O sensor de compostos orgânicos voláteis mede a quantidade de COV num espaço. É uma ferramenta importante para monitorizar a qualidade do ar interior (IAQ), pois identifica contaminantes que representam um risco para a saúde humana. Por exemplo, o sensor de COV alerta-o quando há demasiado gás natural no edifício. Porquê? O gás natural é composto principalmente por metano e é altamente combustível. Uma concentração excessiva de gás natural pode provocar uma faísca ou causar uma explosão se combinada com outros gases ou vapores inflamáveis. O monitor de compostos orgânicos voláteis é um dos sensores mais importantes no seu arsenal de monitorização da IAQ, porque muitos contaminantes do ar interior são compostos orgânicos. Estes incluem formaldeído, benzeno e tricloroetileno — produtos químicos que também são perigosos para a nossa saúde. Um sensor de COV pode identificar se há um vazamento no abastecimento de água ou se alguém está usando diluente ou outro solvente na sala de descanso novamente! Continue lendo para saber mais sobre por que esse sensor é essencial para garantir um ambiente interno saudável!
O que são COV e sensores de COV?
Composto orgânico volátil
Os compostos orgânicos voláteis (COV) são substâncias químicas que têm uma alta pressão de vapor à temperatura ambiente e são liberados na atmosfera. Esses compostos são comumente encontrados em uma variedade de produtos de consumo, combustíveis e processos industriais. Exemplos de COV incluem benzeno, tolueno, etileno, formaldeído e xileno. Os COV podem ter uma série de impactos negativos na saúde humana e no meio ambiente, incluindo irritação respiratória, dores de cabeça e irritação nos olhos e nariz. Eles também podem contribuir para a formação de ozônio troposférico, que é um dos principais componentes da poluição atmosférica. Além disso, alguns COV podem se acumular no meio ambiente e ter o potencial de causar efeitos de longo prazo à saúde.
Sensores de COV
Os sensores de COV são dispositivos utilizados para detetar e medir a concentração de COV no ar. Estes sensores funcionam utilizando um elemento químico sensível ou componentes eletrónicos para detetar a presença de COV. Quando os COV estão presentes no ar, reagem com os produtos químicos presentes no sensor e geram uma carga elétrica. Esta carga é então medida pelo sensor e a concentração de COV pode ser determinada.
Aplicações do sensor VOC
• Monitorização das emissões automóveis: os sensores de COV são utilizados na indústria automóvel para monitorizar e medir a quantidade de poluentes perigosos libertados para a atmosfera. Isto ajuda a garantir que os automóveis cumprem os regulamentos relativos às emissões.
• Monitoramento da qualidade do ar interno: os sensores de COV podem ser usados para monitorar a qualidade do ar interno em hospitais, escolas e outros edifícios públicos. Isso ajuda a garantir que o ar dentro do edifício seja seguro e livre de poluentes nocivos.
• Monitoramento de processos industriais: os sensores de COV são usados para monitorar processos industriais, como fermentação e destilação. Isso garante que o processo esteja funcionando de forma eficiente e segura.
• Monitoramento ambiental: os sensores de COV podem ser usados para monitorar o meio ambiente, como em amostras de água e solo, para detectar a presença de poluentes ou outros contaminantes. Isso ajuda a garantir que o meio ambiente seja seguro e saudável.
Como funcionam os sensores de COV?
Os sensores de COV normalmente utilizam um dos dois tipos diferentes de tecnologia para medir a presença de COV: detectores de fotoionização (PID) ou sensores de semicondutor de óxido metálico (MOS).
Detectores de fotoionização (PIDs)
Os detectores de fotoionização medem a concentração de COV ionizando as moléculas dos COV com luz UV. Os íons criados pela luz UV passam então por uma câmara onde são detectados e medidos por um campo eletrostático. Os íons medidos são convertidos em uma corrente elétrica mensurável e, em seguida, enviados a um dispositivo de leitura para análise posterior.
