CN101865794A - 一种大气中气态汞的被动采样装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大气中气态汞的被动采样装置，该装置包括一可垂直悬挂的空气扩散管，该空气扩散管的底部为进风口，其为多孔结构，在空气扩散管内，上方固定有一盛有吸附介质的吸附盘，顶部设有密封盖。本发明应用了大气扩散和表面风速阻滞的原理，有效减小外界风速和大气颗粒物对采样的影响，可全天候放置于野外进行样品采集。该被动采样装置无需电源，妥善放置后无需人员值守，在采样点的布设方面具有更大的灵活性，相关成本也更低，适用于中长期时间尺度的污染趋势和大规模区域性监测。
Description
技术领域
本发明属于大气监测技术领域，具体涉及一种大气中气态汞的被动采样装置。
背景技术
汞是环境中比较重要的一类污染物，大气中的气态汞90％以上为元素态汞(Hg0)，少量为氧化态汞(如氯化汞、溴化汞)和有机态汞(如甲基汞)。气态汞可进行长距离传输(几万公里)，参与全球汞循环，对生态系统和人体健康都有重要危害。大气中汞的浓度很低，常规主动采样的方式依靠气泵在短时间内采集大量气体，将其中的汞富集浓缩进行测定。主动采样方式需要电源，监测的时间尺度很短，通常为几分钟或几十分钟，需要人员值守操作，吸附介质通常为金丝，成本昂贵。主动采样不适用于偏远地区，特别汞污染严重的矿山地区，在无电源和无人值守情况下的监测，也不适用于大时间尺度的长期趋势性监测。对于室内汞污染的长期人体暴露监测和评价，主动采样也不适合。
被动采样利用分子扩散的原理，在待测的大气环境中放置一段时间，使大气中的污染物富集在恰当的吸附介质上，浓缩后进行分析测定。被动采样装置无需电源，妥善放置后无需人员值守，可监测中长期(星期或月)时间尺度内的平均情况。与主动采样相比，被动采样技术在采样点的布设方面具有更大的灵活性，相关成本也更低。
张奇生和阮维林发明了一种以水玻璃与活性炭粉为原料的吸附介质(专利号CN85100596)，适用于采集高浓度环境下的汞蒸汽。Brumbaugh等人将金的硝酸溶液灌注在聚乙烯膜中，用来采集大气和水中的汞(W.G.Brumbaugh，J.D.Petty，T.W May，J.N.Huckins.Apassive integrative sampler for mercury vapor in air and neutral mercury species in water.Chemosphere：Global Change Science.2000，2：1-9)。Lyman等用一种阳离子树脂膜选择性地采集大气中的氧化态汞(Seth N.Lyman，Mae S.Gustin，Eric M.Prestbo.A passive sampler forambient gaseous oxidized mercury concentrations.Atmospheric Environment.2010，44：246-252)。美国SKC公司生产的520型徽章式被动采样器，用一种金属氧化物作为吸收介质，佩戴在工人衣领上用于工业场所汞暴露的监测。
环境大气中汞的浓度很低，上述的被动采样技术和装置适用于高浓度的工业场所，或具有特殊的选择性，不适用于环境大气中汞污染监测和气态汞跨地区长期迁移趋势研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大气中气态汞的被动采样装置，该装置可全天候放置于野外进行样品采集，符合国内外理论界对于大气被动采样的要求。
本发明提供的大气中气态汞的被动采样装置，包括一空气扩散管，该空气扩散管的底部为进风口，其为多孔结构，在空气扩散管内，上方固定有一盛装吸附介质的吸附盘，顶部设有密封盖。
圆筒形空气扩散管下端均匀开孔，垂直放置，起到降低风速影响，保持优化的空气扩散距离的作用。空气扩散管的管长与进风口直径的比2-4∶1，空气扩散管底部孔的直径小于2mm。
所述吸附盘为一盛放吸附介质的敞口盒子，该盒子的底部为网状结构，网孔的直径小于0.5mm，且设有大于100目(小于150μm)的筛网，起到进一步降低吸附面表面风速和防止大气中细颗粒物附着的作用。
空气扩散管、吸附盘和密封盖为聚乙烯材料制得，空气扩散管和密封盖为螺纹连接，在密封盖的下边缘再设一凹陷的内壁可与吸附盘螺纹连接，可以有效避免长期放置过程中雨、雪对被动采样的影响。
吸附介质可采用改性活性炭(如载硫活性炭或载银活性炭)，也可根据特定监测需要采用特异性吸附介质。
本发明的优点是：
本发明的各部分巧妙地应用了大气扩散和表面风速阻滞的原理，有效减小外界风速和大气颗粒物对采样的影响，可全天候放置于野外进行样品采集，符合国内外理论界对于大气被动采样的要求。本装置以气态汞的日均采集量为数据表达形式，与主动采样结合可以得到被动采样效率及二者间的定量关系，从而根据日均采集量数据计算环境空气中气态汞的浓度水平。
附图说明
图1本发明的气态汞被动采样装置结构图；
图2本发明的被动采样装置数据与主动采样数据关系图(室外环境)；
图3本发明的被动采样装置数据与主动采样数据关系图(室内环境)。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步描述。
1.密封盖1：圆形，直径40mm，厚10mm。具有多重螺纹，安装在空气扩散管顶部，可以阻挡雨、雪、降尘。盖子下端采用阶梯式组合分别与空气扩散管2和吸附盘3相连，二者之间用多重螺纹，进一步防止雨、雪、降尘进入吸附盘。盖子上端安装固定钩4，便于采样装置的野外安放。
