CN109506992A - 一种短期大量采集大气气态汞的采样装置和采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短期大量采集大气气态汞的采样装置和采样方法，采样装置包括过滤大气颗粒物的滤膜盒；与滤膜盒出口连接的大气气态汞采样单元，该采样单元由六根镀金石英砂管和两个改造的锥形漏斗组成；与大气气态汞采样单元出口端连接的瞬时流量计；与流量计出口端连接的真空泵；与真空泵出口连接的容积式流量计。该采集装置能够在数小时内采集足够量的大气气态汞用于同位素分析；采样装置中的设备易拆装、易操作、采样简单易行、精确度高。

Description

一种短期大量采集大气气态汞的采样装置和采样方法

技术领域

本发明涉及大气成分采样技术领域，尤其涉及较短时间内大量采集大气汞的采样装置和采样方法。

背景技术

汞是一种具有生物毒性的重金属元素，能以剧毒甲基汞的形式在生物体内进行累积和传递，进而危害人类的健康。同时，汞也是唯一一种在大气中以金属单质态稳定存在的元素，能够在全球范围内的进行循环和沉降。人为汞排放近年来不断增加，达到2000t/a，从而造成当今大气汞的背景值较工业革命前高出3倍以上。

根据汞在大气中存在的物理化学状态不同，大气汞被人为分为大气零价汞(Hg⁰)、大气二价汞(Hg^II)和大气颗粒态汞(Hg^P)，前二者也统称为大气气体汞。大气汞主要以零价汞的形态存在，一般占大气汞的90％以上；大气二价汞和颗粒态在大气汞中的比例一般小于10％。大气零价汞不溶于水，在大气中的滞留时间达0.5-1.5年之久，从而造成全球的传输。大气二价汞和颗粒态一般在数周内随大气湿沉降和干沉降进入地表。认清大气汞之间的转化和循环是制定汞排放标准的重要依据，一直以来都是国际上研究的热点和难点。

汞是迄今唯一具有“三维”同位素示踪体系的重金属。大气汞同位素不但具有常见的质量分馏，还具有较为少见奇数同位素的非质量分馏以及极其罕见的偶数同位素的非质量分馏。由于特定的大气物理化学过程使得汞同位素沿着不同的轨迹进行质量和非质量分馏，因而通过测定大气汞的同位素组成，可以推演出大气汞的形态转化与循环过程。

高精度汞同位素测试需要足够量的大气汞样品(一般大于10ng)。传统的镀金石英砂富集法采集大气气态汞只使用一根镀金石英砂管，为保证采样效率，采样气流量通常被限制在2L/min以内，因而在低汞背景的大气中难以短时间内收集足够量的汞用于高分辨率、高精度的汞同位素测试。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种短期内大量采集大气气态汞的采样装置和采样方法。该装置能够在12小时内采集到大于10ng的大气气态汞。

本申请提供一种短期大量采集大气气态汞的采样装置，包括:

过滤大气颗粒物用的滤膜盒；

大气气态汞采样单元，所述大气气态汞采样单元包括第一锥形漏斗，所述第一锥形漏斗的细管端与滤膜盒的出气口连通，第二锥形漏斗与第一锥形漏斗同轴线左右相对间隔设置，所述第二锥形漏斗的细管通过第一连接管道与瞬时流量计的进口端相连；所述的第一锥形漏斗的广口端和第二锥形漏斗的广口端均采用密闭板封闭设置，在所述的第一锥形漏斗的密闭板和第二锥形漏斗的密闭板之间沿圆周方向均匀安装有多个采样管，每根采样管的两端分别与密闭板上的中空管连通设置，采样管收集大气气态汞，在采样管外部包裹有硅胶加热片，在每根采样管内部充填有1-1.5g镀金石英砂，充填物两端塞有石英棉；

真空泵，所述的真空泵与瞬时流量计出口端通过第二连接管道连接；

容积式流量计，所述的容积式流量计与真空泵出口通过第三连接管道连接。

本发明的一种短期大量采集大气汞的采样方法，包括以下步骤：

(1)将滤膜盒载有的石英纤维滤膜置于马弗炉中于550℃加热6h以上；

(2)将滤膜盒进气端置于周围大气中，开启硅胶加热片控制器加热吸收管，启动真空泵，大气通过滤膜盒中载有的石英纤维滤膜过滤掉其中的颗粒物；

再通过大气气态汞采样单元上的采样管收集大气气态汞，在此过程中通过瞬时流量计调节气体流量，通过容积式流量计记录气体总流量。

本申请提供的采样装置通过滤膜盒中载有的石英纤维滤膜过滤掉大气中的颗粒物；再通过大气气态汞采样单元上的采样管收集大气气态汞。该采集装置能够极大增加大气样品流量，最短在12小时内采集到大于10ng的大气气态汞用于高精度的汞同位素分析。采样装置中的设备易易拆装、易操作、采样简单易行、精确度高。实验结果表明：本装置可以定量捕获采集大气中95％以上的大气气态汞；与现有技术相比较，可以提高5倍以上的大气汞采样效率。

