什么是 CO2 ( 二氧化碳 ) ?

CO2 作为全球变暖的起因物质广受关注,它对人体也带来不良影响。室内二氧化碳浓度过高会引起头痛、嗜睡、倦怠感等,超过 6000 ppm 就会导致人失去意识。

二氧化碳传感器

什么是 CO( 二氧化碳 ) ?

CO2 ( 二氧化碳 ) 是由 1 个碳原子和 2 个氧原子构成的分子,在室温下是无色无味的气体。常压下的温度低于 -78°C 时,会变成固态 ( 干冰 )。

CO2 是地球上最重要的气体之一,用于被称为光合作用的过程中。利用叶绿素,在可以吸收阳光的绿色植物上进行光合作用。

植物利用太阳能,将水和二氧化碳转化为糖,并释放氧气。另一方面,人和动物排放 CO,这对健康和环境产生负面影响。

CO2是地球上最重要的气体之一,用于被称为光合作用的过程中。利用叶绿素,在可以吸收阳光的绿色植物上进行光合作用。

对全球变暖的影响

全球变暖系数 (GWP) 是指以二氧化碳为基准,在特定时间 (20、100或500年) 内,将温室效应气体蓄积热量的累计值与相同质量的二氧化碳蓄积热量进行比较的值。甲烷和一氧化二氮的 GWP 值分别为 25 和 298。气体分子的 GWP 值取决于气体分子稳定的晨读、吸收红外线 (IR) 辐射的强度以及光谱中吸收峰值的位置。


二氧化碳的 IR 光谱有一个较强的吸收频带,由许多重叠的峰值组成。由不对称 C=O 伸缩引起的这个频带被配置为 4.3µm 的波长。在这个波长下,大气中的 CO2 分子会吸收地球释放的热辐射,这样就减少了冷却,特别是在晴朗的夜晚。二氧化碳和其它更强大的温室效应气体量增加的机制是阻止IR辐射离开地球返回太空。得益于自然温室效应,地球平均气温约为 15°C。如果没有温室气体,气温将会在 -18°C 左右。

但是,CO也可能会产生不良影响。更高的温室效应气体浓度会吸收更多的IR辐射,并停滞在地球表面附近,导致温度升高。由于二氧化碳在大气中的蓄积,因此,产生了可能改变地球气候的温室效应。目前,大气中 CO2 的摩尔分数约为 400ppm。不过,大城市的水平往往更高。CO2 水平每年都会上升,主要是由于化石 CO2 排放到大气中,导致更多的二氧化碳排放到大气中。

图 1. 二氧化碳的IR光谱 图 1. 二氧化碳的IR光谱

对人体的影响

Impact on the human body

在世界卫生组织 (WHO) 发行的 “School Environment: Policies Current Status” (2015) 中,提及学生/教师的缺勤率、学业成绩、教师的就业率、建筑物的维护等成本削减、病假率,和室内空气质量具有关联性。一般认为,超过 2,000 ppm的 CO2 浓度妨碍了我们的健康和工作效率。超过 5,000 ppm 的水平,则属于危险等级;而如果是 10,000 ppm,将威胁生命。

此外,作为近年来的新型疫情和流感的防感染对策,避开通风不良的密闭区域是非常重要的。世卫组织也推荐通过自然通风或机械通风来提高通风率,不进行空气的再循环。

详细内容请参见“应用/室内空气质量”。

有人/无人检测的应用

检测室内有人 / 无人主要采用红外传感器和监控摄像机,但这种方法有时会因为盲点、阳光 / 温度的影响而不能很好地检测。近年来,一直在推进利用人类呼吸产生的 CO2 导致浓度上升这一特点,使用 CO2 传感器检测室内有人 / 无人的研究。

作为氟利昂替代品的 CO2 制冷剂

在家用电器 ( 如空调和冰箱 ) 和商用冷却系统 ( 如冷冻机 )  中,制冷剂被用来将热量从温度较低的场所转移到温度较高的场所。到目前为止,主要使用氟利昂气体 (R404A),但由于地球温室效应系数高达 3920,人们担心这将对全球变暖的进展产生重大不利影响。

近年来,世界各国都在积极推进使用对全球变暖影响比氟利昂气体更小的制冷剂。作为自然制冷剂的 CO2 制冷剂的臭氧破坏系数为零,地球温室效应系数为 1,非常低,并且对地球环境的不良影响较小,因此受到了关注,目前正在推进在业务用冷却系统等中的应用。在该系统中,为了检测 CO2 制冷剂的泄漏,需要使用 CO2 传感器进行检测。

今后的用途将日益扩大的 CO2 传感器

期待今后包括 CO2 传感器在内的气体传感器在各个领域的应用。然而,在各种状况下,要适当地选择和检测目标气体并不容易。需要正确理解对象气体的性质和气体传感器的原理,根据状况,选择最佳的气体传感器。

关于 Senseair

于 2018 年成为旭化成微电子 (AKM) 集团一员的 Senseair,是引领世界的非色散红外 (NDIR) 式气体传感器的供应商,一直致力于开发生产运用最新技术的气体传感器。