感測材料與微型化感測器開發應用於環境水質感測

 

刊登日期:2021/5/5
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王榮豪、李思儒、朱振華、王儀婷、黃至聖/工研院材化所;楊博傑/工研院綠能所
 
應用目前較新穎之電化學分析法,研發酸鹼值、電導度與重金屬等即時線上水質感測元件,搭配抽換式無線通訊模組,組裝適用於不同應用場域之廣布型水質感測裝置,提供各環境水質感測系統之建置,達到即時監控水質狀況之目的。並透過水科技物聯網應用平台之建置,達到自動化、行動化及數位化作業,進一步藉由感測數據分析,達到異常預警及智慧稽查等功能,將元件研發及數據分析結果落實於實場應用,確實改善環境品質。
 
【內文精選】
前 言
台灣經濟規模快速發展,工業化與城市化對環境帶來重大壓力,特別是台灣都市土地腹地面積小,容易造成工業區污染很快就外溢到臨近住宅區。從未來實際應用面著眼,成本與能耗皆須考量的情境下,微型化整體水質感測器將較具有減低能耗以及相較於固定式測站的低成本模組化設備優勢。另外,在感測器上,若能微型化則能減少取水用量需求,在多成分感測分析時,各藥劑等使用亦能降低需求總量,整體則更有助於水樣與各藥劑及清洗時的輸送能耗。由此可知,微流道技術扮演關鍵角色並具有其特殊優勢。且國內自行開發之新方法/新技術演進,可打破國外市場壟斷,強化國內廠商服務效能,大幅降低產品成本,並提升設備商獲利能力。而系統朝「體積小」、「耐用」、「維護容易」及「低成本」的方向進行開發,可應用於大規模區域之即時(Real-time)線上水質感測(Water Quality Sensing)技術,而設備最小化則以微流道技術為主。最重要的是,微型化水質感測系統是目前世界各國積極發展中的技術,尚無實體系統廠商,因此發展微型化水質感測系統正是一個利基點。
 
感測材料與微型化水質感測器開發
本文主要針對多功能微型化感測器的開發進行說明。研發團隊基於電化學(Electrochemistry)方法建立重金屬離子感測技術,以複合材料電極為主,研發出兼具環境友善與高靈敏度之電化學感測電極材料,並利用微機電技術,開發出結合數位訊號控制器為平台的微型化水質檢測系統。而酸鹼值感測器主要以低成本、高穩定性工業化ITO薄膜為感測材料,可對於酸鹼值進行高效能且快速之量測。至於溫度與電導度感測器則採用白金電極製作,利用鉑(白金,Pt)電極溫度阻抗線性度與其高化學穩定性,作為溫度感測單元,而電導則採用二極式電極量測原理,設計兩電極長度,固定其間距,測量其水溶液中電阻值,最後將其轉換為電導單位,則可得水中電導。
 
圖一、多功能微型化感測模組
圖一、多功能微型化感測模組
 
小型化水質感測裝置、場域布建與水科技物聯網應用平台
在環保署支持下,工研院開發之小型化水質感測裝置兼顧合適成本,以系統之即時性、便利性與自動化等功能為設計主軸,以pH、溫度、電導度三合一感測模組為主要基本配置,搭配前處理、通訊等模組,選擇性搭配整合CODs、重金屬離子濃度感測模組,或者是市售之餘氯、濁度,以及溶氧量感測模組,以應用於各種不同之水質情境,擴增更多用途,優化整體感測應用情境。為達到水質參數量測準確性與穩定性,以及延長維運時間,將清洗與校正程序加入固定式三合一水質感測器,除了透過水樣處理模組減少懸浮顆粒以及降低微生物附著外,也經由清洗程序將油漬與附著之微生物去除,減少油漬附著與生物膜的滋生,維持感測器表面清潔,確保量測的穩定性。除了量測穩定性外,也透過校正程序修正感測器之檢量線,以提高量測的準確性,而整個固定式感測器之設計與實體架設如圖十二所示…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖十二、小型化水質感測裝置設計與實體
圖十二、小型化水質感測裝置設計與實體
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》413期,更多資料請見下方附檔。

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