CN109085027B - 一种环境空气中半挥发性有机物的采样装置及浓度测定方法 - Google Patents

一种环境空气中半挥发性有机物的采样装置及浓度测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环境空气中半挥发性有机物的采样装置及浓度测定方法，包括壳体和孔板；所述孔板为内部中空的筒体，顶部设有开口，孔板设置在结构相同的壳体内部且过盈配合；孔板上部设置有贯穿内外壁的槽，孔板外壁设置有吸附剂涂层，吸附剂涂层将外壁上的槽密闭覆盖，孔板槽下方的腔体内部自上而下依次设置有与孔板内壁密封的滤膜和吸附剂，孔板与壳体底部同轴设置有通孔，通孔依次连接有流量计和抽气动力。本装置能够将气相SVOC和颗粒相SVOC分开进行单独采集，并准确测定其SVOC气相浓度和颗粒相浓度。

Description

一种环境空气中半挥发性有机物的采样装置及浓度测定方法
技术领域
本发明属于室内环境检测领域，涉及一种环境空气中半挥发性有机物的采样装置及浓度测定方法。
背景技术
环境空气中半挥发性有机物，以下简称SVOC，主要包括二噁英类、多环芳烃(PAHs)苯类、多氯联苯类、吡啶类、喹啉类、硝基苯类、临苯二甲酸酯类、亚硝基胺类、苯胺类、苯酚类、多氯萘类和多溴联苯类等化合物。室内的SVOC除了以气相的形式存在于空气中之外，还将吸附在室内的颗粒物上形成颗粒相、吸附在壁面及室内家具表面形成吸附相以及吸附在室内降尘上形成降尘相。而现有的调查数据表明人体在室内的停留时间超过87％，摄入的空气量占总摄入量(空气、水和食物)的75％以上，人体长期通过吸入、皮肤接触及口入三种暴露途径与SVOC接触。由于SVOC种类繁多，并且在环境空气中有较大分布，研究表明用大流量或中流量采样器采集在滤膜上的PAHs样品仅是大气中PAHs的10％-30％，4环以下的PAHs多以气态形式穿过滤膜而不能被滤膜采集到，分子量大于252的SVOC可以被采集到滤膜上，分子量小于等于252或3环时，仅以气相态形式存在，基本上不能被滤膜收集到。在采样时吸附在滤膜上的SVOC样品因存在分解、吸附和挥发等情况而导致少量的丢失，因此仅收集和分析滤膜上的颗粒物中的SVOC样品并不能真正反映和了解到空气中SVOC的实际污染水平和状况。同样地，用吸附剂吸附的气相SVOC样品里，也可能采集到未在滤膜上吸附的颗粒相SVOC样品，因此仅收集和分析吸附剂中的SVOC样品并不能真正反映和了解到空气中SVOC的实际污染水平和状况。
现有的滤膜-聚氨酯泡沫采样器能够通过滤膜采集颗粒相SVOC，通过聚氨酯泡沫采集气相SVOC，通过采集到的滤膜和聚氨酯泡沫上的SVOC的总和可以了解室内空气中气相和颗粒相SVOC总的浓度，由于SVOC在滤膜上聚集过程中可能导致SVOC在气相和颗粒相中的重新分配，因此用这种采样方法获得的气相和颗粒相SVOC浓度与空气中实际的气相和颗粒相SVOC浓度间存在一定差异，差异大小与SVOC在气相和颗粒相上的分配特性有关。由于气相和颗粒相SVOC进入人体的途径有所不同，因此用此采样方法获得气相和颗粒相SVOC浓度在需要了解和估算室内SVOC暴露水平时会产生一定的误差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种环境空气中半挥发性有机物的采样装置及浓度测定方法，能在降低SVOC在气相和颗粒相上再分配情况下采集到空气中的气相态SVOC样品，并基于采集到的总的SVOC样品，更为准确的获得室内空气中SVOC气相浓度和颗粒相浓度。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种环境空气中半挥发性有机物的采样装置，包括壳体和孔板；
所述孔板为内部中空的筒体，顶部设有开口，孔板设置在结构相同的壳体内部且过盈配合；孔板上部设置有贯穿内外壁的槽，孔板外壁设置有吸附剂涂层，吸附剂涂层将外壁上的槽密闭覆盖，孔板槽下方的腔体内部自上而下依次设置有与孔板内壁密封的滤膜和吸附剂，孔板与壳体底部同轴设置有通孔，通孔依次连接有流量计和抽气动力。
优选的，吸附剂与孔板底部之间设置有吸附剂隔层。
优选的，流量计与抽气动力之间设置有流量调节装置。
优选的，壳体上方设置有顶罩，顶罩与壳体端面形状相同，且顶罩边沿向下弯曲至超过壳体入口。
