CN106525517B - 一种以自然风为动力的大气活性气态汞采样装置 - Google Patents

一种以自然风为动力的大气活性气态汞采样装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以自然风为动力的大气活性气态汞采样装置，包括防雨雪顶盖、颗粒物分离槽、活性气态汞捕集槽、风力自转涡轮、风向通道；所述的防雨雪顶盖位于整个装置的最顶部；所述的颗粒物分离槽竖直设置在防雨雪顶盖的下方，所述的活性气态汞捕集槽竖直设置在颗粒物分离槽；所述的风向通道由形状相同的第一通道、第二通道、第三通道和第四通道组成，四个通道的相交处为风向通道的中央位置，风力自转涡轮设置在风向通道的中央位置。本装置各部分的设计和组合巧妙地以自然风力作为活性气态汞捕集的动力源，利用任何平行方向的空气流动，在分离槽和采样槽产生空气流，使大气中颗粒物滞留在滤膜上，实现大气中的颗粒物与活性气态汞有效分离。

Description

一种以自然风为动力的大气活性气态汞采样装置
技术领域
本发明涉及大气中环境污染物监测技术领域，更具体地说，涉及一种借助于自然风采集自然大气环境中活性气态汞的装置。
背景技术
作为环境中汞传输的最主要通道，大气在汞的全球生物地球化学循环中起着极其重要的作用。大气中汞的存在形式主要有元素形态汞(占大气气态总汞90％以上)、活性气态汞(如HgCl2、HgBr2等)和颗粒态汞。大气中元素汞具有较强远距离迁移能力，可随着大气环流迁移至距污染排放源上千公里的地方。人为活动直接排放的活性气态汞和颗粒态汞相对较少，但由于具有更高干沉降、湿沉降速率和化学反应活性，也因此更容易从大气环境中转移到地表环境中。汞在大气环境传递过程中会经历复杂的均相和非均相化学反应，由此导致活性气态汞、颗粒态汞和元素汞在形态间相互转化，从而成为影响大气汞的远距离传输尺度和沉降进入地表的关键过程。进入到地表水环境中的无机汞在水生微生物作用下可以转化为毒性更加强烈的甲基汞，通过水生食物链或是农作物生物富集转移到食物中，最终给相关食用人群带来严重的健康风险。
常规的大气活性气态汞主动采样方式依靠抽气泵在短时间内采集大量环境气体，并用氯化钾作为吸附介质将其中的活性气态汞捕集和固定。传统的主动采样方式依赖电力供应作为动力来源，不适用于偏远地区的采样监测，而后续开发的被动采样监测也以氯化钾为吸附介质，尽管摆脱了对电力和人力的高度依赖，但却存在着对活性气态汞吸附效率不稳定、富集过程较漫长，且不能够有效反映短时间内大气中活性气态汞的真实浓度变化。现有的采用氯化钾为吸附介质的吸附方式也被证明存在一定的问题，如氯化钾镀层在相对湿度或臭氧浓度较高环境中对活性气态汞吸附效率大大降低，从而无法反映真实环境水平。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供了一种以自然风为动力的大气活性气态汞采样装置，不依赖外界电源供应，以自然风力作为动力来源，放置在合适的监测地点后无需人值守，可监测长时间尺度内的污染物浓度水平，与主动采样相比，以自然风为动力在采样点的布设方面具有更大的灵活性，可以进行大范围的样点布设和监测，与依靠氯化钾吸附的被动采样方式相比，具有更高的捕集效率。同时，本发明以阳离子交换滤膜作为捕集介质，克服了现有氯化钾吸附介质采样效率不稳定的问题。
一种以自然风为动力的大气活性气态汞采样装置，包括防雨雪顶盖、颗粒物分离槽、活性气态汞捕集槽、风力自转涡轮、风向通道；
所述的防雨雪顶盖位于整个装置的最顶部；
所述的颗粒物分离槽竖直设置在防雨雪顶盖的下方，颗粒物分离槽由支角、侧板、分离槽孔板、垫圈和分离槽支架组成，支角与防雨雪顶盖相连，侧板为圆柱形结构，侧板下部连接分离槽孔板，分离槽孔板上均匀分布有圆孔，分离槽孔板上放置过滤膜，颗粒物分离槽下端设置有第一螺纹与活性气态汞捕集槽上端的第二螺纹固定竖直相连，所述的活性气态汞捕集槽由上到下依次分为第二螺纹、捕集槽第一支架、捕集槽孔板、阳离子交换膜、捕集槽第二支架、第三螺纹，捕集槽孔板上均匀分布有圆孔，分离槽孔板上放置阳离子交换膜；
