CN102221489A - 一种用于组合采集大气痕量形态汞的方法和装置 - Google Patents

一种用于组合采集大气痕量形态汞的方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种对大气中痕量形态汞进行组合采样的方法和装置，属于大气环境监测技术领域。该方法采用程控器控制采样过程，采样气流依次经过填装KCl镀层的扩散管、装设石英纤维的滤膜管以及镀金石英砂的捕汞管，大气中的痕量气态二价汞(RGM)、颗粒态汞(pHg)以及气态单质汞(GEM)，分别被KCl饱和溶液、石英纤维滤膜和镀金石英砂所吸附或截留，实现了3种不同形态汞的组合采样。本发明装置系统简单，参数调整精确，运行可靠，实验效率高，对大气中3种不同形态的痕量汞进行同步串联采样，减少野外作业所需携带的大量器材，提高实验效率，达到事半功倍的作用。

Description

一种用于组合采集大气痕量形态汞的方法和装置
技术领域
本发明属于大气环境监测技术领域，是一种对大气中痕量形态汞进行组合采样的方法和装置。
背景技术
汞(Hg)是一种高毒性的、生物体内非必需的重金属元素，也是唯一主要以气态形式存在于大气的重金属污染物。大气环境是汞迁移转化的重要场所，大气环境中的汞依据物理化学形态主要分为：气态单质汞(Hg0，Gaseous ElementalMercury，GEM)、活性气态汞(Hg2+，Reactive Gaseous Mercury，RGM)和颗粒态汞(pHg，Particle Mercury，吸附于大气颗粒物中)三种。表1是各形态汞在大气总汞中的形态分类与比例。
表1  大气中汞的形态分类与比例
Figure GSA00000067468100011
GEM具有较高的挥发性和很低的水溶性，极易在大气环流中通过长距离的迁移扩散成为全球性污染物，在大气中的平均停留时间约为0.5～2a。RGM和pHg则具有较高的沉降速率，在大气中的滞留时间短，一般不参与长距离的大气传输，二者在大气总汞的比例虽然很少，但在汞的生物地球化学循环过程中却扮演着重要的角色，是大气汞沉降的最主要来源。大气汞的来源包括自然源和人为源，其中人为源主要包括化石燃料的燃烧、有色金属冶炼、氯碱工业、炼汞活动等。而自然源则主要包括火山与地热活动、土壤和水体表面挥发作用等。
工业革命以来，人为源的汞释放强度不断增加。研究认为，目前全球人为源每年约向大气排放2100t汞，其中GEM、RGM和pHg的释放量分别约为1480、480和140t。大气中汞的平均浓度较工业革命前增加了3倍左右，背景值在1.5～2.0ng/m3之间。
我国人为源大气汞排放量约500～700吨/年，汞排放较多的主要原因是我国对能源的需求较大而污染排放治理能力却较为落后。燃煤和有色金属冶炼是两个最大的人为汞排放源，年均排放量约占总排放量的80％。在我国快速城市化与工业化的背景下，燃煤消耗量持续增长，大气汞排放量也将不断上升。
表2是目前我国部分区域大气中汞的浓度水平，从表2可以发现，我国开展大气中汞浓度水平研究的区域还很少，而且主要局限在气态总汞上，对形态汞的研究基本未涉及。有限的研究数据同时也表明，我国大气中汞浓度远高于全球背景值，这主要是由于较强的人为汞排放造成的。
表2  我国部分区域大气中汞的浓度水平
Figure GSA00000067468100021
尽管我国是汞的排放大国，大气中汞浓度也呈不断上升趋势，然而，目前却尚未系统、全面地建立大气环境汞排放清单和汞污染监测网络，有关大气汞的迁移转化与污染特征方面的研究也比较少。究其原因，与大气中汞的采样收集困难、分析过程繁琐、方法不成熟等因素有密切关系。由于大气中汞的浓度属痕量级(ng/m3级或pg/m3级)，加上涉及三种不同形态汞的采集，因此，高效地采集大气中各类形态汞样品，一直是环境化学领域中面临的巨大挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种操作简单、能对大气主要的三种痕量形态汞进行串联采集的方法和装置，从而实现快速、高效地组合采集大气汞样品。
