适用于中小型企业空气污染物连续监测的低成本传感器：长期性能研究

《Atmospheric Pollution Research》：Low-cost sensors for continuous emission monitoring of air pollutants at small and medium enterprises: A long-term performance investigation

低成本电化学传感器构建的CEMS在汽车涂装和塑料制造企业中进行了六个月性能评估，与标准CEMS对比显示其能捕捉污染物浓度时序变化，但低浓度时误差增大，需优化传感器设计。

　　

崔-Vuong Dinh | 李尚宇 | 朴秉圭 | 白大贤 | 金乔淳

韩国建国大学国际气候与环境研究中心，首尔05029

摘要

连续排放监测系统（CEMS）的投资和运营成本对中小企业（SMEs）来说可能是一个负担，这促使人们寻求成本更低的监测方法。因此，本研究调查了一种基于传感器的CEMS，该系统在汽车涂层和塑料制造设施中使用了低成本的电化学传感器。研究人员测量了六个月内一氧化碳（CO）、氮氧化物（NO_x）和二氧化硫（SO₂）的浓度，并将其与安装在相同烟囱上的标准CEMS进行了比较。通过回归分析、Bland–Altman分析、均方根误差（RMSE）、平均归一化误差（MNE）和平均归一化偏差（MNB）来评估其性能。回归分析显示，基于传感器的CEMS与标准CEMS之间存在强相关性，表明基于传感器的系统能够捕捉到排放量的时间变化。Bland–Altman分析表明存在系统偏差和浓度依赖性的一致性，在高浓度范围内偏差较大，而在低浓度范围内相对变异性增加。在整个监测期间，所有目标气体的RMSE均保持在2 ppmv以下，表明绝对差异有限。MNB始终为负值，表明基于传感器的CEMS测得的浓度倾向于低于参考系统。当浓度接近低ppm范围时，MNE有所增加（最高达到58%），而当浓度超过约5 ppmv时，MNE通常低于10%。这些结果表明，在典型的中小企业运营条件下，基于电化学传感器的CEMS能够再现排放量的时间趋势，并与标准CEMS保持有限的绝对差异。然而，当使用宽范围传感器时，其在亚ppm浓度范围内的定量准确性会下降。如果需要在亚ppm水平上进行精确量化，应考虑使用针对低浓度范围优化的传感器。

引言

监测工业烟囱排放的空气污染物对于保护公众健康和环境至关重要。工业排放物，包括二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NO_x）、一氧化碳（CO）和颗粒物，对空气污染有显著贡献，而空气污染与呼吸系统疾病、环境退化和气候变化有关。连续排放监测提供了必要的数据，以确保遵守环境法规并评估污染控制技术的有效性。因此，有效的监测系统对于监管机构和工业界来说都是必不可少的，以减少工业排放对空气质量的有害影响（Jahnke, 2000; Srivastava et al., 2024; US EPA, 2025, 1997）。

连续排放监测系统（CEMS）传统上用于监测大型工业源的空气污染物。这些系统依赖于抽取方法，即从烟囱中抽取排放物并使用气体分析仪进行分析（Jahnke, 2000; Srivastava et al., 2024; US EPA, 2025, 1997）。

流行的CEMS监测方法包括基于红外和激光吸收光谱的光学技术，这些技术被广泛认为是监管框架中的参考级方法（Jahnke, 2000; 韩国环境部, 2024; 国家环境研究所, 2014; 2024）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）是最早和最成熟的光学方法之一，用于空气污染测量，因为红外吸收光谱包含多种气体化合物的特征特征（Hanst, 1978）。据报道，当FTIR系统与长路径（长达数公里）吸收池结合使用时，可以在环境和源测量中实现对几种反应性和非反应性气体的ppb级检测。然而，实际应用需要较长的光学路径长度和复杂的光谱处理，以克服大气水蒸气的弱红外吸收和强光谱干扰，这在实际操作条件下通常占主导地位（Hanst, 1978）。

可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）是一种更有针对性的基于激光的技术，已广泛应用于环境和工业气体监测（Wang et al., 2006）。通过选择特定分子的孤立吸收线并采用调制技术以及多通气体室，TDLAS系统提供了高分子选择性、快速响应和相对简单的光谱解释（Wang et al., 2006）。TDLAS在温室气体监测中的应用已经证明了其对甲烷的亚ppm级灵敏度和对二氧化碳的ppm级检测能力，适用于长期环境测量，证实了它们在连续监测应用中的适用性（Wang et al., 2006）。这些特性表明，基于激光吸收的分析仪已成为许多监管和合规驱动监测环境中的标准仪器。

光声光谱是另一种重要的基于激光的气体监测技术。在光声系统中，吸收的光能被转换为声信号，即使光学路径长度有限也能实现灵敏的检测（Marinov and Sigrist, 2003）。移动式激光光声系统已成功用于现场监测与交通相关的排放物，包括氨、乙烯和二氧化碳，具有微秒级的时间分辨率，并与交通强度有很强的相关性（Marinov and Sigrist, 2003）。上述研究表明，光声光谱能够在实际条件下捕捉到快速的浓度波动。然而，必须通过系统设计和校准仔细管理极性分子的吸附-解吸效应以及共存气体的干扰，并应研究其在CEMS中的可行性。

最近，石英增强型光声光谱（QEPAS）作为一种改进的光声检测技术出现，它使用石英音叉作为共振声学换能器（Olivieri et al., 2025）。QEPAS系统已被证明对一氧化碳和一氧化二氮等气体具有高灵敏度和亚秒级的时间分辨率，能够实时监测车辆排气附近的瞬态排放事件（Olivieri et al., 2025）。紧凑的检测体积和对环境噪声的强抗干扰能力使得QEPAS特别适用于高分辨率排放研究，这类系统越来越多地补充了传统光学分析仪在先进监测应用中的作用（Olivieri et al., 2025）。

