CN101393088A - 大气半挥发性有机污染物的定向被动采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大气半挥发性有机污染物的定向被动采样装置，包括进气口、出气口及外壳，该装置还包括：前置单向阀及后置单向阀，设于所述外壳内，用于在特定风向条件下打开使气流进入；吸收介质，设于所述前置单向阀及后置单向阀之间，垂直于所述进气口的平面放置，并与进气方向平行。本发明的技术方案通过在采样装置中设置单向阀，可以获取特定风向气流中半挥发性有机污染物浓度的信息；同时能够保证采样装置内部气流的稳定性及足够的采样效率。

Description

大气半挥发性有机污染物的定向被动采样装置

技术领域

本发明涉及大气监测技术领域，尤其涉及一种大气SVOC(SemiVolatile Organic Compound，半挥发性有机污染物)的定向被动采样装置。

背景技术

大气环境中SVOC的浓度很低，常规的主动采样装置通过气泵等装置采集大量气体样品，经收集装置浓缩后进行分析测定，需要动力来源，使得采样点在空间布设位置上受到客观条件的限制。被动采样装置基于分子扩散原理，选择合适的吸收介质，暴露于大气环境一段时间后测定其中待测物质含量，并配合部分主动采样分析结果确定被动采样装置的采样效率，得到环境中待测物质的浓度信息。半透膜采样装置曾被广泛应用于水体中污染物的被动采集，首次被Petty应用于空气被动采样中(Jimmie D.Petty，James N.Huckins，James L.Zajicek，Application of semipermeable membrane devices(SPMDs)aspassive air samplers.Chemosphere，1993(27)：1609-1624)。Shoeib在被动采样装置比较研究中采用聚氨酯泡沫(PUF)材料作为吸收介质(Shoeib，M.；Harner，T.，Characterization and comparison of three passiveair samplers for persistent organic pollutants，Environ.Sci.Technol.2002(36)：4142-4151)，开发出PUF被动采样装置。

上述两种被动采样装置被广泛应用于大气监测与相关科学研究中，其分别以甘油三油酸酯和聚氨酯泡沫材料为吸收介质，放置在百叶箱或半封闭装置中进行大气中SVOC的被动采样，采样结束后提取吸收介质中待测物质、浓缩(必要时进行分离纯化)，分析吸收介质中SVOC的含量，并配合主动采样结果，经采集效率标定，计算得到大气中待测物的长期平均浓度。

在研究污染物跨界传输、长距离输送与溯源分析研究中，污染物来源方向是研究者非常关心的问题，目前的唯一解决办法是大气采样结合气固轨迹反演模型获得相关资料，但是这样的间接方法不能得到可靠的高分辨数据，因此希望能够获取到来自不同方向气团中SVOC的浓度信息。鉴于风速对介质对SVOC的吸收过程具有较大影响，上述现有技术的被动采样装置设计中将吸收介质材料放置在半封闭的容器内，形成相对的静风环境，以消除风速对采样效率的影响，因而无法获取特定风向气流中SVOC浓度的信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种大气半挥发性有机污染物的定向被动采样装置，以解决现有技术的被动采样装置无法获取特定风向气流中半挥发性有机污染物浓度信息的缺陷。

为了达到上述目的，本发明的技术方案提出一种大气半挥发性有机污染物的定向被动采样装置，包括进气口、出气口及外壳，该装置还包括：

前置单向阀及后置单向阀，设于所述外壳内，用于在特定风向条件下打开使气流进入；

吸收介质，设于所述前置单向阀及后置单向阀之间，垂直于所述进气口的平面放置，并与进气方向平行。

上述的定向被动采样装置中，所述吸收介质为多片间隔设置的聚氨酯泡沫。

上述的定向被动采样装置中，所述前置、后置单向阀在风向垂直于所述进气口的平面时打开。

上述的定向被动采样装置中，所述前置、后置单向阀的材质选用聚丙烯薄膜。

上述的定向被动采样装置中，所述出气口垂直于所述进气口向下设置。

上述的定向被动采样装置中，所述外壳是截面为正方形的管道，侧面为直角梯形。

上述的定向被动采样装置中，所述进气口设置于所述外壳的前端，所述出气口设置于所述外壳的底面末端。

上述的定向被动采样装置中，所述外壳的材质选用不锈钢。

本发明的技术方案通过在采样装置中设置单向阀，可以获取特定风向气流中半挥发性有机污染物浓度的信息；同时能够保证采样装置内部气流的稳定性及足够的采样效率。

附图说明

图1为本发明大气SVOC的定向被动采样装置实施例示意图；

图2为外部环境风速与本发明采样装置实施例内部气流流速的曲线关系示意图；

图3为不同风速条件下风向夹角与本发明采样装置实施例内部气流流速的曲线关系示意图；

图4a～4b为气流流速、温度与本发明采样装置实施例采样效率的曲线关系示意图；

图5a～5c为不同目标化合物的吸收动力学研究示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明大气SVOC的定向被动采样装置实施例示意图，如图所示，本实施例的定向被动采样装置包括进气口11、出气口12、外壳13；以及，前置单向阀14及后置单向阀15，其设于外壳13内，用于在特定风向条件下打开使气流进入；吸收介质161、162，设于前置单向阀14及后置单向阀15之间，垂直于进气口11的平面放置，并与进气方向A平行。

