Le capteur de composés organiques volatils mesure la quantité de COV dans un espace. Il s'agit d'un outil important pour la surveillance de la qualité de l'air intérieur (QAI), car il identifie les contaminants qui présentent un risque pour la santé humaine. À titre d'exemple, le capteur de COV vous alerte lorsqu'il y a trop de gaz naturel dans le bâtiment. Pourquoi ? Le gaz naturel est principalement composé de méthane, qui est hautement inflammable. Une concentration excessive de gaz naturel peut déclencher une étincelle ou provoquer une explosion si elle est combinée à d'autres gaz ou vapeurs inflammables. Le moniteur de composés organiques volatils est l'un des capteurs les plus importants de votre arsenal de surveillance de la QAI, car de nombreux contaminants de l'air intérieur sont des composés organiques. Il s'agit notamment du formaldéhyde, du benzène et du trichloroéthylène, des produits chimiques qui sont également dangereux pour notre santé. Un capteur de COV peut détecter s'il y a une fuite dans votre alimentation en eau ou si quelqu'un a encore utilisé du diluant pour peinture ou un autre solvant dans la salle de pause ! Poursuivez votre lecture pour en savoir plus sur les raisons pour lesquelles ce capteur est essentiel pour garantir un environnement intérieur sain !
Que sont les COV et les capteurs de COV ?
Composé organique volatil
Les composés organiques volatils (COV) sont des substances chimiques qui ont une pression de vapeur élevée à température ambiante et qui sont libérées dans l'atmosphère. Ces composés sont couramment présents dans divers produits de consommation, carburants et procédés industriels. Parmi les COV, on peut citer le benzène, le toluène, l'éthylène, le formaldéhyde et le xylène. Les COV peuvent avoir divers effets négatifs sur la santé humaine et l'environnement, notamment des irritations respiratoires, des maux de tête et des irritations des yeux et du nez. Ils peuvent également contribuer à la formation d'ozone troposphérique, qui est un composant majeur du smog. En outre, certains COV peuvent s'accumuler dans l'environnement et avoir des effets à long terme sur la santé.
Capteurs de COV
Les capteurs de COV sont des dispositifs utilisés pour détecter et mesurer la concentration de COV dans l'air. Ces capteurs fonctionnent à l'aide d'un élément chimique sensible ou de composants électroniques pour détecter la présence de COV. Lorsque des COV sont présents dans l'air, ils réagissent avec les produits chimiques présents dans le capteur et génèrent une charge électrique. Cette charge est ensuite mesurée par le capteur et la concentration de COV peut être déterminée.
Applications des capteurs de COV
• Surveillance des émissions automobiles : les capteurs de COV sont utilisés dans l'industrie automobile pour surveiller et mesurer la quantité de polluants dangereux rejetés dans l'atmosphère. Cela permet de garantir que les voitures sont conformes aux réglementations en matière d'émissions.
• Surveillance de la qualité de l'air intérieur : les capteurs de COV peuvent être utilisés pour surveiller la qualité de l'air intérieur dans les hôpitaux, les écoles et autres bâtiments publics. Cela permet de garantir que l'air à l'intérieur du bâtiment est sûr et exempt de polluants nocifs.
• Surveillance des processus industriels : les capteurs de COV sont utilisés pour surveiller les processus industriels tels que la fermentation et la distillation. Cela permet de garantir que le processus se déroule de manière efficace et sûre.
• Surveillance de l'environnement : les capteurs de COV peuvent être utilisés pour surveiller l'environnement, par exemple dans des échantillons d'eau et de sol, afin de détecter la présence de polluants ou d'autres contaminants. Cela permet de garantir que l'environnement est sûr et sain.
Comment fonctionnent les capteurs de COV ?
Les capteurs de COV utilisent généralement l'une des deux technologies suivantes pour mesurer la présence de COV : les détecteurs à photo-ionisation (PID) ou les capteurs à semi-conducteurs à oxyde métallique (MOS).
Détecteurs à photoionisation (PID)
Les détecteurs à photo-ionisation mesurent la concentration en COV en ionisant les molécules de COV à l'aide d'une lumière UV. Les ions créés par la lumière UV traversent ensuite une chambre où ils sont détectés et mesurés par un champ électrostatique. Les ions mesurés sont convertis en un courant électrique mesurable, puis envoyés à un dispositif de lecture pour une analyse plus approfondie.