优选的，槽的深度为小于10mm且大于5mm，槽的高度为大于0mm且小于5mm。
优选的，孔板内壁设置有用于固定滤膜的滤膜夹。
优选的，孔板采用不锈钢制成。
一种环境空气中半挥发性有机物浓度的测定方法，基于上述任一所述装置，包括如下步骤；
步骤1，将装置清洗晾干后，在采样点组装好，开启抽气动力，根据不同SVOC选取采样时间t进行采样，并记录采样流量Q；
步骤2，采样停止后取出孔板中的吸附剂涂层、滤膜及下部的吸附剂，放置于0～4℃低温环境保存；
步骤3，对吸附剂涂层、滤膜及吸附剂进行预处理，将这些采样介质中的SVOC转移至采用GC-MS分析的介质中；
步骤4，用GC-MS分析这些部件中SVOC的吸附量，获得吸附剂涂层中的SVOC含量M1，滤膜及吸附剂中的SVOC含量M2；
步骤5，获得气相浓度Cg和颗粒相浓度Cp如下：
Figure BDA0001808125320000031
Figure BDA0001808125320000032
其中，k为采集装置对该SVOC气相的采样因子。
优选的，采样因子k由SVOC物性和采集装置几何形状决定，通过标准气体校准获得，校准过程包括以下步骤：
步骤1，装置密闭一段时间后，开启抽气动力，通入已知样本浓度的标准气体，进行取样，并记录相应的流量和时间；
步骤2，经过设定的采样时间后，取出孔板中的吸附剂涂层、滤膜及吸附剂，用GC-MS分析这些部件中SVOC的吸附量；
步骤3，更改设定的采样时间和标准气体SVOC浓度，重复步骤4，再完成至少三次取样；
步骤4，对步骤2和步骤3测得的不同采样时间内的各部件中SVOC的吸附量进行初步分析，得到吸附剂涂层中的SVOC含量M1，滤膜及吸附剂中的SVOC含量M2；
步骤5，对吸附剂涂层这部分得到的测试结果进行过原点拟合，得到空气中SVOC的气相浓度和采样速率之间的关系为正比关系，获得该采集装置对该SVOC的采样因子k，k为两者的斜率。
优选的，k的求导公式如下：
Figure BDA0001808125320000041
其中，M为吸附到吸附剂上的SVOC质量，Dg为气相SVOC的扩散系数，A为槽的横截面积，δ为槽的径向长度，t为采样时间。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所述孔板上半部设置有贯穿内外壁的槽，孔板外壁设置有吸附剂涂层，吸附剂涂层将外壁上的槽密闭覆盖，由于气体的扩散系数远大于颗粒物的扩散系数，因此只允许气相SVOC通过扩散作用进入其中，而颗粒相SVOC则会被隔绝进入，可以获得纯净的气相SVOC；颗粒相SVOC则通过下半部分的滤膜进行采集，本装置能够将气相SVOC和颗粒相SVOC分开进行单独采集，并准确测定其SVOC气相浓度和颗粒相浓度。
进一步，在吸附剂下方，设置吸附剂隔层，保证吸附剂不会从中漏出，并使样本气体能顺利流出。
进一步，在流量计与抽气动力之间设置有流量调节装置，保证流量的稳定，使最后测量更加准确。
进一步，顶罩与壳体端面形状相同且边沿向下弯曲，可以从四周进气，以减小风力对采样的影响，还具有防雨雪、防降尘的作用。
进一步，不锈钢孔板内壁不会吸附SVOC，极大减小采样误差。
附图说明
图1为本发明所述装置的结构示意图；
图2为本发明的吸附剂涂层的局部放大图；
图3为本发明的吸附剂涂层的俯视图。
其中：1-顶罩；2-壳体；3-吸附剂涂层；4-滤膜夹；5-滤膜；6-吸附剂；7-吸附剂隔层；8-流量计；9-流量调节装置；10-抽气动力；11-孔板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，一种环境空气中半挥发性有机物的采样装置，其特征在于采样装置由顶罩1、SVOC样品收集装置、流量计8、流量调节装置9、抽气动力10等部分构成，顶罩1与壳体2端面形状相同，且边沿向下弯曲超过壳体2入口，在径向上能够对壳体2入口进行遮挡，可以从四周进气，以减小风力对采样的影响，还具有防雨雪、防降尘的作用。SVOC样品收集装置由壳体2、孔板11、吸附剂涂层3、滤膜夹4、滤膜5、吸附剂6、吸附剂隔层7组成。本实施例中，孔板11采用不锈钢制成，保证了内壁不会吸附SVOC，极大减小采样误差。