CN108872512A - 快速监测水体溶解痕量气体浓度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速监测水体溶解痕量气体浓度的装置及方法，包括进水系统、吹扫系统、气液混合系统、气液分离系统和监测系统；所述进水系统包括进水管，进水管上安装有恒流泵；吹扫系统包括储气袋，吹扫进气管一端连接至储气袋；所述气液混合系统设有第一三通管道，气液分离系统设有第二三通管道，第二三通管道中的两个孔水平设置，另一个孔竖直向上设置；进水管和吹扫进气管分别与第一三通管道的两个孔连通，其另一孔通过气液混合管连接至第二三通管道水平方向的一个孔，水平方向的另一个孔连接出水管，竖直向上的孔连接监测进气管，监测进气管另一端连接至监测系统的气体分析仪。其结构简单，性能可靠，可以进行快速、连续野外监测。

Description

快速监测水体溶解痕量气体浓度的装置及方法

技术领域

本发明涉及水体监测领域，尤其是一种快速监测水体溶解痕量气体浓度的装置及方法。

背景技术

根据IPCC第五次评估报告显示，自工业革命以来，大气中的二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等温室气体排放量显著增高，全球气温平均上升了0.85℃。气候变暖对地球环境和人类活动已经产生了显著的影响，如冰川体积缩小，海平面上升等。淡水生态系统是二氧化碳、甲烷和氧化亚氮的重要排放源。然而，由于等量甲烷的大气增温潜能比二氧化碳高出20余倍。因此，测量水体中的甲烷和氧化亚氮浓度对准确地评估水域生态系统对大气甲烷和氧化亚氮释放通量的影响，及采取相应的措施减弱水域生态系统的温室气体释放等具有重要意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种快速监测水体溶解痕量气体浓度的装置及方法，其结构简单，性能可靠，制造方便且不易损坏，并且成本低，现场操作简便，可以进行快速、连续野外监测。

本发明所采取的技术方案是，一种快速监测水体溶解痕量气体浓度的装置，包括进水系统、吹扫系统、气液混合系统、气液分离系统和监测系统；所述进水系统包括进水管，进水管上安装有恒流泵；吹扫系统包括储气袋，吹扫进气管一端连接至储气袋；所述气液混合系统设有第一三通管道，气液分离系统设有第二三通管道，第二三通管道中的两个孔水平设置，另一个孔竖直向上设置；进水管和吹扫进气管分别与第一三通管道的两个孔连通，其另一孔通过气液混合管连接至第二三通管道水平方向的一个孔，水平方向的另一个孔连接出水管，竖直向上的孔连接监测进气管，监测进气管另一端连接至监测系统的气体分析仪。

进一步地，该装置还包括透明筒体，其为中空封底结构，筒体底部设有出水孔；气液混合系统和气液分离系统均位于透明筒体内部。

进一步地，进水系统还设有缓冲容器，进水管在缓冲容器内断开，连接恒流泵的进水管末端伸入缓冲容器内，且开口向上，缓冲容器的底部设有通孔，连接第一三通管道的进水管与该通孔连接。

进一步地，所述缓冲容器安装在透明筒体内的侧壁上，且侧壁上还设有调节缓冲器高度的高度控制模块。

进一步地，储气袋上安装有抽气泵，吹扫进气管上还安装有气流量检测计，其固定在透明筒体的外壁上，吹扫进气管穿过透明筒体侧壁与第一三通管道连接。该抽气泵放置于储气袋内,通过抽气泵将气袋内固定浓度的气体抽出,进入吹扫进气管道，调节出气量流可以控制出气气压,使得进水管道内的水压与进气管道内的气压达到平衡。