所述的风向通道由形状相同的第一通道、第二通道、第三通道和第四通道组成，其中，第一通道与第二通道在水平面上形成的角度为90°，第二通道与第三通道在水平面上形成的角度为90°，第三通道与第四通道在水平面上形成的角度为90°，第四通道与第一通道在水平面上形成的角度为90°，第一通道、第二通道、第三通道和第四通道的入口设置有风门，四个通道的相交处为风向通道的中央位置，风力自转涡轮设置在风向通道的中央位置，风向通道的中央位置的上表面设置有与第一通道、第二通道、第三通道和第四通道上表面均相连的连接板，连接板中心设置有圆孔，风力自转涡轮顶端的第四螺纹穿出圆孔，与气态汞捕集槽下端的第三螺纹相连。
而且，所述的防雨雪顶盖为圆锥形结构，防雨雪顶盖的高h为80～90mm，防雨雪顶盖底的直径d为100～110mm。
而且，所述的颗粒物分离槽的支角为短棒结构，所述的颗粒物分离槽的支角数量为3～8个，长度为20～30mm，支角均匀水平设置在侧板顶部，支角与防雨雪顶盖的内侧面接触，使防雨雪顶盖和颗粒物分离槽之间存有空隙与空气联通。
而且，所述的侧板高20～30mm，侧板上部与空气联通；分离槽孔板的直径为50～60mm，分离槽孔板上的圆孔的直径为5～8mm，圆孔的数量为20～25个。
而且，所述的过滤膜为玻璃纤维滤膜，过滤膜由所述的垫圈压住。
而且，所述的捕集槽孔板的直径为50～60mm，捕集槽孔板上均匀分布有圆孔，圆孔的直径为2～4mm，圆孔的数量为40～50个，捕集槽孔板上放置阳离子交换膜。
而且，所述的风力自转涡轮为椭圆球形，直径为50～60mm，由同为顺时针或者逆时针方向的12～18个波浪形叶片组成。
而且，所述的风向通道的第一通道和第三通道方向上的长度L为600～700mm，所述的风向通道的第二通道和第四通道方向上的长度L为600～700mm；所述的第一通道、第二通道、第三通道和第四通道均为长方体中空结构，所述的入口长度d2为80～85mm，高度h2为60～65mm；所述的风门的长度d1为100～105mm，高度h1为80～85mm；所述的圆孔的直径为20～30mm。
而且，所述的颗粒物分离槽的侧板、分离槽孔板、垫圈、风力自转涡轮和进气道的材料为聚乙烯。
而且，风向通道的中央位置的下方(即风力自旋涡轮的下方)设置连接板，用于密封该区域，自然风由风口进入风向通道。
而且，风向通道的中央位置的下方(即风力自旋涡轮的下方)不设置连接板，此时该区域与外界连通，自然风由风口或者该区域进入风向通道。
本装置各部分的设计和组合巧妙地以自然风力作为活性气态汞捕集的动力源，利用任何平行方向(加装定向风向通道之后也可实现对某一特定方向的空气流实现收集)的空气流动，在分离槽和采样槽产生空气流，使大气中颗粒物滞留在滤膜上，实现大气中的颗粒物与活性气态汞有效分离。本装置可全天候放置于野外进行样品采集，同时配置小型便携式气象站，实时记录采样时间段内的风速和风向变化情况。本装置以活性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活性气态汞的采样效率及二者间定量关系，从而根据日均采集量数据估算环境空气中活性气态汞的浓度水平。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中防雨顶盖示意图；
图3是图1中颗粒物分离槽示意图；
图4是图1中活性气态汞捕集槽示意图；
图5是图1中风力自转涡轮的示意图；
图6是图5的俯视图；
图7为风向通道的示意图；
图8为第一通道和第二通道交叉形成的底面处的区域I的示意图。
其中：1为防雨顶盖，2为支角，3为侧板，4为分离槽孔板，5为垫圈，6为分离槽支架，7为大气颗粒物分离槽，8为阳离子交换膜，9为捕集槽孔板，10-1为捕集槽第一支架，10-2为捕集槽第二支架，11为活性气态汞捕集槽，12为风力自转涡轮，12-1为叶片，13为风向通道，14为风门，15为第一通道，16为第二通道，17为连接板，18为圆孔，19为第三通道，20为第四通道，21-1为第一螺纹，21-2为第二螺纹，21-3为第三螺纹，21-4为第四螺纹。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不应理解为对本发明的限制。