Sensores MOS
Os sensores de semicondutor de óxido metálico (MOS) funcionam utilizando uma película de óxido metálico sensível aos COV. Quando um COV entra em contacto com a película de óxido metálico, provoca uma alteração nas propriedades elétricas da película, que é então medida pelo sensor. O sinal elétrico do sensor é então enviado para um dispositivo de leitura para análise posterior.
Os sensores PID e MOS são utilizados em diversas aplicações, tais como monitorização da qualidade do ar interior, monitorização de emissões, controlo de processos e monitorização ambiental. Podem ser utilizados para detetar uma variedade de COV, tais como formaldeído, tolueno, benzeno, xileno e outros.
Tipos de sensores de COV
Existem três tipos principais de sensores de gás VOC comuns, com base nos seus princípios de funcionamento:
- Sensores eletroquímicos de COV: tais como os baseados em resistência, corrente, impedância e potencial.
- Sensores ópticos de COV: incluindo absorção espectral, fluorescência e visualização.
- Sensores de massa de COV: tais como microbalanças de cristal de quartzo e sensores de gás de ondas acústicas de superfície.
Sensor eletroquímico de COV
O princípio de detecção de um sensor eletroquímico de COV envolve a adsorção ou reação (física ou química) dos gases COV na superfície de um material sensível a gases, o que resulta em alterações nas suas propriedades elétricas, tais como resistência, corrente, impedância e potencial.
Entre eles, o tipo mais amplamente utilizado de sensor de COV baseado em óxidos metálicos semicondutores é o tipo condutor, que desempenha um papel importante no campo atual de detecção de gases. De acordo com seus dispositivos de detecção elétrica para gases, eles podem ser divididos em sistemas comuns de detecção condutiva de dois eletrodos e sistemas de detecção de transistor de efeito de campo de três eletrodos. Com base nos materiais sensíveis a gases VOC, eles podem ser categorizados como óxidos metálicos semicondutores, polímeros condutores, nanomateriais (como nanoclusters de ouro zero-dimensionais, nanotubos de carbono unidimensionais ou nanofios de silício e grafeno multidimensional) e materiais porosos.
Sensor de condutividade de óxido metálico semicondutor
Os sensores de gás de óxido metálico semicondutor detectam gases utilizando a propriedade de que a resistência ou função de trabalho de um semicondutor muda quando entra em contato com um gás. Os sensores semicondutores estão entre os sensores de gás mais antigos e maduros.
Já em 1936, descobriu-se que a condutividade do Cu20 muda quando ele adsorve vapor de água. Hoje, os sensores de gás semicondutores se desenvolveram em um grande sistema devido às suas vantagens de estrutura simples, resposta rápida, baixo custo, estabilidade e circuitos simples, entre os quais a pesquisa sobre ZnO e SnO2 é a mais madura.
No entanto, as desvantagens dos sensores de gás de óxido metálico semicondutor são que eles funcionam em temperaturas relativamente altas, têm baixa seletividade de gás e são propensos a envenenamento. Portanto, alguns novos tipos de sensores, como compostos metalorgânicos e sensores de gás semicondutores dopados com metais pesados, foram desenvolvidos e aplicados.
Sensor de condutividade de nanomaterial zero-dimensional
Como é sabido, as nanoestruturas são muito sensíveis a ambientes químicos e podem ser utilizadas como materiais sensores de gás com sensibilidade ultra-alta. Os nanoclusters de ouro zero-dimensionais têm atraído grande atenção no campo da detecção devido às suas propriedades físicas e químicas únicas.
Os nanoclusters de ouro não só exibem o comportamento de pontos quânticos de núcleos metálicos zero-dimensionais, mas também exibem interações superficiais com ligantes. O núcleo interno de ouro fornece um canal condutor para elétrons, enquanto o invólucro orgânico externo atua como uma camada isolante, fornecendo uma interface de adsorção seletiva para compostos orgânicos voláteis (VOCs). A adsorção de COVs faz com que os nanoclusters de ouro monocamada se expandam, aumentando a distância entre os núcleos de ouro, levando a uma diminuição na condutividade e a um aumento na resistência. Os nanoclusters de ouro monocamada são normalmente depositados em eletrodos integrados usando revestimento por pulverização.
