CN103424281A

CN103424281A - 一种新型湿地土壤间隙水原位连续采样装置

Info

Publication number: CN103424281A
Application number: CN2012101470289A
Authority: CN
Inventors: 罗文邃; 张又弛
Original assignee: Institute of Urban Environment of CAS
Current assignee: Institute of Urban Environment of CAS
Priority date: 2012-05-14
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2013-12-04

Abstract

本发明涉及一种新型湿地土壤间隙水原位连续采样装置，由基于透析膜的新型原位连续采样器及其配套组件（惰性气体袋、超纯水容器、抽样器和样品收集容器）组成。该装置可以通过简单的一次组装和预埋、重复“平衡扩散-采样/注入惰性气体-更新超纯水-再平衡扩散-采样”的步骤即可对湿地土壤间隙水样品进行连续采集，在不破坏原位环境的情况下长期监测间隙水环境质量和动态变化。

Description

一种新型湿地土壤间隙水原位连续采样装置

技术领域

本专利涉及一种新型湿地土壤间隙水原位连续采样装置，特指利用基于透析膜的新型原位连续采样器及其配套组件构成的整体装置，可以对湿地土壤间隙水样品进行长期连续的原位采集与垂直分布的动态监测。

背景技术

湿地环境样品的原位采样与时空动态监测方法一直是科研工作者们努力研究/创新/完善的一项课题，尤其对湿地不同深度的土壤间隙水在不破坏原位环境的条件下进行连续地原位采样一直是一个未完成攻克的项目。传统的收集湿地土壤样品进行离心分离获得间隙水的方法对样品的水质组分尤其是易受氧化还原条件干扰的指标（如亚铁浓度等）带来很大干扰。现有环境监测和科学研究中使用的原位间隙水采样装置，包括透析膜装置（Peeper）、薄膜扩散平衡装置（DET）和薄膜扩散梯度装置（DGT）等（如Steinmann, Geochim. Cosmochim. 1997, 61:1143-l 163; Harper, Environ. Modell. Softw. 2000, 15:55-66; Menegário, Anal. Chim. Acta. 2010, 683:107-112），无法同时实现对间隙水的连续原位采样和空间分布的动态监测，即使通过反复放置-撤回步骤可部分实现对间隙水的时空动态监测，但由于反复操作过程不仅费时费力，还会对湿地环境会带来干扰，进而影响所监测到结果的真实性和准确性。专利CN 201724843 U曾经提出过一款“人工湿地孔隙水原位分层采样器”，该连续采样器需要人为上下移动采样管来实现不同深度湿地土壤间隙水的采集，既繁琐也易造成偏差，还会在移动中破坏土壤原位状态，影响样品数据准确性；同时它们所使用的陶土管/PVC管/管状滤筒等采样设备的透水孔孔径较大（1-5mm），无法有效防止土粒堵塞现象的发生。

发明内容

本专利针对目前湿地土壤间隙水原位采样装置的不足提出了一种新型原位连续采样装置。通过新型采样器上不同深度的采样室并连接采样/充水管来实现对湿地土壤不同深度间隙水的连续原位采集和垂直分布的动态监测，同时还考虑到对湿地原位环境尤其是不同深度厌氧条件的保护，引入惰性气体保护及去氧超纯水补充等机制，能够实现长期连续且不造成干扰破坏的原位采样监测。

本方法的核心装置为一套透析膜的原位连续采样器及其配套组件（惰性气体袋、超纯水容器、抽样器和样品收集容器）。

1) 原位连续采样器由开设有一系列采样室的采样器主体、两个面板、两个保护套及若干辅件（充水/采样管、尼龙螺丝）组成，采样室的正反面各固定透析膜，使采样室内水样与环境间隙水隔开。

(a) 采样器为聚甲基丙烯酸甲酯树脂(亚克力)材质，厚1cm，末端为尖端；采样器自上而下分布一系列垂直排列的采样室，具体采样室个数/尺寸/间距可根据实际需要设计；每个采样室左下端开设抽样孔，右上端开设换水孔；采样室四周分别设有螺丝孔，以固定透析膜并与主体和面板紧密连接，避免采样室内水样渗漏。

(b) 采样器面板为亚克力板，厚0.3-0.5cm，在与采样器主体相对应位置同样开设小室和螺丝孔。

(c) 透析膜作为采样时过滤使用，防止土粒进入采样室。其材质为孔径100-800纳米的抗污染且具有一定机械强度的惰性高分子膜（如聚偏二氟乙烯（PVDF）膜），还可根据样品测试需求选择相应的膜材质与孔径。

(d) 采样/充水管为耐腐蚀材质（如聚丙烯、聚乙烯或聚四氟乙烯），在采样室的侧面上端和另一侧面下端分别连接一根充水/采样管，同时两根管子通过接头相互连接起来，以保持采样室在不使用时与外界空气隔绝。

