感器的結構和性能發生了本質的變化。現在，它已深受研究人員的重視，研究新代的固體(ti) 電解質氣體(ti) 傳(chuan) 感器也已成為(wei) 電化學傳(chuan) 感器研究的熱點。武漢大學利用Nafion膜開發研製了全固態控製電位電解型氧傳(chuan) 感器。該傳(chuan) 感器以Nafion膜代替電解液作支持電解質，但由Nafion膜的導電能力受水分影響很大，所以傳(chuan) 感器在實際工作中受到環境濕度的製約，隻能在32%～96%濕度範圍內(nei) 工作，對環境要求苛刻，不能實現應用的目的。有人為(wei) 解決(jue) Nafion膜的導電能力對水分的依賴問題，在傳(chuan) 感器設計中加了個(ge) 水箱，用以調節傳(chuan) 感器工作所需的濕度條件，這顯然不利於(yu) 傳(chuan) 感器的微型化。中科學院長春應用化學研究所近些年開展了以Nafion膜和摻雜了強酸的聚苯並咪唑（PBI）膜以及聚苯乙烯陰離子交換膜作為(wei) 電解質的半固態、全固態控製電位電解型CO[25]或O2[26]等氣體(ti) 傳(chuan) 感器的研究，並取得了較好的結果。
  對環境大氣（空氣）中汙染物濃度的表示方法有兩(liang) 種：
    1、質量濃度表示法：每立方米空氣中所含汙染物的質量數，即mg/m3
    2、體(ti) 積濃度表示法：百萬(wan) 體(ti) 積的空氣中所含汙染物的體(ti) 積數，即ppm

   大部分氣體(ti) 檢測儀(yi) 器測得的氣體(ti) 濃度都是體(ti) 積濃度（ppm）。而按我規定，特別是環保部門，則要求氣體(ti) 濃度以質量濃度的單位（如：mg/m3）表示，我們(men) 的標準規範也都是采用質量濃度單位（如：mg/m3）表示。

  這兩(liang) 種氣體(ti) 濃度單位mg/m3與(yu) ppm有何關(guan) 係呢？其間如何換算？

使用質量濃度單位（mg/m3）作為(wei) 空氣汙染物濃度的表示方法，可以方便計算出汙染物的真正量。但質量濃度與(yu) 檢測氣體(ti) 的溫度、壓力環境條件有關(guan) ，其數值會(hui) 隨著溫度、氣壓等環境條件的變化而不同；實際測量時需要同時測定氣體(ti) 的溫度和大氣壓力。而在使用ppm作為(wei) 描述汙染物濃度時，由於(yu) 采取的是體(ti) 積比，不會(hui) 出現這個(ge) 問題。

濃度單位ppm與(yu) mg/m3的換算公式：

 
質量濃度mg/m3=M氣體(ti) 分子量/22.4*ppm數值*[273/(273+T氣體(ti) 溫度)]*（Ba壓力/101325）

M為(wei) 氣體(ti) 分子量，ppm為(wei) 測定的體(ti) 積濃度值，T為(wei) 溫度、Ba為(wei) 壓力。