2.空气扩散管2：圆筒形，直径40mm，长120mm。底部5均匀分布24个直径为2mm的圆孔，消除风速影响，提供优化的空气扩散距离。使用时下端向下，垂直放置。
3.吸附盘3：圆形，直径30mm，高20mm，安置在空气扩散管内，位于其上部，吸附盘的底部由细孔网板组成，且底部覆盖有筛网，细孔网板上均匀分布多个直径0.5mm的孔，起到进一步降低吸附面表面风速的作用。筛网的孔径为大于100目(小于150um)，减小大气中悬浮颗粒物的影响。
4.吸附介质：吸附介质盛装在吸附盘中，起到对气态汞的富集作用。可以使用改性活性炭，如载硫活性炭或载银活性炭，也可根据特定监测需要采用特异性的吸附介质。
本装置的气态汞有效扩散距离与有效吸附面直径的比例为3∶1，既最大限度降低外界风速对采样的影响，确保通过大气分子扩散实现被动采样，又能获得稳定可靠的采样效率，同时也减小采样器的体积，便于野外采样携带和安置。
本次实施中，采用载硫活性炭作为吸附剂，对该装置在室内和室外不同汞浓度的环境空气中进行了采样实验。在相同采样点定期进行主动采样，用于计算和评价被动采样装置的采样效率。本实施中以载硫活性炭为吸附介质，该活性炭为粒状，过20×40目筛，表观密度为0.59g/m3，载硫量不低于10％。
主动采样使用俄罗斯Lumex公司生产的RA 915+型塞曼效应汞分析仪，该仪器基于汞原子对254nm共振发射线的吸收和塞曼效应背景校正原理，应用具有偏振光高频调制器和利用塞曼效应扣除背景的原子吸收光谱技术，可以实时监测大气中汞浓度。主动采样的气泵抽气速度为20L/min，在检测响应时间为30秒的情况下，检出限为0.3ng/m3。
采样结束后，被动采样的吸附介质依据美国EPA-7473《固态和液态样品中汞的分析方法》，用DMA-80测汞仪(意大利Milestone公司)进行测定。该方法是基于高温分解(ThermalDecomposition)-汞齐化捕集(Amalgamation)-原子吸收光谱法(Atomic AbsorptionSpectrophotometry)。样品在300摄氏度下预干燥10秒，在650摄氏度下热解180秒，分解产物由高纯氧气流(99.995％)带入催化管进行进一步的氧化分解，样品中的汞全部转化为氧化汞蒸气，进入金汞齐化器，氧化汞被还原为元素汞并以金汞齐形式被选择性捕集，加热汞齐化器解吸出汞，进入原子吸收检测器测定。催化和齐化过程中，净化时间为60秒，齐化时间12秒，信号峰积分时间30秒。样品平行测定的相对标准偏差(RSD)小于10％。被动采样装置的平均采样效率，在室外情况下为121L/day，相对标准偏差为9L/day；在室内情况下为32L/day，相对标准偏差为7L/day。在采样时间为40天的情况下，被动采样装置的检出限为0.2ng/m3。
实验数据显示，室内和室外大气中气态汞的主动采样结果(单位ng/m3)与被动采样结果(单位ng/sampler·day)之间有显著相关性(显著性水平p＜0.05)。室外气态汞的主动采样与被动采样数据的关系如图2所示，线性回归方程为：
Y＝10.481X-1.1028，r2＝0.81 (1)
其中，Y：气态汞主动采样结果(ng/m3)；X：气态汞被动采样结果(ng/sampler·day)。
室内气态汞的主动采样与被动采样数据的关系如图3所示，线性回归方程为：
Y＝39.841X-4.8862，r2＝0.93 (2)
其中，Y：气态汞主动采样结果(ng/m3)；X：气态汞被动采样结果(ng/sampler·day)。
将本发明的气态汞被动采样装置分别应用于一处室内环境和室外环境，室内环境中的采样时间为10天，室外环境中的采样时间为30天。根据公式(1)，将室外采样的结果换算成体积浓度为3.1ng/m3，同期主动采样结果为3.7ng/m3，相对标准偏差为12％。根据公式(2)，将室内采样的结果换算成体积浓度为68.1ng/m3，同期主动采样结果为66.0ng/m3，相对标准偏差为3％。
本发明实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (8)
1.一种大气中气态汞的被动采样装置，其特征在于，包括一空气扩散管，该空气扩散管的底部为进风口，其为多孔结构，在空气扩散管内，上方固定有一盛有吸附介质的吸附盘，顶部设有密封盖。
2.如权利要求1所述的采样装置，其特征在于，所述空气扩散管的管长与进风口直径的比2-4∶1。
3.如权利要求2所述的采样装置，其特征在于，空气扩散管底部孔的直径小于2mm。
4.如权利要求1所述的采样装置，其特征在于，所述吸附盘为一盛放吸附介质的敞口盒子，该盒子的底部为网状结构，网孔的直径小于0.5mm。
5.如权利要求4所述的采样装置，其特征在于，吸附介质与吸附盘的底部之间增加一大于100目的筛网。
6.如权利要求4所述的采样装置，其特征在于，所述空气扩散管、吸附盘和密封盖为聚乙烯材料制得，空气扩散管和密封盖为螺纹连接，在密封盖的下边缘有一凹陷的内壁可与吸附盘螺纹连接。
7.如权利要求1所述的采样装置，其特征在于，所述密封盖上固定一钩，用于将空气扩散管垂直悬挂。
8.如权利要求1所述的采样装置，其特征在于，所述吸附介质为改性活性炭。
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