进一步地，所述吹扫进气管和监测进气管上均安装有气体单向阀，防止待测水体进入吹扫进气管和检测进气管。

进一步地，所述进水管远离气液混合系统的末端设有刻度，便于观察和控制进水量。

本发明还涉及采用所述装置监测水体溶解痕量气体浓度的方法，包括以下步骤：

1)储气袋内充足空气，并进行密封，使得吹扫气体浓度恒定；

2)开启抽气泵和气体分析仪，采用气体分析仪监测储气袋内的吹扫气体的浓度；

3)将进水管伸入待测水体中，控制在指定水层或者水深处，然后通过恒流泵调整进水量；

4)再次开启抽气泵和气体分析仪，通过气体吹扫在气液混合系统进行混合，并在气液分离系统处分离出水体中的痕量气体，通过监测进气管进入到气体分析仪内进行监测其浓度。

进一步地，所述的痕量气体为甲烷、氧化亚氮或二氧化碳。

本发明有如下有益效果：

1)本发明装置采用气体吹扫的方式，将水体中难溶解的甲烷和氧化亚氮等痕量气体气体释放出来，此方式可以通过调节气流量和水流量，对待测水体充分吹扫，使得水气分离充分。

2)本发明装置可以通过气体分析仪监测水体溶解甲烷和氧化亚氮等痕量气体浓度，其所需观测时间短，仅需2分钟气体浓度就可以达到稳定，节省了监测停顿时间，因此可以进行区域内的连续监测。

3)本发明装置通过气体分析仪，可以连续在线监测不同水质水体溶解甲烷和氧化亚氮等痕量气体浓度或者不同水深水体溶解甲烷和氧化亚氮等痕量气体浓度，可以避免采用传统方法带回实验室离线监测产生的误差。

4)本发明装置性能可靠，结构简单，制造方便且不易损坏，并且成本不高，现场操作简便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为公式推算说明中不同水体及不同吹扫气体浓度时测出的顶空气体甲烷浓度和吹扫后检测甲烷气体浓度关系曲线。

具体实施方式

下面结合实施例及附图来进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

如图1所示，一种快速监测水体溶解痕量气体浓度的装置，包括进水系统、吹扫系统、气液混合系统、气液分离系统和监测系统；所述进水系统包括进水管2，进水管上安装有恒流泵4；吹扫系统包括储气袋6，吹扫进气管10一端连接至储气袋6；所述气液混合系统设有第一三通管道15，气液分离系统设有第二三通管道11，第二三通管道11中的两个孔水平设置，另一个孔竖直向上设置；进水管2和吹扫进气管10分别与第一三通管道15的两个孔连通，其另一孔通过气液混合管17连接至第二三通管道水平方向的一个孔，水平方向的另一个孔连接出水管12，竖直向上的孔连接监测进气管14，监测进气管14另一端连接至监测系统的气体分析仪13。

优选地方案中，该装置还包括透明筒体1，其为中空封底结构，筒体底部设有出水孔16；气液混合系统和气液分离系统均位于透明筒体内部。通过透明筒体设置，可以将该装置的所有系统进行整合，有序设置，并且气液分离系统中排出的水可以暂时存放在筒体内部，出水孔16可通过管道连接至外界环境，但其出水口应该距离进水管取水位置较远，避免出水对进水进行干扰，影响监测结果。

进一步地，进水系统还设有缓冲容器3，进水管在缓冲容器内断开，连接恒流泵的进水管末端伸入缓冲容器内，且开口向上，缓冲容器的底部设有通孔，连接第一三通管道15的进水管与该通孔连接。由于恒流泵会影响进水管内的进水压力，通过设置缓冲容器，将连通恒流泵的进水管从缓冲容器的下方向上伸入，开口向上，然后通过进水水体的自重从缓冲容器进入其下部的进水管；可以完全避免恒流泵压力对监测结果的影响。

更进一步地，所述缓冲容器3安装在透明筒体1内的侧壁上，且侧壁上还设有调节缓冲器高度的高度控制模块5。通过高度控制模块调节进水高度，可以防止水体进入吹扫进气管和监测进气管。