一种以自然风为动力的大气活性气态汞采样装置，包括防雨雪顶盖、颗粒物分离槽、活性气态汞捕集槽、风力自转涡轮、风向通道；
所述的防雨雪顶盖位于整个装置的最顶部；
所述的颗粒物分离槽竖直设置在防雨雪顶盖的下方，颗粒物分离槽由支角、侧板、分离槽孔板、垫圈和分离槽支架组成，支角与防雨雪顶盖相连，侧板为圆柱形结构，侧板下部连接分离槽孔板，分离槽孔板上均匀分布有圆孔，分离槽孔板上放置过滤膜，颗粒物分离槽下端设置有第一螺纹与活性气态汞捕集槽上端的第二螺纹固定竖直相连，所述的活性气态汞捕集槽由上到下依次分为第二螺纹、捕集槽第一支架、捕集槽孔板、阳离子交换膜、捕集槽第二支架、第三螺纹，捕集槽孔板上均匀分布有圆孔，分离槽孔板上放置阳离子交换膜；
所述的风向通道由形状相同的第一通道、第二通道、第三通道和第四通道组成，其中，第一通道与第二通道在水平面上形成的角度为90°，第二通道与第三通道在水平面上形成的角度为90°，第三通道与第四通道在水平面上形成的角度为90°，第四通道与第一通道在水平面上形成的角度为90°，第一通道、第二通道、第三通道和第四通道的入口设置有风门，四个通道的相交处为风向通道的中央位置，风力自转涡轮设置在风向通道的中央位置，风向通道的中央位置的上表面设置有与第一通道、第二通道、第三通道和第四通道上表面均相连的连接板，连接板中心设置有圆孔，风力自转涡轮顶端的第四螺纹穿出圆孔，与气态汞捕集槽下端的第三螺纹相连。
而且，所述的防雨雪顶盖为圆锥形结构，防雨雪顶盖的高h为80mm，防雨雪顶盖底的直径d为100mm。
而且，所述的颗粒物分离槽的支角为短棒结构，所述的颗粒物分离槽的支角数量为4个，长度为20mm，支角均匀水平设置在侧板顶部，支角与防雨雪顶盖的内侧面接触，使防雨雪顶盖和颗粒物分离槽之间存有空隙与空气联通。
而且，所述的侧板高20mm，侧板上部与空气联通；分离槽孔板的直径为50mm，分离槽孔板上的圆孔的直径为5mm，圆孔的数量为20个。
而且，所述的过滤膜为玻璃纤维滤膜，过滤膜由所述的垫圈压住。
而且，所述的捕集槽孔板的直径为50mm，捕集槽孔板上均匀分布有圆孔，圆孔的直径为2mm，圆孔的数量为40个，捕集槽孔板上放置阳离子交换膜。
而且，所述的风力自转涡轮为椭圆球形，直径为50mm，由同为顺时针或者逆时针方向的12个波浪形叶片组成。
而且，所述的风向通道的第一通道和第三通道方向上的长度L为600mm，所述的风向通道的第二通道和第四通道方向上的长度L为600mm；所述的第一通道、第二通道、第三通道和第四通道均为长方体中空结构，所述的入口长度d2为80mm，高度h2为60mm；所述的风门的长度d1为100mm，高度h1为80mm；所述的圆孔的直径为20mm。
而且，所述的颗粒物分离槽的侧板、分离槽孔板、垫圈、风力自转涡轮和进气道的材料为聚乙烯。
而且，风向通道的中央位置的下方(即风力自旋涡轮的下方，即图8所示的区域I)设置连接板，用于密封该区域，自然风由风口进入风向通道。
而且，风向通道的中央位置的下方(即风力自旋涡轮的下方，即图8所示的区域I)不设置连接板，此时该区域与外界连通，自然风由风口或者该区域进入风向通道。
本次实施中，在同一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。分离槽中采用玻璃纤维滤膜，采样中用到的玻璃纤维滤膜有效直径为50mm。捕获槽中采用Pall公司生产的MSTG25S6阳离子交换滤膜，用以捕集分离颗粒物之后空气中的活性气态汞。
在测试前通过仪器测定当地的风向，将第一通道正南正北、第二通道正东正西放置或者根据风向的角度调整风向通道的放置方向。区域I处(如附图8所示，即风力自旋涡轮的下方)根据实际情况可设置连接板也可不设置连接板，并且，四个风门可以根据实际情况选择性地开关。