As características de resposta elétrica dos nanoclusters de ouro monocamada aos COVs não estão relacionadas apenas às mudanças na condutividade eletrônica entre os núcleos de ouro causadas pela adsorção dos COVs, mas também à energia de ativação. A energia de ativação está relacionada ao processo de carregamento entre os nanoclusters de ouro e está intimamente relacionada à constante dielétrica do COV. Com base nas forças de interação entre diferentes nanoclusters de ouro funcionalizados e COVs, os tipos e estruturas de tióis orgânicos são projetados e selecionados, tais como força de van der Waals (alquiltiol), força de indução de polarização (ftalato de dimetila), polaridade (metoxi) e ligação de hidrogênio (benzotiazol). Uma matriz de detecção de COV é construída com base nas características de resposta seletiva cruzada de diferentes nanoclusters de ouro aos COV.
Sensores de gás de condutividade baseados em materiais nanoporosos
Esta seção discute o uso de materiais nanoporosos, especificamente cristais fotônicos de silício nanoporoso, como materiais sensores de gás devido à sua alta área superficial e capacidade de adsorção de gás. As propriedades ópticas e elétricas únicas do silício nanoporoso tornam-no um material promissor para aplicações de detecção de gases VOC.
Sensores de condutividade baseados em materiais poliméricos
Os materiais poliméricos condutores são comumente usados em sensores de gás devido às suas propriedades elétricas e ópticas, flexibilidade mecânica e características redox eletroquímicas. Esta seção enfoca o uso de materiais poliméricos conjugados, como polímeros de ftalocianina, polipirrol, polianilina e porfirinas e complexos de metaloporfirina como materiais para sensores de gás. Embora a interação entre a maioria dos COVs e os materiais poliméricos condutores seja fraca, o uso da análise de componentes principais permite a identificação e diferenciação dos COVs com base em sua interação física com o material.
Sensores ópticos de COV
Os sensores de gás baseados em sinais ópticos têm as vantagens de forte interferência anti-eletromagnética, resposta rápida e fácil implementação para monitoramento online de gases orgânicos.
Existem vários tipos de sensores ópticos com base em seus princípios de funcionamento, incluindo método de interferência reflexiva, fotometria de absorção ultravioleta-visível, método colorimétrico, método de fluorescência, método de ressonância plasmônica de superfície e tecnologia de sensoriamento por fibra óptica. Os materiais ópticos sensíveis ao gás incluem porfirinas tradicionais e metaloporfirinas, moléculas de corante fluorescente, indicadores de pH e novos tipos de cristais fotônicos biomiméticos.
Sensores baseados no princípio da absorção óptica
Os sensores de gás por absorção espectroscópica detectam COV com base na intensidade ou alteração do espectro de absorção de materiais sensíveis ao gás após a adsorção de COV. Os materiais sensíveis ao gás comuns incluem indicadores de pH, corantes solvatochromic e metaloporfirinas.
Sensor VOC visual baseado em cores
O sensor visual de gás é uma nova tecnologia de detecção óptica e uma tendência importante no desenvolvimento da tecnologia de sensores. Ele representa as informações características dos odores na forma de imagens, também conhecidas como olfato visual.
Em comparação com os sinais de detecção eletroquímica e fluorescência tradicionais, o modo de sinal de saída colorimétrico é a plataforma de detecção mais direta para o desenvolvimento de tecnologia de detecção a olho nu, minimizando a necessidade de módulos de equipamento de conversão de sinal. Ele pode fornecer detecção prática no local para pessoal não técnico ou usuários finais. Os materiais de detecção atualmente relatados para visualização de COV incluem chips de papel de polidiacetileno, nanofibras de amarelo de metileno 6, polímeros microporosos de interferência Fabry-Perot e complexos supramoleculares hospedeiro-hóspede.