如图2和图3所示，孔板11为内部中空的筒体，顶部设有开口，并与壳体2结构相同，孔板11设置在壳体2内部且过盈配合；孔板11上部设置有贯穿内外壁的槽，槽的深度为小于10mm且大于5mm，槽的高度为大于0mm且小于5mm，只有径向的向外扩散而没有对流，由于气体的扩散系数远大于颗粒物的扩散系数，因此其扩散进槽的均为气体；孔板11外壁设置有吸附剂涂层3，吸附剂涂层3将外壁上的槽密闭覆盖；孔板11槽下方的腔体内部设置滤膜夹4，并用滤膜夹4把滤膜5固定住，保证密封性；滤膜5下部设置有吸附剂6，吸附剂6的材料种类需根据被采集样品的物理及化学性质而定，可选用活性炭、PUF等固态材料；在吸附剂6下方，设置吸附剂隔层7，保证吸附剂6不会从中漏出，并使样本气体能顺利流出，同时在孔板11与壳体2底部同轴开设一个有气体可流出的通道，并与流量计8相连，然后由流量调节装置9调节流量，最后通过抽气动力10排至大气。
空气中的SVOC经顶罩1进入装置后，除进入槽中的部分气相态SVOC外，大部分颗粒态的SVOC被滤膜5收集，从滤膜5中漏出的剩余气相态和其余颗粒态SVOC被吸附剂6吸附，剩余空气经由流量计8、流量调节装置9、抽气动力后10排入大气，并能根据流量Q和采样时间t计算出采样体积。
本发明采样和检测原理为：气相和颗粒相SVOC经由抽气动力10抽入采集装置中时，空气中的SVOC除了随着轴向流动的主流空气流动外，还在径向存在扩散。由于槽的高度较小，SVOC进入槽内扩散起主导作用，气相和颗粒相SVOC的扩散速率可由Fick扩散定律决定：
Figure BDA0001808125320000071
Figure BDA0001808125320000072
其中，
Figure BDA0001808125320000073
为气相SVOC的扩散速率，
Figure BDA0001808125320000074
为颗粒相SVOC的扩散速率，Dg为气相SVOC的扩散系数，Dp为颗粒相SVOC的扩散系数，Cg为气相SVOC浓度，Cp为颗粒相SVOC浓度，x为槽的深度。
由于Dg>>Dp,因此颗粒相在槽中的扩散相比气相在缝隙11中的扩散可以忽略不计。气相稳态扩散速率为：
Figure BDA0001808125320000075
其中，Cg，top即为孔板11顶端气相SVOC浓度，其值近似等于主流空气中气相SVOC浓度，而Cg，bottom为孔板11下部的吸附剂6表面气相SVOC浓度，由于吸附剂6对SVOC强的吸附特性，该值可近似为0；δ为槽的径向长度。
用上式可计算采样一段时间t之后，吸附到吸附剂6上的SVOC质量，表示如下式：
Figure BDA0001808125320000076
其中A为槽的横截面积。
即采样速率正比于气相浓度Cg：
Figure BDA0001808125320000081
k为该采集装置对该SVOC气相的采样因子，由SVOC物性和采集装置几何形状决定，通过标准气体校准获得。
校准过程包括以下步骤：
1.清洗该装置的各部件，在干净空气中晾干后，组装好并立刻置于恒温环境中；
2.装置密闭1小时以上后，开启抽气动力10，通入已知样本浓度的标准气体，进行取样，并记录相应的流量和时间；
3.经过设定的采样时间后，取出孔板11中的吸附剂涂层3、滤膜5及下部的吸附剂6，用GC-MS分析这些部件中SVOC的吸附量；
4.更改设定的采样时间和标准气体SVOC浓度，重复步骤4，再完成3次取样；
5.对步骤3和步骤4测得的不同采样时间内的各部件中SVOC的吸附量进行初步分析，得到测试结果；
6.对吸附剂涂层这部分得到的测试结果进行过原点拟合，得到空气中SVOC的气相浓度和采样速率之间的关系为正比关系，获得该采集装置对该SVOC的采样因子k。
在获得该采样因子k后，即可利用该采集装置对空气中的气相和总的SVOC进行采样和分析，过程如下：
1.清洗该采集装置的各部件，在干净空气中晾干后，并立刻置于恒温环境中；
2.将装置在采样点组装好，开启抽气动力10，根据不同SVOC采取不同采样时间进行采样，记录采样流量Q和采样时间t；
3.采样停止后取出孔板11中的吸附剂涂层3、滤膜5及下部的吸附剂6，放置于温度较低的运输箱，送至实验室后立即放置于冰箱中，温度始终保持在0-4℃之间；
4.对吸附剂涂层3、滤膜5及下部的吸附剂6进行预处理，将这些采样介质中的SVOC转移至可用GC-MS分析的介质中；
5.用GC-MS分析这些部件中SVOC的吸附量，获得吸附剂涂层3中的SVOC含量M1，滤膜5及吸附剂6中的SVOC含量M2；