(e) 保护套作用是包括采样器两端样品管在插入湿地时不受损伤。其材质为亚克力，末端为尖端，靠近采样器一侧开设有与采样器对应的螺丝孔，在使用时可以固定成为一体。

2）惰性气体袋包括一个气袋，连接管及控制阀。

3）超纯水容器包括一个100-2000毫升的容器，配有密闭橡胶塞并与连接管及控制阀连接。

4）抽样器为1-50毫升的注射器，注射器材质和规格根据采样需求而定。

5）样品收集容器根据采集样品需求而定，常规指标检测可以使用玻璃或塑料管/瓶，涉及样品厌氧需求则应使用事先去氧的密封西林瓶。

该新型原位连续采样装置可以对湿地土壤间隙水展开原位连续采样和垂直分布动态监测，其具体操作步骤如下：

1）组装与闭合性测试：将预先酸泡处理过的透析膜铺在采样器的主体采样室的两侧，分别盖上面板，并涂一层簿膜状的玻璃胶以闭合主体和面板间的缝隙，避免采样室内水样在使用时发生渗漏，再将保护套装在采样器两侧包裹采样/充水管，通过尼龙螺母和螺帽使主体采样室、透析膜、面板和保护套固定在一起。使用前先通过注入超纯水进行采样器闭合性测试。

2）预埋：将组装好的原位连续采样器插入湿地中，并根据采样需求调整插入深度。将采样器抽样孔一侧的采样管连上抽样器，换水孔一侧的充水管连上超纯水容器（事先装满超纯水并去氧），打开超纯水容器阀门，通过拉动抽样器使采样器及两侧采样/充水管均注满超纯水，关闭超纯水容器阀门，通过接头将采样/充水管连通与外界空气隔绝，并让采样室内水样与土壤间隙水充分交换扩散，以保证采样室内外间隙水中无机离子和有机小分子达到扩散平衡。

3）采样：采样时，将采样器两端的采样管分别连上抽样器和惰性气体袋（事先充满惰性气体），打开气袋阀门，拉动抽样器，间隙水样品通过采样管流入抽样器，另一侧则注入惰性气体。拔出抽样器，将样品注入样品收集容器，同时关闭气袋阀门，将采样管与超纯水容器相连。随后，重新连接抽样器，打开超纯水容器阀门，拉动抽样器将超纯水注满采样室及两侧采样管。关闭超纯水容器阀门，将采样管通过接头连通密封，继续放置一定时间以达到新一轮扩散平衡。

4）在监测所需的各个时间点，重复以上采样操作进行原位采样，在不破坏原位环境的情况下获得长期连续的湿地不同深度间隙水样品，对其中所需的各种环境指标（如金属离子、小分子有机酸等）进行连续采样和垂直分布动态监测。

该原位连续采样装置操作简便、经济实用，可以对湿地土壤间隙水展开长期连续采集，不需要像现有原位采样技术反复插拔采样器，减少了对原位环境的干扰，提高了采样效率；同时样品在惰性气体的保护下，能够很好地保存原位的水质和各种化学组分等信息。根据前期实验室验证和田间小试结果表明该原位连续采样装置在湿地原位采样领域能够具有很好的应用前景。

附图说明

附图1为湿地土壤间隙水原位连续采样器示意图。图中：A、采样器正视图；B、采样器侧视图；C、采样室管路示意图。1、采样器；2、保护套；3、保护套封闭末端；4、采样室；5、螺丝孔；6、采样管；7、充水管；8、采样管接头；9、采样器主体；10、采样器面板；11、透析膜；12、充水孔；13、抽样孔。

附图2为应用该采样器进行湿地土壤间隙水原位连续采样的流程示意图。

附图3为原位连续采样器操作过程示意图。图中：A、原位采样；B、更新超纯水。1、采样器；2、采样室；3、湿地；4、抽样器；5、惰性气体袋；6、超纯水容器。

Claims

1.本专利涉及一种新型湿地土壤间隙水原位连续采样装置，由基于透析膜的新型原位连续采样器及其配套组件（惰性气体袋、超纯水容器、抽样器和样品收集容器）组成。

2.本专利涉及的新型原位连续采样器包括由聚甲基丙烯酸甲酯树脂(亚克力)的采样器主体、面板和保护套、以及透析膜、采样管等辅件构成。

3.本专利涉及的原位连续采样器开设有一系列垂直排列的采样室，同时采样室两边侧分别设计了抽样/换水孔，并连接有采样管/充水管，可实现对间隙水非破坏性连续采样与垂直分布的动态监测。

4.本专利涉及的原位连续采样器使用方法包括组装与闭合性测试、预埋、平衡扩散、采样/注入惰性气体、更换超纯水、再平衡扩散、循环采样等步骤。