本发明的技术方案是制备不同形态汞的吸附或分离材料，提高大气中不同形态汞的采样富集效率，并在此基础上实现大气中痕量的GEM、RGM、pHg样品的采样技术组合。
采样装置由扩散管、滤膜管、捕汞管、空气采样泵、流量控制器以及程控器等部件组成。捕汞管采用镀金石英砂作为气态单质汞(GEM)的吸附材料，石英管长约2～20cm、内径约0.2～2.0cm，其中装有一定量的镀金石英砂，管子两端用石英棉塞紧；扩散管为环形石英管，采用KCl镀层作为气态二价汞(RGM)的吸附材料；选用石英纤维滤膜作为颗粒态汞(pHg)的截留材料，滤膜直径20～200mm、孔隙0.2～10μm，采样前在马弗炉中进行高温净化，经衡重后置于4℃的冰箱备用。
本发明装置的构造如说明书附图所示。扩散管(1)由环形的同轴石英管、涂覆在石英管外管内壁和内管外壁的KCl镀层以及保温元件组成；滤膜管(2)配有两根可嵌套在一起的不同管径石英管、滤膜膜托以及密封装置；捕汞管(3)内填充镀金石英砂；流量控制器(4)用于调节与计算采样过程的气体流速和体积；采样泵(5)为采样装置提供采样动力；控制器(6)可协调控制采样装置各部件。
本发明的操作过程是：程控设置大气痕量汞的采样运行工况，启动采样汞，气流首先经过扩散管，空气中的气态二价汞(RGM)溶解在KCl镀层中，为防止空气中湿份对KCl镀层的溶解，采样过程对扩散管进行恒温加热。之后气流经过滤膜管，空气中与颗粒物相结合的汞(pHg)被石英纤维滤膜所截留。最后气流通过捕汞管，空气中的气态单质汞(GEM)与管中的石英砂镀金层生成金汞齐，从而实现大气痕量形态汞的组合采样。
本发明的特点主要如下：
(1)对3种不同形态的大气痕量汞进行同步串联采样，减少野外作业所需携带的大量器材，提高实验效率，达到事半功倍的作用。
(2)3种不同形态的大气痕量汞的采样吸附材料经处理后可重复使用，避免频繁更换采样介质的问题出现。
附图说明
说明书附图大气痕量形态汞采集装置示意图
具体实施方式
实施例1：
在晴好天气条件下使用采样装置，采样流量为2～30L/h，扩散管恒温加热温度为30～80℃，总采样时间为0.2～2h。样品经分析后RGM、pHg、GEM的浓度分别是21.2pg/m3、107.5pg/m3、4.5ng/m3，吸附介质材料KCl镀层、石英纤维滤膜、镀金石英砂的汞脱附率分别达到99.7％、99.6％、99.9％。
实施例2：
在阴霾天气条件下使用采样装置，采样流量为2～30L/h，扩散管恒温加热温度为30～80℃，总采样时间为0.2～2h。样品经分析后RGM、pHg、GEM的浓度分别是35.7pg/m3、215.5pg/m3、5.2ng/m3，吸附介质材料KCl镀层、石英纤维滤膜、镀金石英砂的汞脱附率分别达到99.6％、99.4％、99.8％。

Claims (5)

1.一种用于组合采集大气痕量形态汞的方法和装置，包括下述装置：扩散管(1)由环形的同轴石英管、涂覆在石英管外管内壁和内管外壁的KCl镀层以及保温元件组成；滤膜管(2)配有两根可嵌套在一起的不同管径石英管、滤膜膜托以及密封装置；捕汞管(3)内填充镀金石英砂；流量控制器(4)用于调节与计算采样过程的气体流速和体积；采样泵(5)为采样装置提供采样动力；控制器(6)可协调控制采样装置各部件的工作状况。
2.根据权利要求1所述的用于组合采集大气痕量形态汞的方法，其特征在于：所述的采样方式是串联组合扩散管、滤膜管和捕汞管，依次同步采集大气中的痕量气态二价汞(RGM)、颗粒态汞(pHg)以及气态单质汞(GEM)。
3.根据权利要求1所述的用于组合采集大气痕量形态汞的方法，其特征在于：所述的扩散管恒温加热温度为30～80℃。
4.根据权利要求1所述的用于组合采集大气痕量形态汞的方法，其特征在于：所述的采样时间为0.2～2h。
5.根据权利要求1所述的用于组合采集大气痕量形态汞的方法，其特征在于：所述的采样流量为2～30L/h。
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