O sistema de detecção usa um sensor de imagem CMOS para coletar as informações de imagem das mudanças espectrais do sensor visual antes e depois da reação com o gás medido. Por meio de processos como pré-processamento de imagem, extração de características e correspondência de referência, ele consegue identificar a concentração e as espécies de gás. Os materiais sensíveis a gás porfirina e metaloporfirina promoveram muito o desenvolvimento de sensores visuais de COV.
Sensor VOC baseado no princípio da interferência óptica
Os cristais fotônicos (PCs) são materiais dielétricos com variações periódicas no índice de refração no espaço, e sua periodicidade é da mesma ordem de magnitude que o comprimento de onda da luz. A principal característica dos PCs é a presença de uma banda proibida fotônica (PBG) em sua estrutura de bandas, que consiste em uma banda de condução fotônica e uma banda de valência fotônica, uma microestrutura artificial periódica com características PBG.
Quando os elétrons em um material semicondutor se propagam em um campo potencial periódico de uma rede, estruturas de banda são formadas devido à dispersão de Bragg, e lacunas de banda aparecem entre as bandas. Se a energia da onda de elétrons cair na lacuna de banda, a propagação é proibida.
De forma semelhante à modulação da função de onda do elétron em uma rede semicondutora, o índice de refração da luz em cristais fotônicos varia periodicamente, e a estrutura de intervalo de banda da luz aparece quando ondas eletromagnéticas se propagam nela. As ondas de luz no intervalo de banda fotônico são impedidas de se propagar. Em princípio, o controle do movimento dos fótons pode ser alcançado através do projeto e fabricação de cristais fotônicos e seus dispositivos, o que tem implicações importantes para o desenvolvimento de vários dispositivos ópticos, comunicação por fibra óptica e computadores fotônicos. Em resumo, os cristais fotônicos têm a função de filtrar, permitindo seletivamente a passagem de certas bandas de luz e bloqueando outros comprimentos de onda da luz.
Sensores de COV por fluorescência
Os sensores VOC baseados no princípio da emissão de fluorescência representam avanços significativos na química analítica. Esses sensores possuem características como alta sensibilidade, boa seletividade e forte resistência à interferência eletromagnética. No entanto, esses sensores frequentemente enfrentam desafios como dificuldade de rotulagem e baixa repetibilidade. A estrutura, a estereoquímica e a eficiência de fluorescência das moléculas fluorescentes podem ser afetadas por fatores externos, como umidade, polaridade e pH, que, por sua vez, podem afetar a forma e a intensidade de seus espectros de fluorescência.
Sensores SPR VOC
SPR (ressonância plasmônica de superfície) é um fenômeno óptico físico do campo evanescente. Ocorre quando a luz sofre reflexão interna total na interface entre o vidro e uma película metálica, criando uma onda evanescente que pode induzir ondas plasmônicas de superfície na superfície metálica, gerando elétrons livres.
Sob certas condições de ângulo de incidência ou comprimento de onda, a frequência e o número de onda da onda plasmônica superficial e da onda evanescente ressoam, e a luz incidente é absorvida, resultando em um pico de ressonância no espectro de reflexão. A adsorção de gás na superfície da película metálica altera sua espessura ou índice de refração, alterando assim seu pico de ressonância (ângulo de ressonância ou comprimento de onda de ressonância). A tecnologia SPR é um novo método de detecção de gás com as vantagens de estrutura simples, alta sensibilidade e ampla faixa de detecção.