Capteurs MOS
Les capteurs à semi-conducteur à oxyde métallique (MOS) fonctionnent à l'aide d'un film d'oxyde métallique sensible aux COV. Lorsqu'un COV entre en contact avec le film d'oxyde métallique, il provoque une modification des propriétés électriques du film, qui est ensuite mesurée par le capteur. Le signal électrique provenant du capteur est ensuite envoyé à un dispositif de lecture pour une analyse plus approfondie.
Les capteurs PID et MOS sont utilisés dans diverses applications telles que la surveillance de la qualité de l'air intérieur, la surveillance des émissions, le contrôle des processus et la surveillance environnementale. Ils peuvent être utilisés pour détecter divers COV tels que le formaldéhyde, le toluène, le benzène, le xylène, etc.
Types de capteurs de COV
Il existe trois principaux types de capteurs de gaz COV courants, selon leur principe de fonctionnement :
- Capteurs électrochimiques de COV : tels que ceux basés sur la résistance, le courant, l'impédance et le potentiel.
- Capteurs optiques de COV : notamment ceux basés sur l'absorption spectrale, la fluorescence et la visualisation.
- Capteurs de COV de masse : tels que les microbalances à quartz et les capteurs de gaz à ondes acoustiques de surface.
Capteur électrochimique de COV
Le principe de détection d'un capteur électrochimique de COV repose sur l'adsorption ou la réaction (physique ou chimique) des gaz COV à la surface d'un matériau sensible aux gaz, ce qui entraîne des modifications de ses propriétés électriques telles que la résistance, le courant, l'impédance et le potentiel.
Parmi ceux-ci, le type de capteur de COV le plus largement utilisé, basé sur des oxydes métalliques semi-conducteurs, est le type conducteur, qui joue un rôle important dans le domaine actuel de la détection de gaz. Selon leurs dispositifs de détection électrique des gaz, ils peuvent être divisés en systèmes de détection conducteurs à deux électrodes courants et en systèmes de détection à transistor à effet de champ à trois électrodes. En fonction des matériaux sensibles aux gaz COV, ils peuvent être classés en oxydes métalliques semi-conducteurs, polymères conducteurs, nanomatériaux (tels que les nanoclusters d'or zéro dimensionnels, les nanotubes de carbone ou les nanofils de silicium unidimensionnels et le graphène multidimensionnel) et matériaux poreux.
Capteur de conductivité à oxyde métallique semi-conducteur
Les capteurs de gaz à oxyde métallique semi-conducteur détectent les gaz en utilisant la propriété selon laquelle la résistance ou la fonction de travail d'un semi-conducteur change lorsqu'il entre en contact avec un gaz. Les capteurs à semi-conducteur comptent parmi les capteurs de gaz les plus anciens et les plus aboutis.
Dès 1936, on a découvert que la conductivité du Cu20 changeait lorsqu'il adsorbait de la vapeur d'eau. Aujourd'hui, les capteurs de gaz à semi-conducteurs se sont développés pour former un vaste système en raison de leurs avantages : structure simple, réponse rapide, faible coût, stabilité et circuits simples. Parmi ceux-ci, les recherches sur le ZnO et le SnO2 sont les plus avancées.
Cependant, les capteurs de gaz à semi-conducteurs à oxyde métallique présentent certains inconvénients : ils fonctionnent à des températures relativement élevées, ont une faible sélectivité des gaz et sont sujets à l'empoisonnement. C'est pourquoi de nouveaux types de capteurs, tels que les composites métallo-organiques et les capteurs de gaz à semi-conducteurs dopés aux métaux lourds, ont été développés et mis en application.
Capteur de conductivité à base de nanomatériaux zéro-dimensionnels
Comme on le sait, les nanostructures sont très sensibles aux environnements chimiques et peuvent être utilisées comme matériaux de détection de gaz avec une sensibilité ultra-élevée. Les nanoclusters d'or zéro dimensionnels ont suscité un vif intérêt dans le domaine de la détection en raison de leurs propriétés physiques et chimiques uniques.