本实施例的采样装置选择聚氨酯泡沫(PUF)作为吸收介质，在吸收介质161、162前后分别安装单向阀14、15控制选择风向，在某一特定风向条件下阀门打开，其余情况下关闭，以达到定向采集的目的。实际应用中如想采集来自不同方向气团中SVOC，即可在不同方向上安装定向被动采样装置。

外壳13是一截面为正方形(50×50mm²)的管道，侧面为直角梯形，上端长200mm，下端长度为250mm，材质选用不锈钢材料，以避免造成本底污染。

本实施例的采样装置内部安装2片聚氨酯泡沫(50×70×10mm³，密度0.024g/cm³)作为吸收介质，垂直于左右两侧进气口平面与底面放置，与进气方向平行，二者之间间隔15cm。

吸收介质161、162前后分别安装单向阀14、15，材质选用聚丙烯薄膜(0.073mm，1.07g/cm³)，当风向垂直于进气口11平面时，单向阀14、15打开，流动气体携带目标化合物进入采样装置内部，与吸收介质发生接触；其他情况下处于关闭状态，以消除静风条件下或来自其他方向气流中待测物的干扰。

如图所示，外壳13的左端为进气口11，右端为出气口12，出气口12的设计方向向下，B即为装置的出气方向，从而可以避免逆向气流发生倒灌现象。

下面通过一个实验了解上述本发明实施例的效果。

1)风速对采样装置内部气流的影响

采用轴流风机(森朗，3000m³/h，SFG3-2R)模拟不同风速条件，直吹条件下，风速分别设定14个水平(变化范围0.7-14m/s)，使用热式风速计Kanomax-6004(0.1-20m/s，经DEM6(0.2-35m/s)校正)测定采样装置内部风速。

2)风向对采样装置内部气流的影响

采用轴流风机(森朗，3000m³/h，SFG3-2R)模拟不同风速条件，风速分别设定在2.4m/s、6.1m/s、10.8m/s水平，风向设定分别与采样装置中轴线呈0、15、30、45、60、75、90度，使用热式风速计Kanomax-6004(0.1-20m/s，经DEM6(0.2-35m/s)校正)测定采样装置内部风速。

3)风速与温度对采样效率的影响

目标化合物选用多环芳烃(16种)：naphthalene(NAP)，acenaphthene(ACE)，acenaphthylene(ACY)，fluorene(FLO)，phenanthrene(PHE)，anthracene(ANT)，fluoranthene(FLA)，pyrene(PYR)，benz[a]anthracene(BaA)，chrysene(CHR)，benzo[b]fluoranthene(BbF)，benzo[k]fluoranthene(BkF)，benzo[a]pyrene(BaP)，indeno[1，2，3-cd]pyrene(IcdP)，dibenz[a，h]anthracene(DahA)，benzo[g，h，i]perylene(BghiP)。

风速分别设定5个水平，范围0-11m/s，温度分别设定在7.8±1.1℃、16.0±0.7℃、26.3±0.6℃。在被动采样的过程中同时使用主动采样装置进行采样速率的校正，气态与颗粒结合态多环芳烃分别选用PUF(Supelco，直径22mm，厚度7.6cm，使用前用正已烷索提8小时)与玻璃纤维滤膜(GFFs，直径22mm，使用前450℃高温加热3小时)，真空泵(TMP 1500)抽气速度1.2L/min。

4)动力学研究

风速控制在1.1-1.3m/s水平情况下，采样时间分别设定为0、3、6、9、12、15、18、21天，以检验采样介质吸收是否符合线性模式。

样品采集与分析方法：采样结束后，立即将PUF与GFFs进行索氏提取，(正己烷+环己烷，1:1，10小时)。提取液旋蒸至1ml左右后直接上机分析(Agilent 6890+MSD Agilent 5973，HP-5MS毛细柱，30m×0.25mm i.d.×0.25μm film thickness)。载气He流速为1ml/min，升温程序为起始60℃，升温速度6℃/min，到280℃后持续20分钟，监测选用SIM模式。内标法定量(2-fluoro-1，1′-biphenyl andp-terphenyl-d14，J&K Chemical，USA，2.0μg/ml)。

分析方法的质量控制：方法检出限，0.85(NAP)-6.8(BghiP)ng/ml(针对提取液)；方法回收率，76％-124％(被动采样)、83.0-117.9％(主动采样)；平行双样变异系数，12％(气态)、13％(颗粒结合态)。