虽然CEMS对大型工业非常有效，但对中小企业（SMEs）来说成本过高。相反，通常使用基于光谱的分析仪来准确测量排放气体的浓度（Jahnke, 2000）。由于安装、校准和维护成本高昂，只有大公司才能负担得起标准CEMS的基础设施（Jahnke, 2000）。然而，尽管单个中小企业规模较小，但它们总体上对工业排放的贡献显著。因此，迫切需要经济高效的解决方案，以便中小企业能够进行空气污染物监测，从而帮助管理更广泛的环境影响。

近年来，已经开发了几种技术来实现排放物的实时监测，但由于成本和操作复杂性，大多数技术对中小企业来说仍然不可用。尽管当前的方法（如TDLAS和FTIR）在监测空气污染物方面显示出潜力，但它们需要昂贵的组件和频繁的校准，这限制了它们在成本敏感环境中的应用（Dinh et al., 2021; Jahnke, 2000; Park et al., 2024; Werle, 1998）。尽管有先进技术的存在，但对于中小企业来说，仍然缺乏经济实惠且用户友好的解决方案。

为应对传统CEMS的高成本，研究人员越来越多地探索使用低成本气体传感器作为实时排放监测的替代方案（表1）。这些传感器可以显著节省成本，并且可以在各种工业环境中更灵活地部署。基于SiC的金属氧化物半导体场效应晶体管传感器已被开发用于测量发电厂锅炉排放的CO和NO，其性能已进行了数月的测试（Lloyd Spetz et al., 2001）。Uneus等人（2005）开发了一种用于颗粒燃料锅炉中CO监测的金属氧化物碳化硅场效应晶体管（MIsiCFET）和金属氧化物传感器，并在实际现场安装了六周以评估其性能（Uneus et al., 2005）。另一种基于SiC的场效应传感器被开发用于测量发电厂中颗粒锅炉排放的CO和NH₃，持续了三个月（Andersson et al., 2013）。Duan等人（2023）开发了一种中红外光纤耦合激光吸收传感器，用于监测燃煤电厂的NH₃和NO排放，并在排放烟囱进行了现场试验。尽管有几项研究开发了用于CEMS的传感器（表1），但它们仅关注传感器材料开发、短期现场演示或由多变量模型支持的特定条件下的性能。这些研究没有全面展示基于传感器的完整CEMS系统的性能。此外，现场试验时间较短，无法评估传感器的最薄弱方面——即其长期耐用性——并且没有在中小企业中进行。特别是，对包括采样、湿度管理、校准和持续现场操作在内的CEMS架构的系统性评估仍然有限。

显然，中小企业需要实时监测排放物，因为这些企业对总体工业排放的贡献显著。虽然传统CEMS技术由于成本高昂而对大多数中小企业来说不可用，但基于传感器的系统提供了一个潜在的解决方案。然而，必须解决它们的局限性，特别是准确性、漂移和环境干扰问题。因此，本研究旨在调查使用传感器监测中小企业基本空气污染物（包括CO、NO_x和SO₂）的完整CEMS的长期性能。使用参考级分析仪对同一烟气进行比较，以评估各种因素对测量数据准确性的影响。此外，还阐明了低成本传感器在连续中小企业排放监测中的实际适用性和局限性。

设备片段

设备

对于环境气体检测，通常有四种类型的传感器，如表2所示（Butt and Piramidowicz, 2024; Dhall et al., 2021）。

由于可测量气体种类繁多且商业产品普及，选择了电化学传感器来实现基于传感器的CEMS。然而，由于电化学传感器可能对湿度和温度敏感，因此使用了预处理装置来控制采样气体的湿度。

实验室中的传感器性能

图4展示了NO、CO、NO₂和SO₂传感器对不同气体浓度、温度和湿度的响应。

如图4所示，温度和湿度的变化对低成本电化学NO₂传感器有显著影响，这一点在其他研究中也有发现（Alejo Sánchez et al., 2024; Chatzidiakou et al., 2019; Samad et al., 2020）。相比之下，NO、CO和SO₂传感器受温度和湿度变化的影响可以忽略不计。

结论

在构建用于中小企业的基于传感器的CEMS时，使用了低成本的电化学传感器来检测CO、NO_x和SO₂，并选择了汽车和塑料中小企业进行为期六个月的现场试验。为了提高测量稳定性，监测系统中加入了湿度预处理和频繁的自动校准。将基于传感器的CEMS获得的测量数据与使用标准分析仪的标准CEMS获得的数据进行了比较。

CRediT作者贡献声明

Trieu-Vuong Dinh：撰写——原始草稿。Sang-Woo Lee：可视化、数据管理。Byeong-Gyu Park：撰写——原始草稿、资源准备、正式分析。Da-Hyun Baek：可视化、正式分析、数据管理。Jo-Chun Kim：撰写——审稿与编辑、概念化。

数据可用性声明

数据包含在文章中。如需更多详细数据，可向相应作者提出合理请求。

资助

本研究未获得外部资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金会由韩国政府（MSIT）资助（项目编号2023R1A2C2002956）。本工作还得到了贸易工业与能源部（MOTIE, Korea）资助的技术创新计划（RS-2024-00431713）的支持，该计划旨在开发用于测量显示过程中全球变暖潜力（GWP）和温室气体排放的设备。