环境中活性气态汞的主动监测Tekran 2537B，1130和1135大气汞形态分析系统(美国Tekran公司)，同时采用便携式气象观测站，实时记录采样点风速等气象参数，采样时间为24小时连续采样。发明中使用的采样装置同时安放于主动监测点位1米范围之内，采样过程连续采集15天。测样时，与风向相同的通道的风门打开，风进入风道，风力自转涡轮转动产生低气压区，此时空气由防雨顶盖与大气颗粒物分离槽之间的空隙进入本发明装置，依次经过大气颗粒物分离槽中的玻璃纤维滤膜和活性气态汞捕集槽中的阳离子交换膜，此过程中空气里的汞就被截留在阳离子交换膜上。本次实施中，在采样时间为15天的情况下，在日平均风速为3m/s情况下，本发明采样装置的平均采样效率为70pg/天，在日平均风速为5m/s情况下，本发明采样装置的平均采样效率为120pg/天，远远高于现有活性气态汞采样器的20-30pg/天。
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 (4)

1.一种以自然风为动力的大气活性气态汞采样装置，其特征在于：包括防雨雪顶盖、颗粒物分离槽、活性气态汞捕集槽、风力自转涡轮、风向通道；
所述的防雨雪顶盖位于整个装置的最顶部；
所述的颗粒物分离槽竖直设置在防雨雪顶盖的下方，颗粒物分离槽由支角、侧板、分离槽孔板、垫圈和分离槽支架组成，支角与防雨雪顶盖相连，侧板为圆柱形结构，侧板下部连接分离槽孔板，分离槽孔板上均匀分布有圆孔，分离槽孔板上放置过滤膜，颗粒物分离槽下端设置有第一螺纹与活性气态汞捕集槽上端的第二螺纹固定竖直相连，所述的活性气态汞捕集槽由上到下依次分为第二螺纹、捕集槽第一支架、捕集槽孔板、阳离子交换膜、捕集槽第二支架、第三螺纹，捕集槽孔板上均匀分布有圆孔，分离槽孔板上放置阳离子交换膜；
所述的风向通道由形状相同的第一通道、第二通道、第三通道和第四通道组成，其中，第一通道与第二通道在水平面上形成的角度为90°，第二通道与第三通道在水平面上形成的角度为90°，第三通道与第四通道在水平面上形成的角度为90°，第四通道与第一通道在水平面上形成的角度为90°，第一通道、第二通道、第三通道和第四通道的入口设置有风门，四个通道的相交处为风向通道的中央位置，风力自转涡轮设置在风向通道的中央位置，风向通道的中央位置的上表面设置有与第一通道、第二通道、第三通道和第四通道上表面均相连的连接板，连接板中心设置有圆孔，风力自转涡轮顶端的第四螺纹穿出圆孔，与气态汞捕集槽下端的第三螺纹相连；
所述的防雨雪顶盖为圆锥形结构，防雨雪顶盖的高h为80～90mm，防雨雪顶盖底的直径d为100～110mm；所述的颗粒物分离槽的支角为短棒结构，所述的颗粒物分离槽的支角数量为3～8个，长度为20～30mm，支角均匀水平设置在侧板顶部，支角与防雨雪顶盖的内侧面接触，使防雨雪顶盖和颗粒物分离槽之间存有空隙与空气联通；所述的侧板高20～30mm，侧板上部与空气联通；分离槽孔板的直径为50～60mm，分离槽孔板上的圆孔的直径为5～8mm，圆孔的数量为20～25个；所述的过滤膜为玻璃纤维滤膜，过滤膜由所述的垫圈压住；所述的捕集槽孔板的直径为50～60mm，捕集槽孔板上均匀分布有圆孔，圆孔的直径为2～4mm，圆孔的数量为40～50个，捕集槽孔板上放置阳离子交换膜；所述的风力自转涡轮为椭圆球形，直径为50～60mm，由同为顺时针或者逆时针方向的12～18个波浪形叶片组成；所述的风向通道的第一通道和第三通道方向上的长度L为600～700mm，所述的风向通道的第二通道和第四通道方向上的长度L为600～700mm；所述的第一通道、第二通道、第三通道和第四通道均为长方体中空结构，所述的入口长度d2为80～85mm，高度h2为60～65mm；所述的风门的长度d1为100～105mm，高度h1为80～85mm；所述的圆孔的直径为20～30mm。
2.根据权利要求1所述的一种以自然风为动力的大气活性气态汞采样装置，其特征在于：所述的颗粒物分离槽的侧板、分离槽孔板、垫圈、风力自转涡轮和进气道的材料为聚乙烯。
3.根据权利要求1所述的一种以自然风为动力的大气活性气态汞采样装置，其特征在于：风向通道的中央位置的下方设置连接板，用于密封该区域，自然风由风口进入风向通道。
4.根据权利要求1所述的一种以自然风为动力的大气活性气态汞采样装置，其特征在于：风向通道的中央位置的下方不设置连接板，此时该区域与外界连通，自然风由风口或者该区域进入风向通道。
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