Pesquisa científica de ponta sobre sensores de COV
Um estudo recente publicado na Science Advances relata o desenvolvimento de um sensor de compostos orgânicos voláteis (COV) altamente sensível, baseado em receptores olfativos reconstituídos em uma bicamada lipídica e usado em um sistema de fluxo de gás especificamente projetado para detecção rápida em nível de partes por bilhão (ppb). O estudo demonstra o potencial do uso da detecção biológica de odores em sistemas de diagnóstico respiratório e monitoramento ambiental. Os receptores olfativos em organismos vivos podem reconhecer vários COVs com um nível de detecção correspondente a uma única molécula, tornando-os muito superiores em seletividade e sensibilidade em comparação com os sensores de COV atuais que utilizam materiais artificiais. O estudo supera os desafios da baixa solubilidade dos COVs através do desenvolvimento de um sistema de fluxo de gás que introduz eficientemente os COVs em gotículas aquosas e aumenta a probabilidade de detecção de uma matriz de bicamadas lipídicas. Como exemplo prático, o estudo demonstra a detecção de 1-octen-3-ol (octenol) no nível de partes por bilhão (ppb), que é um biomarcador na respiração humana, usando um sensor de COV que consiste em receptores olfativos reconstituídos em uma bicamada lipídica. (clique aqui para saber mais sobre os detalhes desta pesquisa sobre sensores de COV)
O artigo explica que os sensores de COV (compostos orgânicos voláteis) funcionam detectando alterações na condutividade elétrica quando as moléculas de COV se ligam à superfície do sensor. Os sensores são compostos por uma fina película de um polímero condutor, revestida com uma camada de um material que absorve COV específicos. Quando os COV se ligam à camada absorvente, eles alteram a condutividade elétrica da película de polímero condutor, que pode ser medida e usada para detectar a presença e a concentração do COV. O artigo também descreve alguns avanços recentes na tecnologia de sensores de COV, incluindo o uso de algoritmos de aprendizado de máquina para melhorar a precisão do sensor e o desenvolvimento de sensores flexíveis e vestíveis.
Como medir os COV?
Localizando a fonte de COV com um sensor de COV
Existem algumas medidas que você pode tomar para encontrar a fonte de COV com um sensor de COV. Primeiro, você deve verificar as leituras do monitor de qualidade do ar interno. Se os níveis de COV estiverem altos, você deve investigar as áreas problemáticas. Você também pode usar um sensor de COV para obter uma amostra do ar em uma área específica do edifício. Em seguida, você levaria a amostra de volta ao sensor para obter uma leitura mais precisa. O sensor indicaria então se havia algum problema na área onde você coletou a amostra. O sensor também indicaria o tipo de problema, caso o analisador pudesse detectá-lo.
Identificação de gases problemáticos utilizando a Regra do Direito à Informação
A Regra do Direito à Informação é uma regulamentação que exige que os sensores comerciais de COV detectem um determinado conjunto de COV. Estes incluem acetona, benzeno, tetracloreto de carbono, formaldeído, sulfureto de hidrogénio e tricloroetileno. A Regra do Direito à Informação também se aplica a outros sensores de IAQ. Por exemplo, os sensores de dióxido de carbono devem detectar níveis de CO2 acima de 19 ppm. Os sensores de dióxido de nitrogênio devem detectar níveis de NO2 acima de 0,5 ppm. Os sensores de temperatura e umidade relativa devem detectar uma temperatura acima de 35 graus Fahrenheit ou umidade relativa acima de 45%.
Detecção de vazamentos usando o sensor VOC
Você pode usar um sensor de COV para detectar vazamentos no sistema. Você precisaria configurar seu sensor para que ele procure um gás específico. Se houver um vazamento, o sensor indicaria que esse gás específico está acima ou abaixo do nível normal. Mas é preciso ter cuidado! Você precisa ter certeza de que não está obtendo leituras falsas devido à presença do gás na atmosfera. Se você estiver monitorando gás natural, por exemplo, também obterá uma leitura de dióxido de carbono. Você pode contornar esse problema coletando várias amostras de diferentes locais do edifício.
Conclusão
O sensor de COV é uma ferramenta importante para monitorar a qualidade do ar interior (IAQ), pois identifica contaminantes que representam um risco para a saúde humana. Os sensores de COV podem ajudar a encontrar a fonte dos contaminantes, identificar gases problemáticos e detectar vazamentos no sistema. Se você encontrar um vazamento ou reconhecer um problema, deve tomar medidas para corrigir a situação o mais rápido possível.