Les nanoclusters d'or présentent non seulement un comportement de points quantiques des noyaux métalliques zéro dimensionnels, mais aussi des interactions de surface avec des ligands. Le noyau interne en or fournit un canal conducteur pour les électrons, tandis que l'enveloppe organique externe agit comme une couche isolante, fournissant une interface d'adsorption sélective pour les composés organiques volatils (COV). L'adsorption des COV provoque l'expansion des nanoclusters d'or monocouches, augmentant la distance entre les noyaux d'or, ce qui entraîne une diminution de la conductivité et une augmentation de la résistance. Les nanoclusters d'or monocouches sont généralement déposés sur des électrodes intégrées à l'aide d'un revêtement par pulvérisation.
Les caractéristiques de réponse électrique des nanoclusters d'or monocouches aux COV ne sont pas seulement liées aux changements de conductivité électronique entre les noyaux d'or causés par l'adsorption des COV, mais aussi à l'énergie d'activation. L'énergie d'activation est liée au processus de charge entre les nanoclusters d'or et est étroitement liée à la constante diélectrique du COV. Sur la base des forces d'interaction entre différents nanoclusters d'or fonctionnalisés et les COV, les types et les structures de thiols organiques sont conçus et sélectionnés, tels que la force de van der Waals (alkylthiol), la force d'induction de polarisation (diméthylphtalate), la polarité (méthoxy) et la liaison hydrogène (benzothiazole). Un réseau de détection des COV est construit sur la base des caractéristiques de réponse sélective croisée des différents nanoclusters d'or aux COV.
Capteurs de gaz à conductivité basés sur des matériaux nanoporeux
Cette section traite de l'utilisation de matériaux nanoporeux, en particulier les cristaux photoniques en silicium nanoporeux, comme matériaux pour capteurs de gaz en raison de leur grande surface spécifique et de leurs capacités d'adsorption des gaz. Les propriétés optiques et électriques uniques du silicium nanoporeux en font un matériau prometteur pour les applications de détection des gaz COV.
Capteurs de conductivité à base de matériaux polymères
Les matériaux polymères conducteurs sont couramment utilisés dans les capteurs de gaz en raison de leurs propriétés électriques et optiques, de leur flexibilité mécanique et de leurs caractéristiques électrochimiques redox. Cette section se concentre sur l'utilisation de matériaux polymères conjugués tels que les polymères de phtalocyanine, le polypyrrole, la polyaniline, les porphyrines et les complexes métalloporphyrines comme matériaux pour capteurs de gaz. Bien que l'interaction entre la plupart des COV et les matériaux polymères conducteurs soit faible, l'utilisation de l'analyse en composantes principales permet d'identifier et de différencier les COV en fonction de leur interaction physique avec le matériau.
Capteurs optiques de COV
Les capteurs de gaz basés sur des signaux optiques présentent les avantages suivants : forte résistance aux interférences électromagnétiques, réponse rapide et mise en œuvre facile pour la surveillance en ligne des gaz organiques.
Il existe différents types de capteurs optiques en fonction de leur principe de fonctionnement, notamment la méthode d'interférence réfléchissante, la photométrie d'absorption ultraviolette-visible, la méthode colorimétrique, la méthode de fluorescence, la méthode de résonance plasmonique de surface et la technologie de détection par fibre optique. Les matériaux optiques sensibles aux gaz comprennent les porphyrines et métalloporphyrines traditionnelles, les molécules de colorant fluorescent, les indicateurs de pH et les nouveaux types de cristaux photoniques biomimétiques.
Capteurs basés sur le principe de l'absorption optique
Les capteurs de gaz à absorption spectroscopique détectent les COV en fonction de l'intensité ou du changement de déplacement du spectre d'absorption des matériaux sensibles aux gaz après adsorption des COV. Les matériaux sensibles aux gaz courants comprennent les indicateurs de pH, les colorants solvatochromiques et les métalloporphyrines.
Capteur COV visuel basé sur la couleur
Le capteur de gaz visuel est une nouvelle technologie de détection optique et une tendance importante dans le développement des technologies de capteurs. Il représente les informations caractéristiques des odeurs sous forme d'images, également appelées olfaction visuelle.
Par rapport aux signaux de détection électrochimiques et fluorescents traditionnels, le mode de signal de sortie colorimétrique est la plateforme de détection la plus simple pour développer une technologie de détection à l'œil nu, minimisant ainsi le besoin de modules d'équipement de conversion de signal. Il peut fournir une détection pratique sur site pour le personnel non technique ou les utilisateurs finaux. Les matériaux de détection actuellement signalés pour la visualisation des COV comprennent les copeaux de papier polydiacétylène, les nanofibres de jaune de méthylène 6, les polymères microporeux à interférence Fabry-Perot et les complexes supramoléculaires hôte-invité.