背景空白分析结果均低于样品分析结果一个数量级以上，所有分析结果经空白校正。图2为外部环境风速与本发明采样装置实施例内部气流流速的曲线关系示意图，如图所示的实验结果表明，采样装置内部气流流速与外部环境中风速成正比关系，可用以下公式计算不同风速条件下采样装置内部气流流速的变化。

V_i＝0.6458V_a-0.3294，r²＝0.939

式中V_a为外界环境风速，V_i为采样装置内部气流流速。

图3为不同风速条件下风向夹角与本发明采样装置实施例内部气流流速的曲线关系示意图，如图所示，当风向与采样装置中轴线夹角小于30度时，采样装置内部气流流速较为稳定，当风向与采样装置中轴线夹角大于30度时，采样装置内部气流流速迅速下降。可用以下公式计算不同风向夹角下采样装置内部气流流速的变化。

$\frac{V_d}{V_0}=\frac{1}{1+{(d/58.0)}^{5.72}},$ r²＝0.974

式中V_d为给定风向夹角为d时采样装置内部气流流速，V₀为夹角为0时装置内部气流流速，d为风向夹角。

通过上述公式，可以估算不同风速与风向夹角条件下采样装置内部气流流速。

风速与温度将影响采样装置的采样效率。图4a～4b为气流流速、温度与本发明采样装置实施例采样效率的曲线关系示意图。其中，图4a的目标化合物为ACY，图4b的目标化合物为CHR，温度均分别为7.8℃、16.0℃和26.3℃。如图所示的实验结果表明，采样速率与温度、风速之间的关系可以用下式很好地拟合：

其中U为采样速率，单位为m³/(device·min)；c为无限大风速下的采样效率，单位为m³/(device·min)；Vi为风速，单位为m/s，k为采样速率常数，单位为s/m。k的取值决定于温度与化合物性质，可用以下经验公式计算：

log k＝0.04 T-0.52log K_OA-8.34，r²＝0.90，

式中T为温度，单位为k；K_OA为正辛醇-空气分配系数(无量纲)。

图5a～5c为不同目标化合物的吸收动力学研究示意图，图5a的目标化合物为NAP，图5b的目标化合物为PHE，图5c的目标化合物为2环以上的12种多环芳烃。如图所示的采样装置动力学研究结果表明，4种2环物质(NAP，ACY，ACE和FLO)在采样期间(21天)内到达平衡，其他目标化合物均在线性范围内。因此，采样设备针对3环以及3环以上物质有效，如欲测定低环挥发性强的物质，装置还需要进一步改进。

应用上述本发明定向被动采样装置的一个实例如下：

在某大楼楼顶(高度25米)安装定向被动采样装置4台，分别指向东、西、南、北四个方向。同时采用小型气象站(HOBO，S-WCA-M003+micro station，USA)记录气象数据，采样时间165小时，每十五分钟记录平均风速。实验结果表明，根据小型气象站记录，瞬时最大风速为9.8m/s，15分钟平均风速为1.3m/s，第25百分位数与第75百分位数分别为0.93和2.04m/s，盛行风向为西北风与北风。通过上文中公式计算此气象条件下采样速率，进而计算来自各方向气团中多环芳烃的浓度。结果显示，来自北、东、南、西方向气团中多环芳烃的浓度分别为354，847，321，444ng/m³，平均浓度为492ng/m³。

以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。

Claims (8)

1、一种大气半挥发性有机污染物的定向被动采样装置，包括进气口、出气口及外壳，其特征在于，该装置还包括：

前置单向阀及后置单向阀，设于所述外壳内，用于在特定风向条件下打开使气流进入；

吸收介质，设于所述前置单向阀及后置单向阀之间，垂直于所述进气口的平面放置，并与进气方向平行。

2、如权利要求1所述的定向被动采样装置，其特征在于，所述吸收介质为多片间隔设置的聚氨酯泡沫。

3、如权利要求1所述的定向被动采样装置，其特征在于，所述前置、后置单向阀在风向垂直于所述进气口的平面时打开。

4、如权利要求1或3所述的定向被动采样装置，其特征在于，所述前置、后置单向阀的材质选用聚丙烯薄膜。

5、如权利要求1～3任一项所述的定向被动采样装置，其特征在于，所述出气口垂直于所述进气口向下设置。

6、如权利要求5所述的定向被动采样装置，其特征在于，所述外壳是截面为正方形的管道，侧面为直角梯形。

7、如权利要求6所述的定向被动采样装置，其特征在于，所述进气口设置于所述外壳的前端，所述出气口设置于所述外壳的底面末端。

8、如权利要求1～3任一项所述的定向被动采样装置，其特征在于，所述外壳的材质选用不锈钢。

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