附图说明

图1为短期大量采集大气气态汞的采样装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明加以详细说明：

参见图1，本申请提供一种短期大量采集大气气态汞的采样装置，包括过滤大气颗粒物用的滤膜盒1；

大气气态汞采样单元，所述大气气态汞采样单元包括第一锥形漏斗2，所述第一锥形漏斗2的细管端与滤膜盒的出气口连通，第二锥形漏斗3与第一锥形漏斗2同轴线左右相对间隔设置，所述第二锥形漏斗3的细管通过第一连接管道与瞬时流量计6的进口端相连；所述的第一锥形漏斗2的广口端和第二锥形漏斗3的广口端均采用密闭板封闭设置，在所述的第一锥形漏斗2的密闭板和第二锥形漏斗3的密闭板之间沿圆周方向均匀安装有多个采样管4，每根采样管4的两端分别与密闭板上的中空管连通设置，采样管收集大气气态汞。在采样管4外部包裹有硅胶加热片5。在每根采样管4内部充填有1-1.5g镀金石英砂，充填物两端塞有石英棉。

真空泵7，所述的真空泵与瞬时流量计出口端通过第二连接管道连接；

容积式流量计8，所述的容积式流量计8与真空泵出口通过第三连接管道连接。

优选地，所述的滤膜盒装载有石英纤维滤膜。

本申请提供的采样装置通过滤膜盒中载有的石英纤维滤膜过滤掉大气中的颗粒物；再通过大气气态汞采样单元上的采样管收集大气气态汞。该采集装置能够极大增加大气样品的流量，在大气汞浓度为1.5ng/m³时，最短在12小时内采集到大于10ng的大气气态汞用于高精度的同位素分析。采样装置中的设备易拆装、易操作、采样简单易行、精确度高。

采样时大气气流通过滤膜盒的进气端口，其中的大气颗粒物被捕获在石英纤维滤膜上。硅胶加热片使得采样管保温在60℃左右，防治水汽凝结。

优选的，所述第一锥形漏斗、第二锥形漏斗、第一锥形漏斗和第二锥形漏斗广口端的密闭板以及中空管均为石英玻璃材质，这种材质耐高温，不易变形。

所述瞬时流量计6可以为转子流量计，量程范围为1-60L/min。

所述真空泵可以为微型隔膜泵，抽气流量约为30L/min可进行微调。

所述的容积式流量计8为气体质量流量计，可在采样时间内计算流经采样系统中的总大气流量。

所述的第一连接管道、第二连接管道以及第三连接管道可以采用硅胶软管。

本发明的一种短期大量采集大气汞的采样方法，包括以下步骤：

(1)将滤膜盒载有的石英纤维滤膜置于马弗炉中于550℃加热6h以上；

(2)将滤膜盒进气端置于周围大气中，开启硅胶加热片控制器加热吸收管至60℃，启动真空泵7，大气通过滤膜盒中载有的石英纤维滤膜过滤掉其中的颗粒物；再通过大气气态汞采样单元上的采样管收集大气气态汞。在此过程中通过瞬时流量计6调节气体流量，再通过容积式流量计8记录气体总流量。

在本申请中，大气流量控制在10L/min。

为了进一步说明本申请，下面结合实地采样方法对本申请提供的短期大量采集大气汞的采样装置和方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

将滤膜盒、大气汞采样单元、瞬时流量计、真空泵、容积式流量计之间通过厚壁硅胶软管连接，保证装置整体的密闭性；所述滤膜盒直径为62mm，包括聚碳酸酯滤壳和聚苯枫支撑垫；所述滤膜盒载有的石英纤维滤膜，直径为47mm，大气颗粒物的截留效率达到99.9％。中空管为3.5cm长石英细管。所述第一锥形漏斗、第二锥形漏斗、第一锥形漏斗和第二锥形漏斗广口端的密闭板以及中空管均为石英玻璃材质；所述采样管长度为12cm、内径为5mm，外径7mm，内部充填有1.5g镀金石英砂，充填物两端塞有石英棉。所述瞬时流量计6为转子流量计，量程范围为1-60L/min。所述真空泵为微型隔膜泵，抽气流量约为30L/min，可进行微调。容积式流量计8为气体质量流量计。