Le système de détection utilise un capteur d'image CMOS pour collecter les informations d'image des changements spectraux du capteur visuel avant et après la réaction avec le gaz mesuré. Grâce à des processus tels que le prétraitement des images, l'extraction des caractéristiques et la correspondance des références, il permet d'identifier la concentration et les espèces de gaz. Les matériaux sensibles aux gaz à base de porphyrine et de métalloporphyrine ont grandement favorisé le développement des capteurs visuels de COV.
Capteur de COV basé sur le principe d'interférence optique
Les cristaux photoniques (PC) sont des matériaux diélectriques présentant des variations périodiques de l'indice de réfraction dans l'espace, dont la périodicité est du même ordre de grandeur que la longueur d'onde de la lumière. La principale caractéristique des PC est la présence d'une bande interdite photonique (PBG) dans leur structure de bande, qui se compose d'une bande de conduction photonique et d'une bande de valence photonique, une microstructure artificielle périodique présentant les caractéristiques de la PBG.
Lorsque les électrons d'un matériau semi-conducteur se propagent dans un champ de potentiel périodique d'un réseau, des structures de bande se forment en raison de la diffusion de Bragg, et des bandes interdites apparaissent entre les bandes. Si l'énergie de l'onde électronique tombe dans la bande interdite, la propagation est interdite.
À l'instar de la modulation de la fonction d'onde électronique dans un réseau semi-conducteur, l'indice de réfraction de la lumière dans les cristaux photoniques varie périodiquement, et la structure de bande interdite de la lumière apparaît lorsque des ondes électromagnétiques s'y propagent. Les ondes lumineuses dans la bande interdite photonique ne peuvent pas se propager. En principe, le contrôle du mouvement des photons peut être obtenu en concevant et en fabriquant des cristaux photoniques et leurs dispositifs, ce qui a des implications importantes pour le développement de divers dispositifs optiques, la communication par fibre optique et les ordinateurs photoniques. En bref, les cristaux photoniques ont une fonction de filtrage, laissant passer de manière sélective certaines bandes de lumière et bloquant d'autres longueurs d'onde.
Capteurs de COV à fluorescence
Les capteurs de COV basés sur le principe de l'émission de fluorescence constituent une avancée significative dans le domaine de la chimie analytique. Ces capteurs possèdent des caractéristiques telles qu'une sensibilité élevée, une bonne sélectivité et une forte résistance aux interférences électromagnétiques. Cependant, ces capteurs sont souvent confrontés à des défis tels que la difficulté de marquage et une faible répétabilité. La structure, la stéréochimie et l'efficacité de fluorescence des molécules fluorescentes peuvent être affectées par des facteurs externes tels que l'humidité, la polarité et le pH, qui peuvent à leur tour influencer la forme et l'intensité de leurs spectres de fluorescence.
Capteurs SPR VOC
La SPR (résonance plasmonique de surface) est un phénomène optique physique du champ évanescent. Elle se produit lorsque la lumière subit une réflexion interne totale à l'interface entre le verre et un film métallique, créant une onde évanescente qui peut induire des ondes plasmoniques de surface sur la surface métallique en générant des électrons libres.
Dans certaines conditions d'angle d'incidence ou de longueur d'onde, la fréquence et le nombre d'onde de l'onde plasmonique de surface et de l'onde évanescente résonnent, et la lumière incidente est absorbée, ce qui entraîne un pic de résonance dans le spectre de réflexion. L'adsorption de gaz à la surface du film métallique modifie son épaisseur ou son indice de réfraction, altérant ainsi son pic de résonance (angle de résonance ou longueur d'onde de résonance). La technologie SPR est une nouvelle méthode de détection de gaz qui présente les avantages d'une structure simple, d'une grande sensibilité et d'une large plage de détection.