进一步地，储气袋6上安装有抽气泵7，吹扫进气管10上还安装有气流量检测计8，其固定在透明筒体1的外壁上，吹扫进气管10穿过透明筒体侧壁与第一三通管道连接。由于周围环境的干扰，会影响监测水体周围的空气中甲烷和氧化亚氮等痕量气体气体浓度，因此向气袋内充入充足的空气，可以有效的控制监测背景值的稳定；然后通过气袋内的抽气泵输送吹扫气体；通过气流量检测计可以有效控制和测量进气流量。

优选地方案中，为防止水汽进入仪器及吹扫系统，所述吹扫进气管10和监测进气管14上均安装有气体单向阀9。

优选地方案中，所述进水管2远离气液混合系统的末端设有刻度。而且可以在进水管端部连接配重块，方便进水管准确放入需要监测的水体位置。

采用对应的在线高分辨率和高精度气体分析仪13，具体型号G2301温室气体分析仪Picarro，美国。

本发明还涉及采用所述装置监测水体溶解痕量气体浓度的方法，包括以下步骤：

1)储气袋内充足空气，并进行密封，使得吹扫气体浓度恒定；

2)开启抽气泵和气体分析仪，采用气体分析仪监测储气袋内的吹扫气体的浓度；

3)将进水管伸入待测水体中，控制在指定水层或者水深处，然后通过恒流泵调整进水量；

4)再次开启抽气泵和气体分析仪，通过气体吹扫在气液混合系统进行混合，并在气液分离系统处分离出水体中的痕量气体，通过监测进气管进入到气体分析仪内进行监测其浓度。

开始试验之前，先向储气袋内补充足量气体,充分混匀后,通过气体分析仪检测气袋内吹扫气体浓度，该浓度将作为实验背景值，样品检测值需减去背景值。

进一步地，所述的痕量气体为甲烷、氧化亚氮或二氧化碳。

进水量与吹扫气体量分别受缓冲容器和抽气泵的影响，由于进水缓冲容器体积一定,进水高度不变时,进水管道内的水压将保持不变；因此，通过调节抽气泵出气量大小,控制出气气压，使得进水管道内的水压与吹扫进气管内的气压达到平衡为止。

公式推算说明：

在进行实地监测之前，先对后续会使用的公式的推算进行说明。

向同一规格的水袋中注入同样体积的同一水质的水样，然后向5个水袋内分别注入不同甲烷浓度的气体，充分震荡后静置2天，使得水袋内的水气达到平衡。向储气袋6内充入充足的气体，混匀后用气体分析仪(温室气体分析仪)监测气袋内气体浓度，即为吹扫气体浓度。用气体分析仪监测水袋内上部气体浓度，即为顶空气体浓度。然后，连接本发明装置，用储气袋内气体吹扫水袋内的水样，通过气体分析仪监测水样吹扫后检测浓度。对五个水样吹扫后所得监测值和顶空气体浓度值进行线性拟合，然后改变储气袋内吹扫气体浓度，重复吹扫五个水样，可以得到6组不同吹扫气体浓度下，吹扫后所得监测值和顶空气体浓度值的线性拟合，具体如图1所示。对拟合所得公式进行整理，如表1所示，所得到6组不同吹扫气体浓度下，吹扫后所得监测值和顶空气体浓度值的线性拟合关系式中的斜率值k十分相近，其平均约为0.00293；如表2所示，线性拟合关系式中的截距b与气袋内气体浓度存在显著相关性，其Pearson相关系数为1。

表1

	k	b	R2	气袋浓度
					实验1组	0.0029	2.4523	0.9987	2.452
实验2组	0.003	0.2442	0.9905	0.218
					实验3组	0.0027	1.1614	0.9989	1.162
实验4组	0.0029	2.9374	0.998	2.959
					实验5组	0.003	5.6136	0.9979	5.642
实验6组	0.0031	0.9256	0.9983	0.911

表2

假设采用该发明装置对水样吹扫后所得气体浓度值与顶空气体浓度值得存在如下关系式：

y＝0.00293x+C_吹扫气体

其中，y为水样吹扫后所检测得到的气体浓度值，x为顶空气体浓度值，C吹扫气体为气袋内气体浓度，即吹扫气体浓度值。

对于上述公式的检验：

重新培养新得不同甲烷浓度的水样，重复上述实验过程，通过我们假设该装置对水样吹扫后所得气体浓度值与顶空气体浓度值得的关系式，如下表3计算得到相应水样的顶空气体浓度值，与我们实际测得的水袋内的顶空气体浓度值十分相近。