将滤膜盒载有的石英纤维滤膜置于马弗炉中于550℃加热6.5h；

将滤膜盒的进气口置于周围空气中，开启硅胶加热片控制器加热吸收管至60℃,启动真空泵使得瞬时流量计的气体流速达到10L/min；通过容积式流量计8记录气体总流量。

大气通过滤膜盒中载有的石英纤维滤膜过滤掉其中的颗粒物；

再通过大气气态汞采样单元上的采样管收集大气气态汞,采样时间为12h，采样次数为3次。

经过测试，六根采样管上的捕获的汞质量数据如表1所示：

表1大气气态汞采样器三次采集的大气气态汞数据

*以Terkan2537X的测试数据为理论参考计算所得。三次样品采集期间，Terkan2537X同时测得的大气气态汞浓度平均值分别为3.00ng/m³、2.95ng/m³和3.10ng/m³，以此计算的流经大气气态汞采样器的大气汞的质量分别为21.60ng、21.24ng和22.32ng。

由以上实施例可知，该采集装置能够极大增加大气样品的流量，在大气汞浓度为1.5ng/m³时，最短在12小时内采集到大于10ng的大气气态汞用于高精度的同位素分析。采样装置中的设备易易拆装、易操作、采样简单易行、精确度高。实验结果表明：本装置可以定量捕获采集大气中95％以上的大气气态汞；与现有技术相比较，可以提高5倍以上的大气汞采样效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种短期大量采集大气气态汞的采样装置，其特征在于包括:

过滤大气颗粒物用的滤膜盒；

大气气态汞采样单元，所述大气气态汞采样单元包括第一锥形漏斗，所述第一锥形漏斗的细管端与滤膜盒的出气口连通，第二锥形漏斗与第一锥形漏斗同轴线左右相对间隔设置，所述第二锥形漏斗的细管通过第一连接管道与瞬时流量计的进口端相连；所述的第一锥形漏斗的广口端和第二锥形漏斗的广口端均采用密闭板封闭设置，在所述的第一锥形漏斗的密闭板和第二锥形漏斗的密闭板之间沿圆周方向均匀安装有多个采样管，每根采样管的两端分别与密闭板上的中空管连通设置，采样管收集大气气态汞，在采样管外部包裹有硅胶加热片，在每根采样管内部充填有1-1.5g镀金石英砂，充填物两端塞有石英棉；

真空泵，所述的真空泵与瞬时流量计出口端通过第二连接管道连接；

容积式流量计，所述的容积式流量计与真空泵出口通过第三连接管道连接。

2.根据权利要求1所述的短期大量采集大气气态汞的采样装置，其特征在于：所述的滤膜盒装载有石英纤维滤膜。

3.根据权利要求1或者2所述的短期大量采集大气气态汞的采样装置，其特征在于：所述第一锥形漏斗、第二锥形漏斗、第一锥形漏斗和第二锥形漏斗广口端的密闭板以及中空管均为石英玻璃材质。

4.根据权利要求3所述的短期大量采集大气气态汞的采样装置，其特征在于：所述瞬时流量计为转子流量计。

5.根据权利要求3所述的短期大量采集大气气态汞的采样装置，其特征在于：所述真空泵为微型隔膜泵。

6.根据权利要求3所述的短期大量采集大气气态汞的采样装置，其特征在于：所述的容积式流量计为气体质量流量计。

7.根据权利要求3所述的短期大量采集大气气态汞的采样装置，其特征在于：所述的第一连接管道、第二连接管道以及第三连接管道采用硅胶软管。

8.一种短期大量采集大气汞的采样方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将滤膜盒载有的石英纤维滤膜置于马弗炉中于550℃加热6h以上；

(2)将滤膜盒进气端置于周围大气中，开启硅胶加热片控制器加热吸收管，启动真空泵，大气通过滤膜盒中载有的石英纤维滤膜过滤掉其中的颗粒物；

再通过大气气态汞采样单元上的采样管收集大气气态汞，在此过程中通过瞬时流量计调节气体流量，通过容积式流量计记录气体总流量。