Recherche scientifique de pointe sur les capteurs de COV
Une étude récente publiée dans Science Advances rend compte du développement d'un capteur de composés organiques volatils (COV) hautement sensible, basé sur des récepteurs olfactifs reconstitués dans une bicouche lipidique et utilisés dans un système de circulation de gaz spécialement conçu pour une détection rapide à l'échelle du milliardième (ppb). L'étude démontre le potentiel de l'utilisation de la détection biologique des odeurs dans les systèmes de diagnostic par l'haleine et la surveillance environnementale. Les récepteurs olfactifs des organismes vivants peuvent reconnaître divers COV avec un niveau de détection correspondant à une seule molécule, ce qui les rend bien supérieurs en termes de sélectivité et de sensibilité par rapport aux capteurs de COV actuels utilisant des matériaux artificiels. L'étude surmonte les défis liés à la faible solubilité des COV en développant un système de circulation de gaz qui introduit efficacement les COV dans des gouttelettes aqueuses et améliore la probabilité de détection d'un réseau de bicouches lipidiques. À titre d'exemple pratique, l'étude démontre la détection du 1-octène-3-ol (octénol) à un niveau de quelques parties par milliard (ppb), qui est un biomarqueur dans l'haleine humaine, à l'aide d'un capteur de COV composé de récepteurs olfactifs reconstitués dans une bicouche lipidique. (Cliquez ici pour en savoir plus sur les détails de cette recherche sur les capteurs de COV)
L'article explique que les capteurs de COV (composés organiques volatils) fonctionnent en détectant les changements de conductivité électrique lorsque les molécules de COV se lient à la surface du capteur. Les capteurs sont constitués d'un film mince de polymère conducteur, recouvert d'une couche d'un matériau qui absorbe certains COV spécifiques. Lorsque les COV se lient à la couche absorbante, ils modifient la conductivité électrique du film polymère conducteur, ce qui peut être mesuré et utilisé pour détecter la présence et la concentration des COV. L'article décrit également certaines avancées récentes dans la technologie des capteurs de COV, notamment l'utilisation d'algorithmes d'apprentissage automatique pour améliorer la précision des capteurs et le développement de capteurs flexibles et portables.
Comment mesurer les COV ?
Détecter la source des COV à l'aide d'un capteur de COV
Il existe plusieurs étapes à suivre pour trouver la source des COV à l'aide d'un capteur de COV. Tout d'abord, vous devez consulter les relevés de votre moniteur de qualité de l'air intérieur. Si les niveaux de COV sont élevés, vous devez alors rechercher les zones problématiques. Vous pouvez également utiliser un capteur de COV pour prélever un échantillon d'air dans une zone particulière du bâtiment. Vous devez ensuite ramener l'échantillon à votre capteur pour obtenir une mesure plus précise. Le capteur indiquera alors s'il y a un problème dans la zone où vous avez prélevé l'échantillon. Le capteur indiquera également le type de problème si l'analyseur est en mesure de le détecter.
Identification des gaz problématiques à l'aide de la règle du droit à l'information
La règle du droit à l'information est une réglementation qui exige que les capteurs commerciaux de COV détectent un certain ensemble de COV. Ceux-ci comprennent l'acétone, le benzène, le tétrachlorure de carbone, le formaldéhyde, l'hydrogène sulfuré et le trichloroéthylène. La règle du droit à l'information s'applique également à d'autres capteurs de QAI. Par exemple, les capteurs de dioxyde de carbone doivent détecter les niveaux de CO2 supérieurs à 19 ppm. Les capteurs de dioxyde d'azote doivent détecter les niveaux de NO2 supérieurs à 0,5 ppm. Les capteurs de température et d'humidité relative doivent détecter une température supérieure à 35 degrés Fahrenheit ou une humidité relative supérieure à 45 %.
Détection des fuites à l'aide du capteur COV
Vous pouvez utiliser un capteur de COV pour détecter les fuites dans le système. Vous devrez configurer votre capteur afin qu'il recherche un gaz spécifique. En cas de fuite, le capteur indiquera que la concentration de ce gaz particulier est supérieure ou inférieure à la normale. Mais attention ! Vous devez vous assurer que vous n'obtenez pas de faux résultats dus à la présence de gaz dans l'atmosphère. Si vous surveillez le gaz naturel, par exemple, vous obtiendrez également un résultat pour le dioxyde de carbone. Vous pouvez contourner ce problème en prélevant plusieurs échantillons à différents endroits du bâtiment.
Conclusion
Le capteur de COV est un outil important pour surveiller la qualité de l'air intérieur (QAI), car il identifie les contaminants qui présentent un risque pour la santé humaine. Les capteurs de COV peuvent vous aider à trouver la source des contaminants, à identifier les gaz problématiques et à détecter les fuites dans le système. Si vous constatez une fuite ou identifiez un problème, vous devez prendre des mesures pour remédier à la situation dès que possible.