6.获得气相和颗粒相浓度Cg和Cp如下：
Figure BDA0001808125320000091
Figure BDA0001808125320000092
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种环境空气中半挥发性有机物浓度的测定方法，基于一种环境空气中半挥发性有机物的采样装置，包括壳体(2)和孔板(11)；所述孔板(11)为内部中空的筒体，顶部设有开口，孔板(11)设置在结构相同的壳体(2)内部且过盈配合；孔板(11)上部设置有贯穿内外壁的槽，孔板(11)外壁设置有吸附剂涂层(3)，吸附剂涂层(3)将外壁上的槽密闭覆盖，孔板(11)槽下方的腔体内部自上而下依次设置有与孔板(11)内壁密封的滤膜(5)和吸附剂(6)，孔板(11)与壳体(2)底部同轴设置有通孔，通孔依次连接有流量计(8)和抽气动力(10)；其特征在于，包括如下步骤；
步骤1，将装置清洗晾干后，在采样点组装好，开启抽气动力(10)，根据不同SVOC选取采样时间t进行采样，并记录采样流量Q；
步骤2，采样停止后取出孔板(11)中的吸附剂涂层(3)、滤膜(5)及下部的吸附剂(6)，放置于0～4℃低温环境保存；
步骤3，对吸附剂涂层(3)、滤膜(5)及吸附剂(6)进行预处理，将这些采样介质中的SVOC转移至采用GC-MS分析的介质中；
步骤4，用GC-MS分析这些部件中SVOC的吸附量，获得吸附剂涂层(3)中的SVOC含量M1，滤膜(5)及吸附剂(6)中的SVOC含量M2；
步骤5，获得气相浓度Cg和颗粒相浓度Cp如下：
Figure FDA0002375965540000011
Figure FDA0002375965540000012
其中，k为采集装置对该SVOC气相的采样因子。
2.根据权利要求1所述的一种环境空气中半挥发性有机物浓度的测定方法，其特征在于，采样因子k由SVOC物性和采集装置几何形状决定，通过标准气体校准获得，校准过程包括以下步骤：
步骤1，装置密闭一段时间后，开启抽气动力，通入已知样本浓度的标准气体，进行取样，并记录相应的流量和时间；
步骤2，经过设定的采样时间后，取出孔板(11)中的吸附剂涂层(3)、滤膜(5)及吸附剂(6)，用GC-MS分析这些部件中SVOC的吸附量；
步骤3，更改设定的采样时间和标准气体SVOC浓度，重复步骤4，再完成至少三次取样；
步骤4，对步骤2和步骤3测得的不同采样时间内的各部件中SVOC的吸附量进行初步分析，得到吸附剂涂层(3)中的SVOC含量M1，滤膜(5)及吸附剂(6)中的SVOC含量M2；
步骤5，对吸附剂涂层这部分得到的测试结果进行过原点拟合，得到空气中SVOC的气相浓度和采样速率之间的关系为正比关系，获得该采集装置对该SVOC的采样因子k，k为两者的斜率。
3.根据权利要求2所述的一种环境空气中半挥发性有机物浓度的测定方法，其特征在于，k的求导公式如下：
Figure FDA0002375965540000021
其中，M为吸附到吸附剂(6)上的SVOC质量，Dg为气相SVOC的扩散系数，A为槽的横截面积，δ为槽的径向长度，t为采样时间。
4.根据权利要求1所述的一种环境空气中半挥发性有机物浓度的测定方法，其特征在于，吸附剂(6)与孔板(11)底部之间设置有吸附剂隔层(7)。
5.根据权利要求1所述的一种环境空气中半挥发性有机物浓度的测定方法，其特征在于，流量计(8)与抽气动力(10)之间设置有流量调节装置(9)。
6.根据权利要求1所述的一种环境空气中半挥发性有机物浓度的测定方法，其特征在于，壳体(2)上方设置有顶罩(1)，顶罩(1)与壳体(2)端面形状相同，且顶罩(1)边沿向下弯曲至超过壳体(2)入口。
7.根据权利要求1所述的一种环境空气中半挥发性有机物浓度的测定方法，其特征在于，槽的深度为小于10mm且大于5mm，槽的高度为大于0mm且小于5mm。
8.根据权利要求1所述的一种环境空气中半挥发性有机物浓度的测定方法，其特征在于，孔板(11)内壁设置有用于固定滤膜(5)的滤膜夹(4)。
9.根据权利要求1所述的一种环境空气中半挥发性有机物浓度的测定方法，其特征在于，孔板(11)采用不锈钢制成。
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