表3

最后，根据亨利定律，可知在一定温度下，气体的分压与该气体溶在溶液内的摩尔浓度成正比：Ca＝Cg×H cc，其中Cg为气象中气体浓度即上述计算所得顶空气体浓度，Ca为气体溶在溶液(水)内浓度，H cc为亨利常数。如下表为最后计算水体溶解气体浓度值。

利用本实验于2018年4月22日在位于宜昌市三峡大学内东苑教学楼旁的莲心湖池塘近视装置实验。该研究区域平均水深约1.02m，最大深度为1.75m，底泥平均厚度约为5～8cm。池塘形状大致呈长约100m，宽20m的长方形，水域面积约为2000m²。实验过程中保持进气量为1.1L/min,进水量为200ml/min。气袋内吹扫气体中甲烷的浓度为2.094ppm。实测空气温度为20.9℃。检测并计算了不同水深下，水体溶解甲烷的浓度。不同位置水体溶解气体浓度见下表4。H^cc＝H^cp R T，其中H^cp为浓度与气体分压下的亨利系数，甲烷气体H^cp为0.00001400mol m^-3Pa^-1，R为理想气体常数，值为8.314，T为气体温度。

表4

Claims (9)

1.快速监测水体溶解痕量气体浓度的装置，其特征在于：包括进水系统、吹扫系统、气液混合系统、气液分离系统和监测系统；所述进水系统包括进水管（2），进水管上安装有恒流泵（4）；吹扫系统包括储气袋（6），吹扫进气管（10）一端连接至储气袋（6）；所述气液混合系统设有第一三通管道（15），气液分离系统设有第二三通管道（11），第二三通管道（11）中的两个孔水平设置，另一个孔竖直向上设置；进水管（2）和吹扫进气管（10）分别与第一三通管道（15）的两个孔连通，其另一孔通过气液混合管（17）连接至第二三通管道水平方向的一个孔，水平方向的另一个孔连接出水管（12）， 竖直向上的孔连接监测进气管（14），监测进气管（14）另一端连接至监测系统的气体分析仪（13）。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：该装置还包括透明筒体（1），其为中空封底结构，筒体底部设有出水孔（16）；气液混合系统和气液分离系统均位于透明筒体内部。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：进水系统还设有缓冲容器（3），进水管在缓冲容器内断开，连接恒流泵的进水管末端伸入缓冲容器内，且开口向上，缓冲容器的底部设有通孔，连接第一三通管道（15）的进水管与该通孔连接。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述缓冲容器（3）安装在透明筒体（1）内的侧壁上，且侧壁上还设有调节缓冲器高度的高度控制模块（5）。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：储气袋（6）上安装有抽气泵（7），吹扫进气管（10）上还安装有气流量检测计（8），其固定在透明筒体（1）的外壁上，吹扫进气管（10）穿过透明筒体侧壁与第一三通管道连接。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述吹扫进气管（10）和监测进气管（14）上均安装有气体单向阀（9）。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述进水管（2）远离气液混合系统的末端设有刻度。

8.采用权利要求1-7任意一项所述装置监测水体溶解痕量气体浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）储气袋内充足空气，并进行密封，使得吹扫气体浓度恒定；

2）开启抽气泵和气体分析仪，采用气体分析仪监测储气袋内的吹扫气体的浓度；

3）将进水管伸入待测水体中，控制在指定水层或者水深处，然后通过恒流泵调整进水量；

4）再次开启抽气泵和气体分析仪，通过气体吹扫在气液混合系统进行混合，并在气液分离系统处分离出水体中的痕量气体，通过监测进气管进入到气体分析仪内进行监测其浓度。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述的痕量气体为甲烷、氧化亚氮或二氧化碳。